 |
|
|
|
()ModernLib.Net / / / () - (. 23)
Н. испускаются при бета-распаде атомных ядер, К-захвате,захвате m -ядрами и при распадах нестабильных элементарных частиц, главным образом пи-мезонов (p +,p - ) , К-мезонови мюонов. Источниками Н. являются также термоядерные реакции в звёздах. Н. принимают участие лишь в слабом взаимодействии и гравитационном взаимодействии и не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях. С этим связана крайне высокая проникающая способность Н., позволяющая этой частице свободно проходить сквозь Землю и Солнце. История открытия нейтрино Гипотеза Паули.Открытие Н. принадлежит к числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в физике 20 в. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, Н. долгое время оставалось гипотетической частицей. Впервые в экспериментальной физике Н. проявилось в 1914, когда английский физик Дж. Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при b-распаде атомных ядер (в отличие от a-частиц и g-квантов, испускаемых при др. видах радиоактивных превращений), имеют непрерывный энергетический спектр. Это явление находилось в явном противоречии с теорией квантов, требовавшей, чтобы при квантовых переходах между стационарными состояниями ядер выделялась дискретная порция энергии (постулат Бора). Поскольку при испускании a-частиц и g-квантов это требование выполнялось, возникло подозрение, что при b-распаде нарушается закон сохранения энергии. В 1930 швейцарский физик В. Паули в письме участникам семинара в Тюбингене сообщил о своей «отчаянной попытке» «спасти» закон сохранения энергии. Паули высказал гипотезу о существовании новой электрически нейтральной сильно проникающей частицы со спином 1/ 2и с массой Ј 0,01 массы протона, которая испускается при b-распаде вместе с электроном, что и приводит к нарушению однородности спектра b-электронов за счёт распределения дискретной порции энергии (соответствующей переходу ядра из одного состояния в другое) между обеими частицами. После открытия в 1932 тяжёлой нейтральной частицы - нейтрона,итальянский физик Э. Ферми предложил называть частицу Паули «нейтрино». В 1933 Паули сформулировал основные свойства Н. в их современном виде. Как выяснилось позже, эта гипотеза «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. Теория b-распада Ферми.Гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию b-распада, созданную Ферми в 1934 и позволившую описать явления электронного (b -) и позитронного (b +) распадов и К-захвата. Появилась теоретическая возможность ввести два разных Н.: антинейтрино, рождающееся в паре с электроном, и Н., рождающееся в паре с позитроном. В теории Ферми b -(b +)-распад есть превращение нейтрона n (протона р) внутри ядра в протон (нейтрон):
С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра b-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии b-электронов очень чувствительной к массе m nН. Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса Н. много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты b-распада, и её успех привёл физиков к признанию Н. Однако сомнения в существовании этой частицы ещё оставались. Эксперименты по обнаружению нейтрино.Известны две возможности экспериментального обнаружения Н. Первая - наблюдение обратного b-распада - впервые рассмотрена Х. Бете и Р. Пайерлсом в 1934. Обратным b-распадом называются реакции (существование которых следует из теории Ферми):
происходящие как на свободных, так и на связанных в ядрах нуклонах. Оценка вероятности (сечения) поглощения Н. дала поразительный результат: в твёрдом веществе Н. с энергией, характерной для b-распада, должно пройти расстояние порядка сотен световых лет, прежде чем будет захвачено ядром. В 30-40-х гг. обнаружить такую частицу казалось вообще невозможным. Другой путь - наблюдение отдачи ядра в момент испускания Н. - впервые рассмотрен советским физиком А. И. Лейпунским. В 1938 А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили использовать для этой цели реакцию К-захвата в 7Be: ядро 7Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает Н., превращаясь в ядро 7Li, 7Ве (е -, n e) 7Li; при этом, если Н. - реальная частица, 7Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу Н. Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942. Оказалось, что энергия отдачи ионов 7Li согласуется с теоретическим значением (в предположении нулевой массы Н.). Последующие опыты с большей точностью подтвердили этот результат. Существование Н. стало экспериментальным фактом. В физике появилась новая частица, все свойства которой были определены из косвенных экспериментов. Обнаружение свободного Н. в процессе обратного b-распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов и больших водородсодержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате b --распада осколков деления урана испускаются антинейтрино с энергией до 10 Мэв,в среднем 6 частиц на 1 деление. Поток антинейтрино от мощного реактора составляет (вблизи реактора) около 10 13частиц на 1 см 2в 1 сек. Эксперимент по прямому детектированию n eвпервые был осуществлен в 1953 в США Ф. Райнесом и К. Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Регистрировалась реакция (2') на водороде, входящем в состав сцинтилляционной жидкости с добавкой соли кадмия, сильно поглощающего нейтроны. С помощью техники запаздывающих совпадений удалось выделить из фона характерную цепочку событий, вызываемых антинейтрино: позитрон, рождающийся в реакции (2'), аннигилируя с электроном, испускает два g-кванта, которые производят первую сцинтилляционную вспышку; через 5-10 мксекза ней следует вторая вспышка от g-квантов, испущенных ядром кадмия в результате захвата нейтрона, образовавшегося в реакции (2') и замедлившегося в водородсодержащей жидкости. В 1956-59 опыт был повторен в лучших условиях ( рис. 1 ). Было получено сечение s = (11 ± 2,6)·10 -44 см 2.Теоретическая величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного Н. (см. ниже) равна (10-14)Ч10 -44 см 2.Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного Н. Основные свойства нейтрино Нейтрино и антинейтрино.Представление о Н. и антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку Н. не имеет электрического заряда, не исключено, что Н. по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей; такое Н. впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В 1946 Б. М. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения 37Cl в 37Ar. Из существования распада 37Ar (e -, n e) 37CI следует реакция 37Cl + n e® 37Ar + e -. (3) Если n
eи
аналогичная реакции (3), при облучении
37Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществленном американским учёным Р. Дейвисом в 1955-56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результат доказывает нетождественность n
eи
Электронные и мюонные нейтрино.После открытия мюонов, p - и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом Н.:
В 1957 М. А. Марков,Ю. Швингер и К. Нишиджима высказали предположение, что Н., рождающееся в паре с мюоном (n m), отлично от Н., рождающегося в паре с электроном (n е). Возможность проверки этих ассоциативных свойств Н. с помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР М. А. Марковым и Б. М. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европейском центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием Н. от распадов p +® m + n m, K +® m ++ n m, (4) происходит только реакция n m+ n ® p + m -. Реакция n m+ n ® р + e -не была найдена; это означает, что Н. от реакций (4) не рождают электроны. Т. о., было доказано существование двух разных Н. - n mи n e. В 1964-67 в аналогичных опытах было установлено, что n
mпри столкновении с ядрами рождает m
-и не рождает m
+, т. е. мюонные нейтрино n
mи антинейтрино
Спиральность и лептонные числа нейтрино.До открытия несохранения чётности в b-распаде считалось, что Н. описывается волновой функцией, являющейся решением
Дирака уравнения,и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) l = -
1/
2- левое (левовинтовое) Н. n
ли левое антинейтрино
Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания Н. В 1957 Л. Д.
Ландау
и независимо пакистанский физик А. Салам, а также
Ли Цзун-дао
и
Ян Чжэнь-нин
построили двухкомпонентную теорию спирального Н., в которой Н. имеет только два состояния: Либо n
ли
с противоположной спиральностью. В 1958 в Брукхейвене было проведено прямое измерение спиральности электронного Н., испускаемого в процессе
152Eu
m(e
-,n
e)
152Sm* (
рис. 2
), и найдено, что с вероятностью, близкой к 100%, n
eобладает левовинтовой спиральностью. Измерения спиральности мюонных Н. в распадах p
+® m
++ n
mпоказали, что n
mтоже левое. Было также установлено, что
Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного Н. Доказательством двухкомпонентности Н. являются опыты Райнеса по измерению сечения захвата антинейтрино (см. выше): сечение, в соответствии с двухкомпонентной теорией, оказалось в 2 раза выше, чем рассчитанное по четырёхкомпонентной теории. Хотя все проведённые с Н. опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного Н., теория спирального двухкомпонентного Н. более предпочтительна, так как допускает введение лептонных чисел L eи L m, посредством которых удаётся получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, например m ±® e ± + g ,е -+ р ® n + p -+ m +, К -® p ++ е -+ m -и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и «экономной», так как из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента Н. Помимо L eи L m, имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд ) . Масса и магнитный момент нейтрино.Экспериментально невозможно исключить наличие у Н. очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного Н. получена из анализа формы спектра b-электронов трития: m n eЈ 60 эв(что почти в 10 4раз меньше массы электрона m e» 510 кэв) .Для мюонного Н. экспериментальный предел значительно выше: m n mЈ 1,2 Мэв.Если масса Н. не строго равна 0, Н. может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, например в реакциях n e+ e -® n e+ e -, n m+ p ® p + p° + n m. Эксперименты по поиску этих реакций дали следующие ограничения на величину магнитного момента:
