ВВЕДЕНИЕ До начала 30-х годов прошлого ... существовании нейтрино. Они были теоретически ...
advertisement
ВВЕДЕНИЕ До начала 30-х годов прошлого столетия никто не подозревал о существовании нейтрино. Они были теоретически предсказаны физикомтеоретиком В. Паули в 1930 году в трудной и неясной ситуации, царившей в физике в то время. А ситуация была такая: эксперименты показали, что при испускании электронов атомными ядрами либо не соблюдается известный всем закон сохранения энергии, либо куда-то уносится энергия. Чтобы пояснить всю остроту положения, достаточно сказать, что даже сам Н. Бор допускал возможность нарушения закона сохранения энергии в микромире. Однако Паули нашел объяснение этому парадоксу, допустив существование нейтрино – частицы, являющейся, как выяснилось позже, главным действующим лицом во многих ядерных спектаклях, происходящих как на Земле, так и в космосе. Благодаря нейтрино недостаток энергии, обнаруженный в опытах по бета-распаду, легко объяснялся: энергию уносили нейтрино. Тем самым краеугольный камень физики – закон сохранения энергии – был спасен. "Крестным отцом" нейтрино стал известный итальянский физик Э. Ферми: именно он дал новой частице имя, означающее по-итальянски "малая нейтральная частица", "маленький нейтрон". Он же предсказал ряд ее свойств [2]. Но для начала, следовало экспериментально подтвердить, существует ли такая частица на самом деле. Выполнить такой эксперимент представилось необычайно трудным, ведь теория предполагала, что у нейтрино ничего нет – нет массы, заряда, магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитным процессам. Конечно, оставались лазейки такого сорта: вдруг и нейтрино есть маленький заряд много меньший заряда электрона или вдруг у нейтрино есть маленький магнитный момент? Если же ни того, ни другого нет, то нейтрино “чистый” представитель слабых сил, без всяких 1 электромагнитных свойств [2]. Оно может себя обнаружить, только если путём слабого передаст часть энергии заряженным частицам и уже те будут зарегистрированы. Оставалось найти подходящий процесс. И вот в 1934 году предложили использовать для обнаружения нейтрино реакцию [2], при которой оно взаимодействует с водородом (с протонами) и рождает нейтрон и позитрон: +p n+ e+ Реакция эта по многим признакам была очень привлекательна. Во – первых, она обязана происходить ( про многие другие процессы с нейтрино заранее известно не было). Согласно общим физическим принципам, если возможен распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино, то обязательно существует и обратная ему реакция. Во - вторых теория Ферми предсказывала, что в потоке нейтрино небольших энергий скажем излучаемых при β – распаде ядер вероятность этого процесса гораздо больше чем любого другого . В – третьих две частицы, которые вылетают в результате реакции достаточно “колоритны” и можно надеяться зарегистрировать их [2]. Данная реакция имеет энергетический порог. Это означает, что она идёт только в том случае если энергия нейтрино превышает 1,8 МэВ. Если обратиться к примеру из материала [2] и считать что мы обладаем источником излучающим поток нейтрино энергией 3 МэВ и этот поток падает на мишень например кубометр воды ( в воде достаточно большая концентрация протонов) то из 10^18 частиц – из миллиона триллионов частиц – лишь одна прореагирует в такой мишени. Хотя погоня за нейтрино началась сразу после открытия, ждать результатов пришлось 20 лет. За это время методы ядерной физики совершенно преобразились. Во – первых были созданы мощные источники нейтринного излучения. Во – вторых появились чувствительные детекторы, содержащие большое количество вещества – несколько кубометров. Наконец, экспериментаторы изобрели методы подавления фона. Потребовалась многолетняя работа для 2 того, чтобы научиться выделять нейтринные события среди фоновых по их специфическим особенностям. Итак, на основе материала [2] нейтрино обозначается буквой , является электрически нейтральной частицей со спином 1/2, то есть фермионом. Принадлежит к классу лептонов, то есть, к легким частицам. Возможно, нейтрино имеют нулевую массу. К настоящему времени известно шесть лептонов, три из которых имеют отрицательный заряд: электрон, мюон и лептон, и три соответствующих аромата (сорта) нейтрино: электронное e, мюонное и тау-нейтрино , а также шесть антилептонов. Выдающийся физик, академик Б. М. Понтекорво теоретически предсказал существование двух сортов нейтрино – “электронных” и ”мюонных”. Очень скоро это предсказание блестяще оправдалось на опыте. Вскоре было открыто также тау-нейтрино. Понтекорво был также первым, кто указал на важность нейтрино для изучения звездных и, в первую очередь, солнечных недр. Важнейшим отличительным свойством нейтрино является их огромнейшая проникающая способность. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом растет с ростом энергии нейтрино. Общее количество фоновых нейтрино неизвестно, и оно может быть так же велико, как и количество фотонов. Далее мы подробно рассмотрим первые попытки регистрации нейтрино и другие особенности физики нейтрино. 3 Первые детекторы нейтрино. В 50-е годы прошлого века шёл период бурного развития техники сцинтилляционного счёта. Взоры физиков занимающихся погоней за нейтрино, сначала обратились к жидким сцинтилляторам. Дело в том, что выращивать кристаллы, органические и неорганические – сложное и дорогое дело. А их требуется очень много. Другое дело жидкости, хотя и сними, было много трудностей. В жидких сцинтилляторах сам растворитель (толуол, бензол, декалин и т.