Физика нейтрино

оно относится к семейству фермионов и должно описываться уравнением

Дирака. С другой стороны, отсутствие заряда и магнитного момента делает

непонятным отличие частицы от античастицы.

Теорию, описывающую электрически нейтральные фермионы как истинно

нейтральные, не имеющие античастиц, создал в 1937 году итальянский физик Э.

Майорана. Вопрос же разные ли частицы излучаются при [pic]+- распаде

(электронном захвате) ядра p [pic] n + e+ + [pic] (нейтрино) и при [pic]--

распаде n [pic] p + e- + [pic] (антинейтрино) или идентично [pic]- [pic],

предстояло решить экспериментаторам.

Метод исследования был найден Бруно Максимовичем Понтекорво. Как

уже упоминалось, еще в 1946 г. он размышлял над возможностью регист- рации

нейтрино от ядерного реактора.

" В то время сцинтилляторы, которые много лет спустя были так

успешно использованы Рейнесом и Коуэном для детектирования реакторных

антинейтрино, еще не были созданы, и мне пришло в голову, что проблема

может быть решена радиохимическими методами, т.е. путем химической

концентрации изотопа, образующегося при обратном [pic]- процессе из очень

большой массы вещества, облучаемого нейтрино. При внимательном осмотре

знаменитой таблицы искусственных изотопов Сиборга нашлось несколько

возможных кандидатов на мишень, среди которых наиболее подходящими

оказались соединения хлора. Соответствующая реакция выглядит следующим

образом:

нейтрино + 37Cl [pic] 37Ar + e-,

(5)

- 21 -

где 37Ar распадается путем электронного захвата.…

Я написал здесь "нейтрино", а не [pic], потому, что вопрос о том,

отличается ли [pic] от [pic], был еще не ясен".

Позднее именно процесс (5) был использован для доказательства

отличия [pic] от [pic].

Реакция прямого процесса - электронного захвата имеет вид:

37Ar + e- [pic] 37Cl + [pic],

(p + e- [pic] n +

[pic]). (6)

Аргон-37 распадается со временем жизни около 30 дней, превращаясь

в хлор-37 и излучая нейтрино.

Обратная реакция (5) представляет собой превращение нейтрона в ядре

хлора-37 в протон опять-таки под действием нейтрино [pic] + n [pic] p + e-.

А в ядерном реакторе при распаде осколков генерируются антинейтрино -

частицы, сопутствующие электрону n [pic] p + e- + [pic]. Поэтому процесс

(5) может идти с полной вероятностью только в случае тождественности

нейтрино и антинейтрино.

Эксперименты были поставлены группой американских физиков под ру-

ководством Р. Дэвиса. Они проводились сначала на Брукхейвенском реакторе

(1955 г.), затем на реакторе в Саванна-Ривер (1956-1959 гг.).

Схема опыта состояла в следующем. Бак, содержащий несколько кубо-

метров перхлорэтилена (C2Cl4), помещался под землей недалеко от рабо-

тающего реактора. В него предварительно вводился 1 см3 обычного аргона. Газ

этот в дальнейшем мог служить носителем, образующихся радиоактивных атомов

37Ar.

Один, иногда два месяца жидкость выдерживалась под нейтринным об-

лучением для накопления аргона-37, а затем начиналась процедура его

извлечения. В течение нескольких часов через объем бака пропускался

гелий. Он в виде мелких пузырьков проходил через жидкость и "вымывал" из

нее атомы аргона. Затем гелий поступал в ловушки, заполненные ак-

тивированным углем и охлажденные до температуры жидкого воздуха. Аргон

конденсировался и захватывался на поверхности угля, а гелий свободно

проходил через ловушку. После нескольких циклов такого процесса ловушка

отделялась от системы, соединялась с детектором и нагревалась. Уголь

выделял захваченный аргон, и последний поступал в счетчик.

- 22 -

Зарегистрированная в этих экспериментах активность была почти в 10

раз меньше, чем ожидалось в случае, если бы нейтрино и антинейтрино были

одинаковы. Она объяснялась фоновыми процессами, главным источником которых

были быстрые космические частицы, попадающие в мишень и образующие аргон-

37. Таким образом, процесс (5) не осуществляется, и, следовательно,

нейтрино и антинейтрино - разные частицы.

Опыты Дэвиса еще продолжались, когда в физике слабых взаимодейс-

твий произошло крупнейшее событие - было открыто несохранение четности.

В классической механике известны три закона сохранения: энергии,

импульса и момента импульса. Как было доказано Э. Нетер (1918 г.), эти

законы являются следствиями симметрии пространства и времени.