где m в- магнетон Бора, если
Осцилляции нейтрино. В 1958 Б. М. Понтекорво высказал гипотезу, что если масса Н. не строго равна 0 и нет строгого сохранения лептонных зарядов, возможны осцилляции Н., т. е. превращение одного вида Н. в другой (аналогично
осцилляциям К-мезонов вследствие несохранения странности взаимодействиях), например
и т.д. Вопрос об осцилляциях может быть решен лишь экспериментально. Взаимодействия нейтрино Как уже говорилось, взаимодействие Н. с др. частицами осуществляется посредством слабого взаимодействия. Современная теория универсального слабого взаимодействия (обобщённая теория Ферми), разработанная американскими учёными М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом,Р. Маршаком и Е. Сударшаном, описывает все экспериментально наблюдавшиеся процессы с участием Н., а также предсказывает ещё не наблюдавшиеся, например упругое рассеяние Н. на электроне и мюоне: n e+ e ® n e+ e, n m+ m ® n m+ m. Эксперименты по рассеянию Н. на электроне по своей чувствительности близко подошли к возможности обнаружения этих процессов, однако, выделить их над уровнем фона пока не удалось. Особый интерес представляет взаимодействие Н. при высоких энергиях. Согласно современной теории слабого взаимодействия, сечение рассеяния Н. на др. лептонах, например реакции n m+ е -® n e+ m - ,должно расти с ростом энергии пропорционально квадрату энергии в системе центра инерции (с. ц. и.) сталкивающихся частиц [или линейно в лабораторной системе (л. с.)]. Однако такой рост сечения взаимодействия в локальной теории Ферми не может происходить неограниченно, т.к. при энергиях ~300 Гэвв с. ц. и. сечение достигает своего естественного предела, определяемого так называемым условием унитарности (условием того, что суммарная вероятность всех возможных процессов при столкновении данных частиц равна 1). Можно ожидать, что при этих энергиях (если окажется справедливой современная теория) слабое взаимодействие станет «сильным» в том смысле, что сечения процессов множественного рождения лептонов станут сравнимыми с сечением двухчастичных процессов. Экспериментально пока удалось исследовать только процессы взаимодействий Н. с сильно взаимодействующими частицами ( адронами ) .Наблюдались квазиупругие процессы типа n e(n m) + n ® p + е -(m -) и неупругие процессы, например n e(n m) + n ® n (p) + е -(m -) + Np + N'K +..., где N, N' - целые числа. Для квазиупругих процессов можно теоретически предсказать ход сечения с ростом энергии. Согласно гипотезе советских учёных С. С. Герштейна и Я. Б. Зельдовича,нуклон является носителем сохраняющегося «слабого заряда», аналогичного электрическому. Если это так, то «слабый заряд» (как и электрический) должен быть «размазан» по объёму нуклона и нуклон при взаимодействии с Н. должен вести себя как протяжённая частица. В то время как сечение квазиупругого рассеяния Н. на точечном нуклоне растет линейно с ростом энергии (в л. с.), на протяжённом нуклоне, как показывают расчёты, оно достигает постоянного значения при энергии Н. E n= 1-2 Гэв.Эксперименты подтвердили эту гипотезу при E n= 1-5 Гэв. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 |
|||||||
не тождественны, то реакция
(и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа
L
e).
также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число
L
m
.
и два с l = +
1/
2- правое (правовинтовое) Н. n
пи правое антинейтрино
. Теория Н., предполагающая существование четырёх состояний, называется четырёхкомпонентной, а двух состояний - двухкомпонентной. Примером двухкомпонентного Н. является майорановское Н.
, либо n
пи
, т. е. Н. и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного Н. операция пространственной инверсии
Р(операция перехода от правой системы координат к левой) и операция
зарядового сопряженияС(переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физического смысла, так как переводит реальное Н. в нефизическое состояние с неправильной спиральностью. Физический смысл имеет только произведение этих операций - так называемая
комбинированная инверсия
(CP), превращающая реальное Н. n
л(n
п) в реальное антинейтрино
и
имеют правую спиральность (
рис. 3
).