д.) обычно обладает лишь очень слабыми сцинтилляционными свойствами и в него необходимо ввести специальные добавки – активаторы, которые “перехватывают” энергию от молекул растворителя и эффективно превращают её в свет [2]. Отработка таких сложных по составу растворов заняла много времени. Кроме того, все компоненты жидкого сцинтиллятора должны были иметь высочайшую химическую чистоту, так что химикам и физикам хватало неприятностей пока они учились получать жидкие сцинтилляторы в большом количестве. Первые попытки зарегистрировать нейтрино делались при помощи источников, которые обладали естественной радиоактивностью. Опытов было сделано много. Часто в них использовались огромные (по тем временам) активности. В 1935 году Намиас пытался определить число ионов, которые рождает нейтрино в воздухе, предполагая, что эта частица имеет магнитный момент. Он работал с источником, содержащим 5 г. радия, и число нейтрино излучаемых им во все стороны, составляло приблизительно 10^11 частиц в секунду. Ионизации Намиас не обнаружил. Из эксперимента следовало, что пробег частицы до взаимодействия с атомами воздуха больше чем миллион километров и значит её возможный магнитный момент на много порядков меньше чем у электрона [2]. В 1944 года под руководством Ферми в Америке был запущен первый ядерный реактор. В реакторе после захвата нейтрона ядро урана – 235 (или плутония 239) делится на два осколка. Образовавшиеся осколки сначала 4 излучают нейтроны, потом гамма-кванты и процессы эти идут за очень короткие времена. Потом приходит черёд бета-распадов. В среднем каждый из осколков претерпевает бета-распад три раза и, следовательно, при одном делении излучается шесть нейтрино. Их энергия простирается от 0 до 10МэВ, но относительное число частиц с большой энергией очень мало. Если мощность реактора составляет 1000МВт, то в окружающее пространство каждую секунду испускаются N=2*1020 нейтрино. Около 50 МВт мощности уносится этим излучением, для которого стены, защита, бетонные плиты, да и сам земной шар – абсолютно прозрачны. На детектор расположенный, на расстоянии R=10 ÷15 м от активной зоны реактора, падает поток нейтрино, равный ~1023 частиц через 1см2 в секунду. Расположить детектор ближе очень трудно из-за необходимости защиты других видов излучения реактора [3]. Физики получили в свои руки мощный источник нейтрино. Теперь дело было за детекторами. Их развитие шло непрерывно и для обнаружения ν были испробованы самые разнообразные типы таких приборов, пока стало не ясно, что успехов следует ожидать от сцинтилляционного метода. По сути, сцинтилляционный метод есть метод вспышек, которые вызывают частицы. Первый такой детектор элементарных частиц, носил название спинтраскопа Крукса [2]. Именно с его помощью было открыто атомное ядро. Однако такой прибор был годен для счёта редких событий, самое большее, - двух в секунду. Вследствие того, что экспериментатор, должен был находиться в тёмной комнате и через лупу разглядывать на экранчике из сернистого цинка довольно слабые вспышки света, т.е. считать альфа – частицы от радиоактивного препарата, вести наблюдение достаточно долго было не возможно. Но в 1944 году Керран и Бейкер приспособили для счёта сцинтилляций регистрирующий электронный световые прибор вспышки. фотоумножитель Фотоумножитель (ФЭУ), обладал несомненными преимуществами по сравнению с человеком – быстротой, 5 надёжностью и большой чувствительностью. Свет от каждой из частиц, преобразовывался в электрический импульс, и затем специальная электронная аппаратура считала эти импульсы [2]. С этого момента метод сцинтилляций начал своё триумфальное шествие в ядерной физике и физике элементарных частиц. В 1947 году Кальман заменил экран из сернистого цинка, прозрачным для собственного излучения кристаллом нафталина. Теперь свет шёл не с поверхности, а из всего объёма кристалла [2]. Стало возможным регистрировать не только короткопробежные альфа – частицы, но и бета – и гамма излучение. Правда последнее плохо поглощалось в нафталине, слишком мала величина Z у этого вещества (Z = 6 для углерода). Но в 1948 году Хофштадтер обнаружил, что кристалл йодистого натрия NaI (эффективное Z = 50) с небольшими добавками таллия является прекрасным сцинтиллятором для гамма – излучения и даёт очень сильную световую вспышку [2]. За короткое время было разработано множество сцинтилляторов и, наконец, появились специальные детекторы нейтринов. На рис. 1 взятого, из материала [2] представлен современный сцинтилляционный счётчик с кристаллом NaI. Рис. 1 Пусть сто гамма – квантов, испущенных радиоактивным препаратом – цезием – 137, попадают в этот кристалл и пусть они летят друг за другом 6 узким параллельным пучком. Энергия каждого оставляет hν = 661 КэВ. Каждый из квантов, должен пойти по одному из трёх путей: вызвать фотоэффект, испытать комптоновское рассеяние, либо вылететь из кристалла, не провзаимодействовав. Вероятность процессов с гамма – квантами определяется их энергией, материалом сцинтиллятора и его размерами, Если взять кристалл толщиной δ = 5 см, то 9 квантов вызовут фотоэффект, 68 – рассеются, а 23 – пролетят сквозь кристалл, не оставив энергии. (Вообще чем больше толщина, тем