Уравнения движения тел не меняются, если перенести начало отсчета

времени. Результаты опыта останутся теми же, т.е. время обладает оп-

ределенной симметрией - оно однородно. Ни один его промежуток ничем не

выделен по отношению к другим. Из этого, по теореме Нетер, следует закон

сохранения энергии. Перенос начала координат в пространстве не меняет

физических результатов. Из однородности пространства вытекает закон

сохранения импульса.

Кроме того, пустое пространство изотропно. Это означает, что в нем

нет выделенных направлений, все направления равноправны. Поворот ко-

ординат на любой угол не повлияет на результат опыта. Из изотропности

пространства следует закон сохранения момента импульса. Можно провести еще

одно преобразование - сразу изменить направление всех координатных осей на

противоположное. Это эквивалентно тому, что мы отражаем происходящий

процесс в зеркале.

Существовала уверенность, что такое отражение тоже ничего не

изменит.

То есть физическое явление или результаты эксперимента останутся

прежними. Конкретная величина при таком преобразовании может, и изменит

знак. Любой вектор - скорость, импульс, сила, напряженность

электрического поля и т.п. - меняет знак при отражении на противоположный.

Существуют и псевдовекторы - момент импульса (в частности, спин),

магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку их

направление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда)

по или против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление

вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы

входят в

- 23 -

формулы, описывающие какие-либо процессы, таким образом, что при "переходе

в зеркальный мир" результаты этих процессов не меняются.

Пока речь шла об электромагнитном и сильном взаимодействиях, все

это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить "наш" мир

от "зеркального", правое направление от левого.

В квантовой механике ( а именно для нее важно такое

"скачкообразное" преобразование пространства, как отражение) появляется

новый закон сохранения. Он носит название закона сохранения

пространственной четности и является следствием зеркальной симметрии

пространства (Е. Вигнер, 1927 г.).

Все было ясно вплоть до 1956 г. когда необычное поведение К -

мезонов заставило усомниться в том, что для слабого взаимодействия закон

сохранения пространственной четности выполняется столь же строго, как для

электромагнитного и ядерного. Эти "сомнения" были опубликованы двумя

американскими физиками, китайцами по национальности, Ли Тзун-дао и

Янг Чжень-инем, "устное" же сомнение впервые было высказано Р. Фейманом на

Рочестерской конференции 1956 г. В своей статье они предложили возможные

схемы опытов, для проверки этой гипотезы, и сразу же такая проверка начала

осуществляться несколькими группами экспериментаторов.

Первой добилась группа, работающая под руководством Ву Цзянь-сюн

из Колумбийского университета (США).

Идея опыта состояла в следующем. Если ядра атомов вещества, спо-

собного к [pic]-распаду, выстроены таким образом, что их спины направлены

в одну сторону, то вылетающие из них электроны должны с одинаковой

вероятностью лететь как по, так и против спина ядер. Так гласит закон

сохранения четности. Если же вероятности вылета в противоположных

направлениях окажутся различными, закон будет нарушен. Ведь если в

нашем мире существует такое явление, как преимущественный вылет частиц по

одному из направлений ( скажем, против спина), то при пространственном

отражении процесса спин ядра не измениться, а вектор скорости переменит

знак и в зеркальном мире, преимущественный вылет электронов будет

происходить по спину ядра.

Появиться возможность отличить наш мир от зеркального, а это про-

тиворечит закону сохранения четности.

Опыты потребовавшие применения самой современной экспериментальной

техники, полностью подтвердили гипотезу Ли и Янга.

- 24 -

Сохранение четности нарушалось в процессах, которыми управляло слабое

взаимодействие.

Почти сразу же выяснилось, что это открытие самым непосредственным

образом коснулось нейтрино. Оказалось, что при рассмотрении решения

уравнения Дирака для частицы с нулевой массой при условии нарушения

пространственной четности, то такая частица должна быть полностью по-

ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против) импульса.

Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знаком

поляризации.

Если раньше уравнение Дирака для нейтрино включало четыре различ-

ных состояния, четыре компоненты (частица и античастица, и у каждой два

возможных направления спина - по и против импульса), то теперь число

состояний уменьшилось до двух. в соответствии с этим новая теория получила

название двухкомпонентной. В ее создании приняли участие физики -

теоретики из разных стран Л. Ландау (СССР), А. Салам (Пакистан), Т. Ли и

Ч. Янг (США). Поставленные опыты подтвердили, что спин антинейтрино

направлен по импульсу частицы, а нейтрино - против.

Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение

винта или буравчика, если уподобить спин вращению рукоятки, а направление

импульса - направлению закручивания винта. Так же, как у частицы,

поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом

аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся по

часовой стрелке, а нейтрино - винт с левой резьбой.

