Нейтрино - призрачная частица атома

Азимов Айзек

Мы этого, естественно, не замечаем, так как антинейтрино не взаимодействует с атомами нашего тела. За семьдесят лет жизни человека имеется приблизительно только один шанс из миллиарда, что какой-нибудь протон его тела поглотит антинейтрино. Через Землю антинейтрино проходят с такой же легкостью, как и через наши тела, и количество поглощенных частиц ничтожно по сравнению с числом антинейтрино, проходящих через нее беспрепятственно.

Нейтрино и Солнце

Рассмотрим теперь термоядерные реакции, происходящие внутри звезд. В звездах, подобных нашему Солнцу, энергия образуется за счет превращения водорода в гелий. Детали превращения могут быть различны, но общим в реакции

синтеза является превращение четырех ядер водорода (каждое с зарядом +1) в ядро гелия (с зарядом +2).

В процессе реакции, в соответствии с законом сохранения заряда, образуются два позитрона, каждый из которых несет заряд +1. Таким образом, заряд в начале и в конце реакции равен +4. Четыре ядра водорода в начале реакции имеют суммарное нулевое лептонное число, как ядро гелия в конце ее. Однако каждый позитрон имеет лептонное число -1, поэтому для компенсации суммарного лептонного числа позитронов одновременно с ними должны возникнуть два нейтрино, каждое из которых имеет лептонное число +1. Следовательно, при исчезновении двух атомов водорода на Солнце возникает одно нейтрино (но не антинейтрино).

Полное число нейтрино, образующихся на Солнце, зависит от полного числа сгоревших ядер водорода. В реакции синтеза гелия из водорода 0,71 % массы превращается в энергию, и, как я уже говорил, Солнце каждую секунду теряет 4 600 000 г своей массы. Если эта потеря массы составляет 0,71 % общей массы водорода, превращающегося в гелий каждую секунду, полная масса водорода, участвующего в реакции, равна 650 000 000 т.Но в 650 000 000 тводорода содержится 3,6·10 ³⁸протонов. Следовательно, каждую секунду на Солнце рождаются 1,8·10 ³⁸нейтрино. Таким образом, число нейтрино, образующихся на Солнце каждую секунду, почти в триллион раз больше числа антинейтрино, возникающих за одну секунду в земной коре, следовательно, наша Вселенная содержит частиц больше, чем соответствующих античастиц. Во Вселенной, состоящей из антиматерии, в процессе естественной радиоактивности возникали бы нейтрино, а при ядерном синтезе — антинейтрино. В такой Вселенной антинейтрино были бы более распространены, чем нейтрино.

Итак, энергия Солнца излучается в пространстве в основном в форме фотонов и нейтрино, а не одних фотонов, причем большая часть энергии уносится фотонами и только не более 5 % уносится нейтрино. Следует отметить, что фотоны и нейтрино уносят эту энергию по-разному. Фотоны, возникающие в чрезвычайно горячем центре Солнца, где процессы ядерного синтеза протекают при температуре около 15 000 000 °C, легко поглощаются окружающим веществом. Прежде чем снова поглотиться, они проходят расстояние порядка одного сантиметра, затем они излучаются, потом снова поглощаются и т. д. Поэтому свой путь через 600 000 кмсолнечного вещества от центра Солнца к поверхности фотоны проходят очень медленно. По этой причине солнечное вещество — превосходный теплоизолятор и поверхность Солнца имеет температуру только 6000 °C. Конечно, по земным стандартам там довольно жарко, но нужно принять во внимание, что поверхность с температурой 6000 °C находится на расстоянии лишь немногим более 600 000 кмот вещества с температурой 15 000000 °C!