меньше вероятность третьего процесса, а отношение первых двух зависит от hν и Z кристалла). При фотоэффекте практически вся энергия кванта перейдёт электрону, пробег которого очень мал (< 1 мм). Таким образом, эта часть сразу остаётся в сцинтилляторе. Квант, испытывающий комптоновское рассеяние потеряет в среднем 230 КэВ и после этого пред ним опять три возможности. Только теперь энергия меньше и вероятность фотоэффекта выше. Все эти процессы происходят за время гораздо меньшее времени высвечивания возбуждённых молекул сцинтиллятора. Теперь обратимся к графику (рис.2), [2] который отображается на экране амплитудного анализатора. – прибора позволяющего увидеть распределение энергии световых импульсов, возникающих в кристалле. Рис.2 Пик справа соответствует тому случаю, когда вся энергия гамма- кванта 661 КэВ осталась в кристалле. При этом световые импульсы близки по величине. 7 Если же квант претерпел рассеяние и вылетел из кристалла, то импульсы света, рождённые комптоновскими электронами, будут иметь меньшую нагрузку. Именно ими образован левый “хвост” спектра. Из этого ясно, как можно по пику полного поглощения прокалибровать энергетическую шкалу анализатора. Вернёмся к рисунку 1. Кристалл помещён в тонкий металлический кожух, через который свободно проникают гамма – кванты, но, не проходя свет. С одной стороны кожуха сделано стеклянное окно. С других сторон между ним и кристаллом находится отражатель, чаще всего белый порошок окиси магния. Такая конструкция помогает собрать на фотоумножитель как можно больше света. Фотоумножитель – чувствительный прибор. Его работа нарушается при высоких или очень низких температурах, в области больших магнитных полей. Он может разрушиться при больших давлениях. Поэтому иногда возникает необходимость удалить кристалл от ФЭУ. В этих случаях используются светопроводы, Это сплошной цилиндр из прозрачной пластмассы с изолированными поверхностями. Его торцы оптическим клеем соединены один – со стеклом кристалла, второй – с входным окном ФЭУ. Светопровод использует эффект полного внутреннего отражения. Луч света падающий на поверхность раздела пластик – воздух под углом большим чем α (α – угол полного внутреннего отражения), уже не может выйти за пределы светопровода и после нескольких отражений попадает на фотокатод ФЭУ, как показано на рис.3 взятому из [2] 8 Рис.3 Итак, согласно описанию из работы [2] свет собирается через светопровод на входное окно фотоумножителя. Последний чаще всего представляет собой откачанный до высокого вакуума и запаянный стеклянный цилиндр. С торца противоположно входному окну, выведены контакты электродов. Фотоумножитель в сцинтилляционном счётчике играет двоякую роль – он преобразует световой импульс в электрический и затем усиливает этот электрический импульс. В соответствии с этим нём используются два физических явления – фотоэффект и вторичная электронная эмиссия. Квант света, пройдя через стеклянное окошко ФЭУ, попадает на нанесённый с внутренней стороны полупрозрачный слой – фотокатод, который изготовляется на основе соединений щелочных металлов с сурьмой. Такой слой особенно чувствителен к свету сцинтилляций, обладая малой работой выхода. Благодаря внешнему фотоэффекту, кванты выбивают электроны, которые разгоняются приложенным напряжением(и одновременно фиксируются) на промежутке до следующего электрода Поверхность диода покрыта слоем вещества, для 1-го диода. которого велик коэффициент вторичной эмиссии σ, т.е., число электронов, выбитых одним падающим электроном. Величина σ зависит от энергии первичных электронов и при ускоряющем напряжении 100В составляет ~ 3. Выбитые электроны летят ко 2-му диоду, ускоряются приложенным напряжением и история повторяется. Если ФЭУ имеет 10 диодов то на последний электрод – 9 анод приходит в среднем 310 ≈ 6*104 электронов, вызванных всего одним электроном, вылетевшим их фотокатода. Сцинтилляционный счётчик сыграл большую роль в исследованиях по ядерной физике и физике элементарных частиц. Можно перечислить целый ряд выдающихся экспериментов, где он был применён [2]: 1. Открытие антипротона и антинейтрона. 2. Регистрация нейтрино от ядерного ректора. 3. Доказательство несохранения чётности в слабых взаимодействиях. 4. Рассеяние нейтрино на электроне. 5. Подземные эксперименты с космическими нейтрино. 6. Опыты по поиску двойного бета – распада. 10 Экспериментальное подтверждение существования нейтрино. В 1953 г. Рейнес и Коуэн впервые зарегистрировали нейтрино, вдали от места рождения этой частицы [3]. Рис. 4 Для обнаружения ν они использовали реакцию, обратную бета- распаду нейтрона: +p n + e+ Источником нейтрино как уже говорилось служил мощный ядерный реактор в атомном центре Лос – Аламосе. Чтобы понять принцип регистрации обратимся к рисунку 4, взятому из [2]. Нейтрино, летящее от реактора попадает в мишень – пластиковый бак, наполненный двумястами литрами воды. В воде растворена соль кадмии CdCl2. При взаимодействии нейтрино с водородом (р) образуются нейтрон и позитрон. Последний практически мгновенно замедляется аннигилирует с электроном среды и два гаммакванта каждый с энергией 0,5 МэВ разлетаются в противоположные стороны. Мишень была сделана достаточно тонкой, чтобы вылетевшие из неё кванты попали в баки с жидким сцинтиллятором установленные по обе стороны от мишени. Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняя поверхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света от сцинтиллятора собралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, 11 которые “просматривают” бак. Для выравнивания светового потока ФЭУ отделены от сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистый растворитель. Первое известие о регистрации нейтрино подают одновременно зарегистрированные в детекторах аннигиляционные гамма – кванты с определённой энергией. Но этого оказывается недостаточно, несмотря на то что детектор был защищён свинцом и бетоном, число фоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени всё ещё в десятки раз превышало ожидаемый эффект. Поэтому пришлось прибегнуть и к “услугам” нейтрона. Он быстро замедляется в воде – за несколько миллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и был введён в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и результате этого процесса излучает несколько энергичных гамма – квантов. Последние также попадают в сцинтилляционные детекторы и регистрируются. Теперь нейтринное событие может быть отделено от фона по следующим признакам [3]: 1. В детекторах одновременно возникают импульсы, соответствующие по энергии аннигилляционным квантам. 2. Через определённое время в детекторах тоже одновременно появляются импульсы, величина которых лежит в заданном диапазоне. Они связаны с захватом нейтрона ядром кадмия. Определённые энергии, совпадение по времени, задержка между первым и вторым событием – все эти особенности реакции +p n+ e+ позволили успешно подавить фон и зарегистрировать нейтрино. В эксперименте использовались две водные мишени и между ними три сцинтилляционных детектора. Общая масса установки по данным материала [3], кроме внешней свинцовой защиты, по данным материала [3], превышала 10 т, а счёт 12 полезных событий оставлял всего 1,7 штуки за час, т.е., 40 штук в сутки. Вместе с этим полное число реакций +p n+ e+ в 400 л воды должно было быть около 2000. Такое уменьшение эффекта произошло потому, что в борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий и тем самым снизить эффективность регистрации нейтрино. Простой пример [2]. Аннигилляционный гамма – квант может уйти из сцинтилляционного детектора, оставив в нём только часть энергии. Поскольку отбираются такие события, импульс от которых соответствует потерям энергии в детекторе 0,5 МэВ, электронная схема его не считает. Эффективность регистрации нейтрино рассчитывалась и проверялась в контрольных экспериментах. Опытов было проведено много. Например, для определения наиболее опасной компоненты фона – фона от реактора, между активной зоной и установкой помещалась массивная дополнительная защита [3]. Потоки всех частиц, кроме нейтрино ослабляются этой защитой. И если наблюдаемые события всё – таки каким – либо хитрым образом имитируются ими, то число таких событий уменьшается. Результат успокоил физиков – величина эффекта осталась на уровне 40 штук в сутки. Эксперимент вместе с контрольными опытами длился 2085 часов, т.е., около трёх месяцев чистого времени. Точность была не очень велика, но позволяла утверждать, что вероятность взаимодействия нейтрино с протоном находилась в согласии с предсказаниями теории Ферми. 13 Подземные детекторы. В 1988 году японские ученые начали проводить эксперимент на подземном детекторе Kamiokande-II, который расположен на глубине 1000 м в шахте Камиока. Их эксперимент принципиально отличался от предыдущих тем, что основным процессом является рассеяние солнечных нейтрино на Рис. 5. Схема детектора Kamiokande II электронах обычной воды . В результате столкновения нейтрино с какимлибо атомом, входящим в состав воды, ядро атома отскакивало, а из атомной оболочки вылетал электрон, создавая в воде черенковское излучение свечение темно-голубого цвета [1]: e- + e -' + . Данный эксперимент является прямым, т.е. фиксируется непосредственно выбивание электрона. Этим он отличается от, например, радиохимического эксперимента Homestake, продукты основной реакции которого не фиксируются, а факт взаимодействия определяется путем сложных химических методов, требующих большого времени и не дающих информации о направлении движения первоначального нейтрино [1]. Такая методика позволяет регистрировать все типы нейтрино, но максимально она чувствительна к электронным нейтрино. Ее достоинство заключается в том, что можно определить достаточно точно, откуда прибыло нейтрино, так как вылетевший электрон сохраняет направление движения нейтрино. Для того чтобы поймать нейтрино, использовались 3000 тонн чистейшей воды, помещенной в стальной цилиндрический резервуар. 1000 фотоумножителей, размещенных на внутренней поверхности резервуара, фиксировали черенковское излучение. Но подобно экспериментам Homеstake, Kamiokande-II обнаруживал только очень редкие высокоэнергетичные нейтрино. За тысячу дней наблюдений ученые 14 обнаружили только 1/2 от ожидаемого потока таких нейтрино [1]. Годы работы детектора: 1988-1995. Граничная энергия регистрируемых нейтрино = 7.5 МэВ. Доля экспериментально обнаруженных нейтрино от теоретически рассчитанного количества: Граничная энергия определяется тем, что выбитый из атома электрон должен лететь со скоростью, большей скорости света в воде для того, чтобы излучать черенковское свет. В результате попыток теоретического обоснования результата родилось множество других проблем: имеет ли нейтрино массу, магнитный момент, каково время жизни нейтрино, и т.