История открытия нейтрино

Гипотеза Паули. Открытие H. принадлежит к числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в физике 20 в. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, H. долгое время оставалось гипотетич. частицей.

Впервые в экспериментальной физике H. проявилось в 1914, когда англ, физик Дж. Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при [ris] -распаде атомных ядер (в отличие от [ris] -частиц и [ris] -KBBHTOB, испускаемых при др. видах радиоактивных превращений), имеют непрерывный энергетич. 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 [ris] -частиц и [ris] -квантов это требование выполнялось, возникло подозрение, что при [ris] -распаде нарушается закон сохранения энергии.

В 1930 швейц. 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 1/2 и с массой < =0, 0l массы протона, к-рая испускается при [ris] -распаде вместе с электроном, что и приводит к нарушению однородности спектра [ris] -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, итал. физик Э. Ферми предложил называть частицу Паули " нейтрино". В 1933 Паули сформулировал основные свойства H. в их совр. виде. Как выяснилось позже, эта гипотеза " спасла" не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также осн. принципы статистики частиц в квантовой механике.

Теория [ris] -распада Ферми. Гипотеза Паули естеств. образом вошла в теорию [ris] -распада, созданную Ферми в 1934 и позволившую описать явления электронного ([ris] -) и позитронного -([ris] ⁺) распадов и К-захвата. Появилась теоретическая возможность ввести два разных H.: антинейтрино, рождающееся в паре с электроном, и H., рождающееся в паре с позитроном.

В теории Ферми [ris] - ([ris] ⁺)-распад есть превращение нейтрона n (протона р) внутри ядра в протон (нейтрон):

n -> p +e- + V_e, (1)

p -> n + е+ + [ris] _e. (2)

С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра [ris] -электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии [ris] -электронов очень чувствительной к массе m_v H. Сравнение теоретич. формы спектра с экспериментальной показало, что масса H. много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все осн. черты [ris] -распада, и её успех привёл физиков к признанию H. Однако сомнения в существовании этой частицы ещё оставались.

Эксперименты по обнаружению нейтрино. Известны две возможности экспериментального обнаружения H. Первая - наблюдение обратного [ris] -распада - впервые рассмотрена X. Бете и P. Пайер-лсом в 1934. Обратным [ris] -распадом наз. реакции (существование к-рых следует из теории Ферми): n + v_e -> p + е-, (Г) p+ Ve -> n + е+, (2') происходящие как на свободных, так и на связанных в ядрах нуклонах. Оценка вероятности (сечения) поглощения H. дала поразительный результат: в твёрдом веществе H. с энергией, характерной для [ris] -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 H.-впервые рассмотрен сов. 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 H., превращаясь в ядро ⁷Li, ⁷Ве(е-, ve)⁷Li; при этом, если H.- реальная частица, ⁷Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу H. Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен амер. физиком Дж. Алленом в 1942. Оказалось, что энергия отдачи ионов ⁷Li согласуется с теоретич. значением (в предположении нулевой массы H.). Последующие опыты с большей точностью подтвердили этот результат. Существование H. стало экспериментальным фактом. В физике появилась новая частица, все свойства к-рой были определены 'из косвенных экспериментов.

Обнаружение свободного H. в процессе обратного [ris] -распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов и больших водород-содержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате [ris] ^--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) ок. 10¹³ частиц на 1 см² в 1 сек.

Эксперимент по прямому детектированию Ve впервые был осуществлён 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 [ris] -кванта, к-рые производят первую сцинтилляционную вспышку; через 5 - 10 мксек за ней следует вторая вспышка от [ris] -квантов, испущенных ядром кадмия в результате захвата нейтрона, образевавшегося в реакции (2') и замедлившегося в водородсодержащей жидкости. В 1956-59 опыт был повторен в лучших условиях (рис. 1). Было получено сечение [ris] = (11 ± 2, 6)·10^-44 см².

Рис. 1. Схема опыта Ф. Райнеса и К. Коуэна (1958) на реакторе в Саванна-Рнвер, США: / - жидкий сцинтилляционный детектор (1400 л) для регистрации антинейтрино; 2 - сцинтилляционный детектор для регистрации фона космических лучей, включённый на антисовпадения с детектором 1; 3 - две труппы фотоумножителей, включённые на совпадение; 4 - электронная аппаратура; 5 - двух лучевой осциллограф; 6 - свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

Теоретич. величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного H. (см. ниже) равна (10-14)·10^-44 см². Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного H.