Нейтрино, однажды возникнув, уносится со скоростью света, практически не поглощаясь веществом Солнца (за исключением чрезвычайно незначительного числа случаев). Независимо от того, в каком направлении от центра Солнца вылетает нейтрино, оно будет на его поверхности через три секунды. Затем оно вылетит в межпланетное пространство и достигнет Земли за восемь минут (если оно вылетело в нужном направлении). Оно свободно пролетит через Землю самое большее за 1/25 секи продолжит свое бесконечное путешествие по Вселенной.

Конечно, нейтрино Солнца разлетаются по различным направлениям и все, за исключением ничтожной части их, пролетают мимо Земли, которая представляет собой очень маленькую мишень на таком большом расстоянии от Солнца. Тем не менее, Земля получает от Солнца 8·10 ²⁸нейтрино в 1 сек.Это приблизительно в 450 раз больше числа антинейтрино, испускаемых радиоактивными элементами земной коры, а каждый квадратный сантиметр площади поперечного сечения Земли получает 6·10 ¹⁰нейтрино каждую секунду.

Солнечная активность является источником большей части получаемых нами нейтрино. Помимо того, на Землю попадают нейтрино от других звезд, но последние настолько далеки от нас, что их нейтрино имеют очень маленькую плотность в околоземном пространстве, поэтому очень немногие из них достигают Земли. (Другими словами, Земля представляет собой значительно меньшую мишень для нейтрино, летящих с альфа Центавра чем для нейтрино Солнца.)

Охота за нейтрино

Если Солнце представляет собой столь щедрый источник нейтрино, почему бы не изловить их, скажем, так же, как были пойманы антинейтрино?

При поглощении антинейтрино протоном образуются нейтрон и позитрон. Когда же нейтрон поглощает нейтрино, происходит как бы зеркальная реакция, при которой образуются протон и электрон, т. е.

+ п– > р ⁺+ е ^– .

В случае антинейтрино ученые были вынуждены выбрать мишень, богатую протонами, а в последнем случае— богатую нейтронами. Тогда как отдельные протоны легко собрать в виде водорода или химических соединений, содержащих водород, как, например, вода. К сожалению, отдельные нейтроны в больших количествах собрать нельзя. Поэтому пришлось иметь дело с атомными ядрами, содержащими большое количество нейтронов. Бруно Понтекорво предложил использовать хлор-37, который составляет одну четвертую всех атомов хлора. Его ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Если один из нейтронов захватит нейтрино, он превратится в протон (и излучит электрон), после чего ядро будет иметь 18 протонов и 19 нейтронов и станет ядром аргона-37. Чтобы сделать большую мишень из нейтронов ядер хлора, можно было бы использовать газообразный хлор или, лучше, жидкий хлор, так как жидкость в данном объеме содержит больше молекул (каждая молекула состоит из двух атомов хлора). Однако хлор — коррозионноактивный газ с сильными токсическими свойствами, а сжижение его представляет большие трудности.

Вместо этого используют органические вещества, содержащие хлор. (Нет оснований сомневаться, что в ядерных реакциях участвуют не только свободные атомы, но и атомы, находящиеся в молекулах.) Обычно используют четыреххлористый углерод, молекулы которого состоят из одного атома углерода и четырех атомов хлора, или тетрахлорэтилен, состоящий из двух атомов углерода и четырех атомов хлора. При комнатной температуре — это жидкости, совершенно безопасные при обычных предосторожностях. (Их часто используют при химической чистке.)

Если атом хлора, который является частью молекулы тетрахлорэтилена, поглощает нейтрино и превращается в атом аргона, его связь с молекулой нарушается, так как атомы аргона не вступают в химическую связь с другими атомами. Таким образом, поглощение нейтрино приводит к образованию свободных атомов аргона из атомов хлора, связанных в молекуле. Свободные атомы аргона в конце концов соберутся в крошечные пузырьки газа.

Немногочисленные атомы аргона можно зарегистрировать лишь благодаря их радиоактивности. Хлор-37 — абсолютно стабильный атом, а аргон-37 — неустойчив, и его обнаруживают даже в малых количествах по особой форме его радиоактивности.