Автор: Гасымов Дамир
В последнее время всё чаще можно услышать обсуждение такой частицы как нейтрино. Что же в ней такого особенного и важного для науки?
Задолго до экспериментального подтверждения частицы были предсказаны теоретически. Дж. Чедвик в 1914 г. заметил, что при β-распаде атомных ядер, энергетический спектр электрона был непрерывным, что противоречило с квантовой теорией предсказывавшей выделение дискретных порций энергии, т.е. спектр с «пиками». И в силу этого противоречия, сначала предположили, что закон сохранения энергии не выполняется.
Но в 1930 г. В. Паули высказал гипотезу о существовании новой электрически нейтральной частицы, слабо взаимодействующей с веществом, спином ½ и массой менее 0.01 массу электрона. Таким образом, её испускание в β-распаде приводит к нарушению монохроматического спектра (спектра на 1 длине волны). Значит, β-распад представляет собой взаимное превращение внутри атомного ядра нейтрона в протон, и обратно, по схеме:
Такое превращение нейтрона возможно, также, и для свободного нейтрона, самопроизвольного его распада за время t ~16 минут. Протон так может распадаться только находясь в атомном ядре.
Прямым доказательством было наблюдение в 1953 г. Ф. Райнесом и К. Коуэном обратного β-распада:
Также, после открытия мюонов(μ) и π-мезонов было установлено, что распад этих частиц тоже сопровождается рождением нейтрино.
Сейчас есть только верхнее ограничение масс нейтрино, суммарная масса всех нейтрино, которые были зафиксированы меньше 1 эВ.
Так как нейтрино принимает участие только в слабом взаимодействии, поймать их очень непростая задача. Оценка длины свободного пробега (т.е. расстояния, за которое нейтрино провзаимодействует с частицей), составляет:
А – массовое число вещества детектора, N – число нейтронов, – его плотность и
– энергия нейтрино. Отсюда очевидно, что чем больше энергия нейтрино, тем сложнее его «поймать», также видно, что это расстояние больше 1 пк. Значит на Земле, даже зная огромный поток проходящих нейтрино от Солнца, зафиксировать у нас получится их немного.
При p-p цикле (термоядерном протон-протонном цикле в ядрах звёзд, ответственном за излучение звезды) выделяется E=26.7 МэВ и 2 нейтрино. Значит, поток солнечных нейтрино на орбите Земли равен:
Как было зафиксировано в опыте, нейтрино, образующиеся в различных реакциях, имеют различные энергии, которые при детектировании говорят о различной природе рождения нейтрино. Солнечные нейтрино доходят до энергий в 14 МэВ.
Рассмотрим последовательно все составляющие данного графика. pp нейтрино рождаются в реакции
p + p → d + e+ + νе и получаемая εν < 0.42 МэВ. Они составляют около 95% всех нейтрино от Солнца.
Также, есть «борные» нейтрино, рождённые в реакции B8 → Be8 + e+ + νe с εν < 14 МэВ, но их поток
Fν ≈ 6 ⋅ 106 нейтрино/(см2 ⋅ с).
pep-нейтрино рождены в реакции p + e— + p → d + νe и их энергия известна точно: εν = 1.44 МэВ, причём, вероятность этой реакции около 0.4%, т.е. количество наблюдаемых нейтрино будет большим.
Кроме того, есть высокоэнергичные нейтрино из образования Гелия-4 из Гелия-3 и протона (εν < 19.77 МэВ), но вероятность этой реакции 2.4 ⋅ 10-7, то есть зафиксировано их будет уже очень мало.
И также ещё есть «бериллиевые» нейтрино, образующихся при распаде лития-7 с двумя чёткими энергетическими спектрами.
Ради чего же всё это нужно? А ради того, что при фиксировании солнечных нейтрино определённых энергий мы будем знать, какие именно реакции протекают на Солнце, т.е. это будет прямым подтверждением термоядерного синтеза.
Первым нейтринным телескопом можно назвать хлорный детектор в Брукхейвене (1968 г.). В нём, на глубине 1480 м (для подавления космического фона) было расположено 610 т перхлорэтилена (C2Cl4). Регистрация нейтрино происходила за счёт обнаружения радиоактивных атомов Ar37:
Пороговая энергия была недостаточно для pp-нейтрино, 0.814 МэВ, т.е. они фиксировали только борные нейтрино. Но вместо теоретических 0.9 атомов в день, учёные наблюдали 0.33 атома в день.
Начиная с 1990-х годов нейтрино стали детектировать на более чувствительном и совершенном детекторе Super-Kamiokande (Япония, его фотография представлена в начале). По сути, это 50 килотонн воды, окружённые 11 000 фотоумножителями. За счёт черенковского излучения, с помощью нейтрино выбиваются электроны со скоростями, близкими к скорости света и по направлению их преломления в воде можно фиксировать объект излучения нейтрино. Также, этот телескоп даёт информацию в режиме реального времени, что очень важно для кратковременных вспышек, например, от взрывов сверхновых. Пороговая энергия этого телескопа около 7.5 МэВ, т.е. мы фиксируем всё те же борные нейтрино.
Для pp-нейтрино хорошо подходит галлий, именно с его помощью провели 2 эксперимента в 1990-2006 годах: GALLEX/GNO и SAGE, работающих на реакции: Ga71 + νe → Ge71 + e—, пороговая энергия которой 233 кэВ. Но даже в этих опытах полученный поток нейтрино был в 3 раза меньший от теоретически рассчитанного.
Решением проблемы принято называть превращение нейтрино одного вида в другой, из-за чего наблюдаемый поток нейтрино одного типа уменьшается. Для борных нейтрино расстояния в 1 а.е. вполне хватает для перехода в другой тип.
Самым серьёзным доказательством принято считать канадскую обсерваторию SNO. На ней в одном случае могут наблюдаться нейтрино всех сортов, а в другом только одного. И в первом случае нейтрино наблюдается столько, сколько предсказано, а во втором в 3 раза меньше, т.е. 2/3 электронных нейтрино по пути от Солнца до Земли превращаются в нейтрино других типов.
Понятно, что нейтрино излучают многие объекты, в том числе и сверхновые звёзды. За счёт большой энергии в них выделяется и много нейтрино, которые потом можно попробовать зафиксировать. Но на данный момент было подтверждено наблюдение только нейтринного излучения от SN1987A, сверхновой в Большом Магеллановом облаке. Наблюдалось она на телескопе Kamiokande, предшественником Super-Kamiokande.
В недалёком будущем мы сможем наблюдать нейтрино высоких энергий из активных ядер галактик и космического фона, что поможет нам разрешить проблему происхождения космических лучей и продвинуться в понимании физических процессов, происходящих в наиболее мощных объектах во Вселенной.