Большая Советская Энциклопедия (НЕ)
Шрифт:
Во всех перечисленных выше экспериментах Н. выступает в роли инструмента исследования структуры элементарных частиц.
Естественные источники нейтрино
Естественная радиоактивность. Любое космическое тело, в том числе Земля, содержит значительное количество радиоактивных элементов и является источником Н. Регистрация антинейтрино от Земли в принципе возможна, однако методы регистрации ещё не разработаны.
Столкновение протонов космических лучей с газом и реликтовыми фотонами может приводить к рождению заряженных p-мезонов, распад которых сопровождается испусканием Н. (или антинейтрино). В этом механизме возможна генерация Н. с энергиями вплоть до Еn = 1020 эв. Источником таких Н. является атмосфера Земли, а также ядро и диск Галактики, где сосредоточена основная масса
Атмосфера Земли — пока единственный естественный источник, от которого удалось зарегистрировать Н. Рождаются Н. в верхних слоях атмосферы, где генерируется наибольшее число p- и К-мезонов. Впервые идея экспериментов с Н. космических лучей была высказана М. А. Марковым (1960). Было предложено регистрировать глубоко под землёй мюоны с энергией 10—100 Гэв от реакции nm + n ® р + m– (**). Регистрируя мюоны из нижней полусферы Земли и под большими зенитными углами, можно избавиться от фона атмосферных мюонов и иметь чистые нейтринные события (**). Первые результаты получены в Индии и в Южной Африке в 1965 с помощью специальных нейтринных телескопов (рис. 4 ). К 1973 мировая статистика насчитывала свыше сотни нейтринных событий.
Реакции термоядерного синтеза химических элементов — основной механизм генерации Н. в недрах Солнца и большей части звёзд (в период их «ядерной» эволюции).
Сверхгорячаяплазма служит источником Н. в звёздах на завершающих этапах эволюции, а также в модели горячей Вселенной в первые доли секунды её возникновения. Возможны два вида генерации Н. Первый связан с реакциями взаимного превращения нуклонов
(так называемый урка-процесс) и может идти как на связанных нуклонах ядер при температурах Т ~ 109 К, так и на свободных нуклонах при Т ³ 1010 К. Второй способ, чисто лептонный, связан с реакциями типа
а также с реакциями
(фоторождение Н.),
(нейтринная аннигиляция электрон-позитронных пар) и др., которые происходят, если существует гипотетическое рассеяние ne + е ® ne + e (предсказываемое теорией Ферми). Пока не удалось доказать существование ne + е ® ne + е — рассеяния лабораторными методами (на Н. от реакторов и ускорителей); считается, что астрофизические данные свидетельствуют в пользу существования такого процесса.
Реликтовые Н. Согласно модели горячей Вселенной, Н., испущенные в момент её возникновения, испытывают сильное красное смещение при космологическом расширении Вселенной. Такие реликтовые Н. заполняют всё мировое пространство. В наиболее реалистическом варианте модели горячей Вселенной число мюонных и электронных Н. и антинейтрино одинаково и составляет ~ 200 частиц/см3 , а средняя энергия Н. — (2—3)x10– 4 эв, что соответствует температуре нейтринного газа 2—3 К. Для понимания механизма развития Вселенной очень важно экспериментально установить наличие реликтовых Н. и измерить температуру нейтринного газа.
В рамках модели горячей Вселенной удаётся получить наилучшую оценку для массы мюонного Н. Согласно космологическим данным, плотность материи в расширяющейся Вселенной не может превышать 10– 28г/см3 ; отсюда следует, что максимально возможная масса мюонного Н. составляет ~ 300 эв (т. е. значительно ниже верхнего предела, установленного лабораторными методами).
Нейтронизация вещества, т. е. превращение протонов в нейтроны по схеме р + е– ® n + ne , может служить мощным источником Н., когда звезда по каким-либо причинам
О возможности регистрации Н. от Солнца и др. звёзд см. Нейтринная астрономия .
Развитие науки о Н. за последние четверть века убедительно доказало, что Н. из гипотетической частицы превратилось в мощный инструмент исследования микро- и макромира.
Лит.: Аллен Дж., Нейтрино, пер. с англ., М., 1960; Алиханов А. И., Слабые взаимодействия. Новейшие исследования b-распада, М., 1960; Теоретическая физика 20 века, М., 1962; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Понтекорво Б. М., Нейтрино и его роль в астрофизике, «Успехи физических наук», 1963, т. 79, в. 1, с. 3; Марков М. А., Нейтрино, М., 1964; Железных И. М., Подземные нейтринные эксперименты, «Успехи физических наук». 1966, т. 89, в. 3, с. 513; Ли Ц. и Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Березинский В. С., Нейтрино, М., 1973.
Г. Т. Зацепим, Ю. С. Копысов.
Рис. 1. Схема опыта Ф. Райнеса и К. Коуэна (1958) на реакторе в Саванна-Ривер, США: 1 — жидкий сцинтилляционный детектор (1400 л ) для регистрации антинейтрино; 2 — сцинтилляционный детектор для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1; 3 — две группы фотоумножителей, включенные на совпадение; 4 — электронная аппаратура; 5 — двухлучевой осциллограф; 6 — свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.
Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков М. Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Суньяра по измерению спиральности нейтрино. Радиоактивный препарат 152 Eum (Jp = 0– ) 1 (где J — спин, p — чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро 152 Sm*(1– ) испускает g-квант [превращаясь в ядро 152 Sm(0+ )], который, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах 152Sm(0+) 3. Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm после испускания g-кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и g-квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае g-квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор Nal 4 считает число g-квантов N+ и N– , рассеянных при направлениях магнитного поля по и против движения нейтрино. Теоретическое значение (N– — N+ )/2(N– + N+ ) = +0,025 для левовинтовой и -0,025 для правовинтовых спиральностей нейтрино; экспериментальное значение равно +0,017 ± 0,003, что согласуется со 100%-ной левовинтовой спиральностью нейтрино, если учесть все возможные эффекты деполяризации g-квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания g-квантов.)
Рис. 4. а — схема нейтринного телескопа, установленного в шахте Южной Индии на глубине около 2300 м : 1 — пластические сцинтилляционные элементы, площадью 1 м2 , каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями 2; регистрируются четырёхкратные совпадения между парой фотоумножителей на одной стороне и любой парой — на другой; между сцинтилляторами установлено неск. слоев неоновых трубок 3 для фотографирования следов заряженных частиц, образованных нейтрино; 4 свинцовые поглотители толщиной 2,5 см ; б — случай неупругого взаимодействия нейтрино, пришедшего из нижней полусферы Земли; 5, 6 — следы, оставленные, по-видимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении nm с нуклоном.