д. Все эти проблемы послужили рождению детекторов второго поколения, одним их которых является SuperKamiokande. SuperKamiokande, являющийся модернизацией Kamiokande-II, размещен в горах Японии на глубине 1 км под землей [1]. Его детектор - огромный резервуар (40х40 м) из нержавеющей стали, заполненный 50 000 т чистой воды, которая служит мишенью для нейтрино. На поверхности резервуара размещены 11 146 фотоумножителей (ФЭУ). Внутренний детектор, используемый для физических исследований, окружен слоем обычной воды, который называется внешним детектором и также контролируется фотоумножителями, чтобы не допустить в основной детектор каких-либо нейтрино, произведенных в окружающей детектор породе. В дополнение к световым коллекторам и воде огромное количество электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудования для очистки воды установлено в детекторе или вблизи него (из материала [1]). В 1998 году участники эксперимента SuperKamiokande заявили о регистрации явлений, похожих на нейтринные осцилляции. В ходе эксперимента исследовалось число мюонных нейтрино, рожденных в верхних слоях земной атмосферы, при столкновении протонов космических 15 лучей с ядрами атомов воздуха, приходящих в детектор с разных расстояний. Оказалось, что меньшее число мюонных нейтрино приходило с тех направлений, где нейтрино преодолевали большее расстояние. Эти результаты дали основания полагать, что количество нейтрино данного класса зависит от пройденного ими пути, что может быть следствием трансформации нейтрино из одного вида в другой. Протоны космических лучей в результате столкновения с атомом рождают заряженный пион, который распадается на мюон и мюонное нейтрино [1]: . Мюон в свою очередь распадается на электрон, низкоэнергетичное электронное антинейтрино и высокоэнергетичное мюонное нейтрино. . Таким образом, поток атмосферных мюонных нейтрино должен быть в 2 раза больше потока электронных нейтрино. Эксперимент показал, что потоки равны. SuperKamiokande различает нейтринные и мюонные нейтрино по виду черенковского излучения, вызываемого заряженными лептонами. В 2000 году была посчитана ассиметрия между количеством так называемых дневных (D) и ночных (N) нейтрино [1]: (D - N)/(D+N) = -0.034 + 0.022 + 0.013. Исследовалось количество высокоэнергетичных нейтрино, попадающих в детектор сверху (днем) и снизу (ночью). Те, что приходят снизу, проходя сквозь Землю, могут несколько раз претерпеть нейтринные осцилляции в отличие от “верхних” нейтрино. Годы работы детектора: 1996-2001. Граничная энергия регистрируемых нейтрино = 5.5 MэВ. rн = 47.5 + 0.8 + 1.3. 16 Рис.6. Регистрация нейтрино в проекте Рис. 7. Изображение Солнца, SuperKamiokande. Точки соответствуют полученное с помощью нейтрино фотоумножителям, расположенным на в течение 500 дней детектором стенах резервуара, а светящееся кольцо - SuperKamiokande. Более яркие зафиксированным высокоскоростным цвета соответствуют большему электронам, которые нейтрино выбивает зафиксированному числу из молекул воды. Из материала [1] нейтрино. Из материала [1] Направление, откуда пришло то или иное нейтрино, может быть вычислено исходя из направления внутри резервуара, на котором был зафиксирован электрон, выбитый из воды нейтрино. Так как происходит это очень редко, эффект рассеивания “смазывает” истинное направление до такой степени, что каждый видимый элемент изображения соответствует двум солнечным дискам. 17 KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) – это большой нейтринный детектор на острове Хонсю в Японии. В эксперименте участвуют 12 институтов США и Японии. Это крупнейший из когда-либо построенных низкоэнергетичных нейтринных детекторов, а также крупнейший сцинтилляционный Рис.8. Схема детектора KamLAND взятая из журнала [1] детектор. Основная его задача – разрешение проблемы нейтринных осцилляций путем детектирования антинейтрино от японских и южнокорейских ядерных реакторов. Для этого нужно сопоставить поток антинейтрино, детектируемый установкой, с точно рассчитываемым значением потока этих же частиц от реактора [1]. KamLAND создан на месте разрушенной в результате аварии установки Kamiokande. Основной (внутренний) детектор установки содержит килотонну жидкого сцинтиллятора в прозрачной нейлоновой сфере диаметром 13 м. Сцинтиллятор состоит из раствора псевдокумола в додекане (20:80) с небольшой добавкой дифенилоксазола, который улучшает сцинтилляционные характеристики. Чистота сцинтиллятора по урану, торию и калию (природным радиоактивным элементам, способным давать вклад в фон детектора) доведена до нескольких единиц на 10-16 г/г. Пластиковая сфера со сцинтиллятором подвешена в центре стальной сферы, заполненной прозрачной смесью жидких парафинов (массой ~2 килотонны). На внутренней поверхности стальной сферы расположены 1879 фотоумножителей двух типов (17- и 20-дюймового диаметра). Момент срабатывания каждого ФЭУ отслеживается с точностью ~3.5 нс, что позволяет не только измерять энергию событий, но и восстанавливать координаты сцинтилляционной вспышки [1]. 18 Одной из основных проблем детектирования является уменьшение фона. Основными процессами, вносящими вклад в радиационный фон, являются процессы, вызванные атмосферными мюонами, и естественная радиоактивность. Естественная радиоактивность уменьшается путем окружения детектора слоем минерального масла, защищающего от гамма-лучей и нейтринной радиации. Для обнаружения космических мюонов служит внешний детектор. Основной детектор смонтирован внутри внешнего защитного водного черенковского детектора. Это заполненная сверхчистой водой стальная цилиндрическая емкость диаметром 18 м. Хотя почти все мюоны, рождающиеся в верхних слоях атмосферы, поглощаются километровой толщей скалы над подземной лабораторией, небольшая часть их все же достигает установки, и генерируемые ими быстрые нейтроны могут вызвать ложное срабатывание основного детектора. Поэтому после зарегистрированного пролета мюона набор данных основным детектором временно приостанавливается [1]. В предыдущих экспериментах с реакторными нейтрино их дефицита не было обнаружено. Однако эксперименты с солнечными нейтрино свидетельствовали, что расстояния порядка 1 км слишком малы для его обнаружения. Размеры KamLAND и его расположение в 100-200 км от реакторов делает его весьма чувствительным к эффекту, что и привело к его обнаружению. Резко увеличив массу мишени, снизив фон и продвинувшись на два порядка по расстоянию, KamLAND смог попасть в область осцилляций [1]. Ядерные реакторы (их около 70), которые служат источниками антинейтрино, в среднем удалены от детектора на 175 км, хотя даже реакторы из Кореи вносят некоторый вклад (примерно 2.5%) в общий поток [1]. Суммарная тепловая мощность всех этих реакторов равна 130 ГВт, а поток антинейтрино, который создается ими в месте, где расположена 19 установка, составляет 1 x 106 см-2с-1. Для детектирования антинейтрино используется так называемая реакция обратного бета-распада - захват электронного антинейтрино протоном, который при этом превращается в нейтрон и излучает позитрон. e +p e+ + n Позитрон тут же аннигилирует с одним из окружающих электронов, вызывая вспышку в сцинтилляторе. Нейтрон же в течение некоторого времени (в среднем 200 мкс) путешествует в жидкости, а затем захватывается протоном, образуя ядро дейтерия и гамма-квант энергией 2.2 МэВ, который вызывает вторую вспышку [1]: n+p d+ За 150 дней ученые обнаружили 54 антинейтрино, в то время как расчетная цифра была 86. Наличие дефицита в потоке антинейтрино свидетельствует в пользу существования антинейтринных осцилляций, т.е. перехода электронного антинейтрино в антинейтрино других типов - мюонного или тау. Наличие осцилляций в свою очередь свидетельствует о том, что масса антинейтрино (и нейтрино соответственно) не равна нулю [1]. Надо отметить, что осцилляционные эксперименты способны измерить только разницу между массами трех известных нам типов нейтрино и антинейтрино (электронным, мюонным и тау-нейтрино), но не абсолютные значение массы. Данные из [1]: Годы работы детектора: 2002- наше время. Граничная энергия регистрируемых нейтрино = 1 MэВ. rн = 0.611+ 0.085+ 0.041 Результат KamLAND’а подтверждает решение LMA (Large Mixing Angle) для параметров смешивания нейтрино, причем наилучшим образом с 20 измерениями согласуется угол смешивания sin2 = 1.0 и разность масс m2 = 6.9x10-5 эВ2. Это означает, что электронные нейтрино смешаны с остальными двумя ароматами (мюонными и тау) в максимальной степени [1]. Физики из Канады, США и Великобритании заявили, что первые научные результаты, полученные в Нейтринной Обсерватории Сэдбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO), показывают, что Солнце генерирует столько нейтрино, сколько предсказывается современными моделями, но эти нейтрино приходят на Землю в разных формах. Результаты были представлены на ежегодной Конференции Канадской Ассоциации Физиков в г. Виктория (Британская Колумбия) [1]. Результаты раскрывают одну из беспокоящих тайн современной астрономии: почему в прошлых экспериментах обнаруживалась только третья часть нейтрино из общего количества, предсказанного моделями солнечной физики. "Мы теперь очень уверены в том, что несоответствие вызвано не проблемами с моделями Солнца, а изменениями в самих нейтрино, когда они путешествуют от сердцевины Солнца к Земле," – говорит Art McDonald, директор SNO [1]. Чтобы исследовать это, консорциум Канадских, Американских и Британских университетов разработал Sudbury Neutrino Observatory. Обсерватория расположена под землей на глубине два километра в никелевом руднике. Для детектирования используется тяжелая вода – вода, в которой атомы водорода заменены его более тяжелым изотопом, дейтерием. При взаимодействии нейтрино с тяжелой водой испускается электрон со скоростью, большей скорости света в воде. И этот электрон генерирует световое излучение, называемое Черенковским излучением [1]. Измеряя количество этих вспышек света, можно определить количество нейтрино. 21 В отличие от прошлых экспериментов, детектор SNO [1] чувствителен не только к электронным нейтрино, но и к двум другим типам нейтрино: мюонным и тау-нейтрино. Данные SNO показывают, что общее число обнаруженных нейтрино, равно предсказанному числу излучаемых Солнцем электронных нейтрино. Таким образом, часть нейтрино переходит или осциллирует в два других типа нейтрино во время распространения от Солнца до Земли. Хотя результаты являются подтверждением исследований солнечных физиков, но поднимают новые проблемы для физиков, занимающихся исследованиями элементарных частиц, которые пока не могут объяснить, почему происходят осцилляции нейтрино. Полученные результаты дают также некоторый вклад в космологию. Подтверждение осцилляций нейтрино, вместе с прошлыми исследованиями, позволяет физикам установить верхний предел на предполагаемую массу нейтрино. Объединяя это с ожидаемым числом нейтрино во Вселенной, физики оценили, что общая масса нейтрино приблизительно равняется общей массе всех видимых звезд во Вселенной [1]. 22 Отличие нейтрино от антинейтрино. Первым кто задался этим вопросом и поставил соответствующий эксперимент был Р. Дэвис. Из бета – распада одного из нуклонов ядра [3]: видно, что в первом случае ядро испускает электрон, во втором его античастицу – позитрон. У нейтрино так же должна быть античастица, но природа могла устроить её так, что нейтрино и антинейтрино тождественно совпадают, как, например, в случае для π0 – мезона или гамма – кванта. Встал вопрос, связанный с тем, какие признаки отличают нейтрино от антинейтрино. Они обязательно должны определяться особенностями слабого взаимодействия, поскольку нейтрино не имеет ни заряда, ни магнитного момента. Разрешить данный вопрос было возможно лишь с помощью эксперимента. Рассмотрим обратные реакции для тех, что были написаны выше [3]: Вторая из реакций, есть та самая которую наблюдали Рейнес и Коуэн, потоке антинейтрино от ядерного реактора. Если в этом потоке будет происходить и первая реакция, то можно сделать вывод о тождественности нейтрино и антинейтрино. И обратное – ненаблюдение такой реакции позволило бы утверждать, что нейтрино и антинейтрино – разные частицы. Мишени из свободных нейтронов в природе не существует. Данную реакцию можно пытаться наблюдать только на нейтронах, связанных в атомных ядрах. В случае, если нейтрино и антинейтрино тождественно равны, ядро с Z протонами и N нейтронами должно превратиться в новое ядро, в котором 23 нейтронов на один меньше, а протонов на один больше. При таком превращении вылетает один электрон, и зарегистрировать процесс, например, сцинтилляционным методом – задача довольно высокого порядка сложности. Однако в 1946 году, на помощь пришла оригинальная идея высказанная Б. Понтекорво [3]. В качестве мишени он предложил использовать жидкость, содержащую хлор. Под действием нейтрино от реактора атом хлора – – 37: Получившийся аргон – радиоактивен. Со временем жизни около 30 дней он распадается – испытывает электронный захват. Это и есть прямая реакция: – инертный газ, он не вступает в реакцию с веществом мишени, его можно пытаться извлечь, поместить в детектор и зарегистрировать. Эксперименты, поставленные Дэвисом и его сотрудниками длились несколько лет. В течении этого времени методика извлечения из мишени и регистрации атомов аргона – 37 постепенно усовершенствовалась, а сама мишень приобретала всё больший объём. Схема же эксперимент оставалась неизменной [3], и состояла в следующем: Бак, содержащий до 11 м3 перхлорэтилена (C2 Cl4) – жидкости, применяемой для чистки одежды, помещался под землей, недалеко от работающего реактора. В него предварительно вводилось около 1 см3 обычного аргона. Газ служил носителем образующихся радиоактивных 24 атомов. Один, иногда два месяца жидкость выдерживалась для накопления радиоактивности, а затем начиналась процедура извлечения. В течении нескольких часов через объём бака пропускался гелий. Он в виде мелких пузырей проходил через жидкость и “вымывал” из неё атомы аргона. Затем гелий поступал в специальные ловушки, заполненные активированным углём и охлаждённые до температуры жидкого воздуха. Аргон конденсировался и захватывался на поверхности угля, а гелий свободно проходил через ловушку. После нескольких циклов такого процесса ловушка отделялась от системы, соединялась с детектором и нагревалась. Уголь выделял захваченный аргон и последний поступал в миниатюрный счётчик. Зарегистрированная в этих экспериментах активность была почти в десять фоновыми процессами, главным источником которых были быстрые космические частицы, попадающие в мишень и образующие аргон – 37 в результате ядерных реакций, например [3]: Итак, результат экспериментов Дэвиса показал, своей природе и оказался весьма важен для физики нейтрино. Но на этом Физики задались вопросом, будут ли идти по-прежнему физические процессы, если их перенести в зеркальный, отражённый мир. При отражении правая и левая стороны меняются местами и перебирая известные явления, учёные каждый раз убеждались что правое неотличимо от левого, как наш мир не отличается от зеркального. Долгое время такое мнение не вызывало ни у кого сомнений. Из неизменности поведений физических законов при отражении следовал важный для квантовой механики закон сохранения пространственной чётности. Однако в 1956 году физики Ли Тзун – Дао и Янг Чжень – Нин, обнаружили что всё нет так просто [3]. Они попытались 25 объяснить одно непонятное явление, возникающие при распаде К – мезонов и проанализировали экспериментальные данные, относящиеся к зеркальной симметрии. Оказалось, что существуют убедительные доказательства для сильных и электромагнитных взаимодействий, а для слабых таких доказательств нет, иным слова закон сохранение чётности в последних нарушается. В нашем и зеркальном мире слабое взаимодействие ведёт себя по-разному и позволяет отличать левое от правого. Это позволило им сразу решить проблему с К – мезонами Согласно теории, спин антинейтрино всегда направлен по импульсу, а нейтрино – против импульса, так как это показано на рисунке. Если такую частицу отразить в зеркале – она прейдёт в античастицу. Ведь при отражении (из рис. 9) импульс меняет знак, а направление вращения нет [2]. Рис. 9 Раньше сохранение чётности это запрещало, теперь ограничение было снято. Новая теория предполагала, что слабое взаимодействие подчиняется более сложной симметрии. Для него одновременно с отражением надо заменить все частицы на античастицы, только тогда ничего в природе не измениться [2]. Все теоретические предположения были подтверждены экспериментально, различие между нейтрино и антинейтрино стало более осязаемым. 26 Масса нейтрино. Основные свойства нейтрино, в том числе приблизительное значение массы, были очевидны ещё в момент теоретического предсказания его существования. Паули писал [4], что масса нейтрино должна быть порядка массы электрона и во всяком случае не больше 0,01 массы протона. Естественно что предсказав основные параметры нейтрино (нейтральность, спин, большую проникающую способность и довольно небольшую массу), Паули не мог в точности указать все свойства этой частицы, так что по некоторым пунктам его предсказания не подтвердились. Кроме слишком большого значения массы он, например, считал, что нейтрино входит состав атомного ядра. Следующий шаг по уточнению свойств нейтрино сделал Ферми. Согласно ему, нейтрино в ядре нет, оно возникает в ядре в момент β–распада и сразу вылетает из него. При этом Ферми считал [4] что масса частицы должна быть мала по сравнению с массой электрона или даже равна нулю и предложил метод экспериментальной оценки значения массы нейтрино по характеру кривой β-спектра вблизи его границы. Первые результаты по исследованию β-спектра трития относится к 1949 г., когда Хана и Понтекорво [4] получили для верхней границы нейтрино значение 1 КэВ. Работа проводилась с помощью пропорционального счётчика заполненного газообразным тритием. В 1952 году Лэнжер и Моффат [4] исследовали β-спектр трития с помощью магнитного спектрометра и получили для верхнего предела массы нейтрино 250 эВ. В работе использовался тонкий (0,5мкг.см2) источник приготовленный выпариванием янтарной кислоты насыщенной тритием. Дальнейший прогресс в оценке верхней границы массы нейтрино связан с усовершенствованием метода магнитного спектрометра. На этом пути Бергквист в 1972 году [4] получил mν<55 эВ. А Третьяков в 1976 г., [4] получил рекордное значение для того времени mν<35 эВ. 27 Принципиально новый шаг был сделан после дополнительного усовершенствования магнитного спектрометра в 1980 – 1981 гг., В. А. Любимовым который получил ограничение на значение массы нейтрино не только сверху, но и с низу [4]: 14≤ mνс2 ≤46 эВ Основной трудностью этой работы являлось использование в качестве источника электронов не атомарного трития, а тритированного валина, который вообще говоря мог искажать форму спектра. В результате исследования этого вопроса С.Д. Борис получили новые пределы для значения массы нейтрино [4]: 17≤ mνс2 ≤40 эВ В 1986 г., [4] Фитчи в Цюрихе получил первый результат, не согласующийся с данными двух выше описанных работ. Он использовал магнитный спектрометр типа спектрометра Третьякова с тороидальным магнитным полем и радиальным электростатическим тормозящим полем вокруг источника. Источником служил слой трития, нанесённый на тонкую углеродную подложку. На выходе из спектрометра перед попаданием в счётчик электроны тормозились напряжением 15 кВ. При обработке βспектра были учтены все конечные состояния электронов, фон и т.д. В результате было получено значение: mνс2 <18 эВ не противоречащее значению mν = 0. В последующих работах выполненных другими группами из Токио, Цюриха, Лос-Аламоса, Ливермора и Майнца, значения верхней границы для массы нейтрино были снижены до 7,2 эВ. Таким образом, результаты работ Любимова и Бориса не подтвердились, однако они сыграли очень важную роль, пробудив живой интерес к исследованию β-спектра трития вблизи его конца со всё большей и большей точностью. В настоящее же время по данным последних экспериментов уровень достоверности, которых составляет 95% верхняя граница для массы нейтрино составляет [4]: mν<4,35 эВ/c2 28 Список литературы 1. Science #289. #8. 2000г. - p. 5-14. 2. Боровой А.А. “Как регистрируют частицы”. Из-во “Наука” 1981г. – 176с. 3. Дж. Тригг “Ключевые эксперименты 20 века”. Из-во “Мир” 1978г.376с. 4. УФН: ”Проблема массы нейтрино в современной нейтринной физике.” 167. №8. 1997 г. – с. 6-10. 29 Оглавление Введение 1 Первые детекторы нейтрино 4 Экспериментальное подтверждение существования нейтрино 11 Подземные детекторы 14 Отличие нейтрино от антинейтрино 25 Масса нейтрино 27 Список литературы 29 30 Аннотация. Данная работа посвящена изучению такой частицы как нейтрино. В ней рассматриваются основные этапы становления нейтринной физики, история открытия, проблемы обнаружения нейтрино и закона сохранения энергии в слабых взаимодействиях. Приведены описания современных детекторов нейтрино и последние эксперименты по определению массы частицы. Annotations. The present article is devoted to studying of such particle as neutrino. In it the basic stages of becoming neutrino physics, history of discover, a problem of detection neutrino and the law of preservation of energy in weak interactions are considered. Descriptions of modern neutrino detectors and last experiments by definition of mass of a particle are resulted. 31