При отражении в зеркале, нейтрино изменит знак импульса на

обратный, а направление спина не измениться. В результате из левого винта

мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещал закон

сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.

Образовывалась явная не симметрия между "нашим" и "зеркальным"

мирами.

Л.Д. Ландау предположил, что слабое взаимодействие обладает более

сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру

симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальный антимир, в ко- тором все

частицы заменены на античастицы, нейтрино - на антинейтрино. Только такие

миры неразличимы.

В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательный результат опытов

Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызвать процесс на

хлоре-37, требовалось нейтрино "левый винт", а реактор

излучает

- 25 -

антинейтрино - "правый винт". И реакцию обратного [pic]- распада этим час-

тицам так же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с

левой резьбой.

Следует отметить еще, что степень поляризации легких частиц e- (e+)

и [pic]([pic]) оказались тесно связанной с наличием у них массы.

Действительно, если полная поляризация нейтрино есть фундаментальное

внутреннее свойство частицы, отличающее [pic]от [pic], то такая частица

обязана (!) иметь нулевую массу и двигаться со скоростью V> V[pic] ( но в

тоже время V < c ), и в этой системе нейтрино полетит в обратную сторону,

а направление спина частицы не изменится. Это будет означать, что

внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не

должно. Поэтому скорость нейтрино V[pic] должна быть точно равна скорости

света с и масса его m[pic] равна нулю.

Насколько точно можно считать нейтрино полностью поляризованной

частицей, насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теория?

Результаты прямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали

возможность отклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании

более поздних экспериментов можно было считать, что этот диапазон не более

10% Что касается опытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10%

отклонения. Это в том случае, если отличие нейтрино от антинейтрино

объяснялось бы только поляризацией частиц.

Вместе с тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее

влияние на общественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980

г. не было ни одного опытного факта, который противоречил бы полной

поляризации нейтрино.

В институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в

Москве группа ученых В.А. Любимов, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С.

Козик в 1980 г. завершила чрезвычайно трудный пятилетний цикл исследований

и пришла к выводу, что масса электронного антинейтрино не равна 0, а

лежит в пределах от 14 до 46 эВ.

Обнаруженная масса [pic]е приблизительно в 20 000 раз меньше, чем

масса электрона, и на процессы [pic]- распада, где выделяется энергия ~

106 эВ, практически влияния не оказывает.

Если результаты эксперимента ИТЭФ правильны, то весьма вероятно,

что и [pic][pic], о которых речь пойдет

ниже, также имеют массы и,

- 26 -

возможно, существенно большие. Современные оценки m[pic] < 0,65МэВ,

m[pic]< 250 МэВ.

Теория двухкомпонентного нейтрино, в котором масса нейтрино должна

быть тождественно равной 0, нарушиться, и поляризация будет неполной, хотя

отклонение будет весьма мало. Кроме того, из этого вытекает множество

других следствий, например связь между массой нейтрино и плотностью

вещества во вселенной.

- 27 -

4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.

Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось

после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц,

рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.

Рис. 3. Следы процесса [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+ в фотоэмульсии.

Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас-

пада [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+, зарегистрированного в специальной

эмульсии.

В точке 1, [pic]+-мезон останавливается и распадается. Отрезок

между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на

фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия

мюонов, образующихся при распадах [pic]- мезонов, постоянна. Закон

сохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению,

[pic] вылетало "что-то", что компенсирует его импульс а постоянство

энергии мюонов и отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего

одна нейтральная частица.

Поскольку спин [pic]+- мезона равен нулю, мюона - [pic]/2, то

согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен

быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад [pic]+ -

мезонов выглядит так: [pic][pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]).

- 28 -

Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и

распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную

энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого

следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц.

Окончательно- [pic] [pic] е[pic] + [pic] + [pic].

Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт-

рино: К[pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]), K0 [pic] [pic]- + е+ + [pic]

и т. п.

Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко-

торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю-

дались. Так, для [pic] - мезона энергетически возможно несколько схем

распада:

[pic]+ [pic] е+ + [pic] +

[pic] , (7)

[pic]+ [pic] е+

+[pic], (8)

[pic]+ [pic] е+ + е+ + е-

(9)

Осуществлялась же только одна - первая. Теория не находила удав-

летворительного объяснения этому факту. Ведь процесс (8) можно предс-

тавить себе как некое продолжение процесса (7). При этом [pic] и [pic]

исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица,

а вылетающий позитрон излучает [pic]- квант. Расчетная вероятность W-

распада [pic]+ [pic] е+ + [pic] по отношению к распаду [pic]+[pic] е+ +

[pic] + [pic] составляет 10-3 - 10-4, но запретов на его существование

нет.

Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре-

зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались:

меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7, 10-10 (1979 г.). Природа препятствовала

мюонну распадаться на электрон и [pic]- квант, запрещала аннигилировать

[pic] и [pic]. Попытки объяснить запрет реакций (8) и (9) привели к

идее о существовании двух типов нейтрино. Одно сопутствует электрону -

электронное нейтрино [pic]е, другое - мюону, мюонное нейтрино [pic][pic]. В

распаде нейтрона и [pic]-мезона возникают разные нейтрино

n [pic] p + e- +[pic]е[pic],

- 29 -

[pic]- [pic] [pic]- + [pic][pic],

а реакцию распада[pic]-мезона следует писать в виде:

[pic]+ [pic] е+ +

[pic][pic] + [pic]е .

Гипотеза должна была быть проверена экспериментом.

Опыт по изучению различия (или единства) [pic][pic] и [pic]е был

первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких

энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво,

М.А. Марков, М. Шварц. Выполнен этот эксперимент был впервые на Брукхей-

венском ускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных

исследований).

Идея опыта заключалась в следующем. Пучок протонов, разогнанных в

ускорителе, в определенный момент отклонялся мощным импульсом магнит- ного

поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал на мишень, в ко- торой при

взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые [pic] - и К -

мезоны. Вылетев из мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном

туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок

попадал в слой стали общей толщиной около 13 м, где практически

поглощались все сильно взаимодействующие частицы ([pic]-, К-, [pic]-мезоны

и т.п.).

Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучали при распаде

нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти

нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и

не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта

нейтрино, [pic][pic] и [pic]е , то ускоритель - практический чистый

источник [pic][pic].

Пучок нейтрино попадал в детектор, где во взаимодействиях с

веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные

нейтрино неразличимы, то число зарегистрированных электронов и мюонов

должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировались практически одни

мюоны, и это служило прямым доказательством различия [pic][pic] и

[pic]е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили

доказать

- 30 -

различие и нейтрино, сопровождающих [pic]+ и [pic]- -мезоны, то есть

различие мюонных антинейтрино и нейтрино.

В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона -

[pic]-лептона было введено еще одно нейтрино [pic]-нейтрино. Рождается

[pic]-нейтрино в распадах [pic]- лептона:

[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic]- ,

[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic][pic] + е- ,

а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем [pic]-лептон.

Нейтрино во всех взаимодействиях с другими частицами в свою

очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; с хорошей

точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессы типа:

[pic][pic] + n [pic] [pic]- + p,

[pic][pic] + p [pic] [pic]+ + n

(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).

Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного

нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов.

Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон,

позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в

электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.

Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее

название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы

принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие

между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или

приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным

l[pic] и таонным l[pic].

- 31 -

[pic]е [pic]e е- e+ [pic][pic]

[pic][pic] [pic]+ [pic]- [pic][pic] [pic][pic][pic][pic]

[pic]- [pic]+

le, 1 -1 1 -1 0 0 0

0 0 0 0 0

l[pic] 0 0 0 0 1 -1 1

-1 0 0 0 0

l[pic] 0 0 0 0 0 0

0 0 1 -1 1 -1

Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны

0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма

лептонных зарядов. Например:

n [pic] p + e- +[pic]е[pic], (le, = 0 - 0 + 1 - 1).

Процессы распада мюона на позитрон и [pic]- квант (8) или на

электрон и два позитрона (9)

запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения

электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и

лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия

частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов

непосредственно не связан.

Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют

дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного

заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных

зарядов запрещает например, замену [pic]е на [pic][pic], т.е. переходы

между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические

обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда

является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы

различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций.

Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957

- 1958 гг., но идея была встречена без особого энтузиазма. Со временем

положение изменилось с открытием массы нейтрино и парадоксом солнечных

нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различные эксперименты,

проведенные для подтверждения или опровержения этого факта, дают пока

противоречивые результаты, от существования осцилляций (группа физиков

работавших во Франции, в Буже), до их отсутствия (группа Р. Мессбауэра).

Ответ на этот вопрос - дело ближайшего будущего.

В заключение важно отметить, что вопрос о числе типов нейтрино

остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типы нейтрино.

- 32 -

Как уже отмечалось, нейтрино участвует только в электрослабом

взаи-действии. В 1979 г. три физика-теоретика С. Вайнберг, А. Салам и

Ш.Л. Глэшоу - были удостоены Нобелевской премии за создание единой

теории электромагнитных и слабых взаимодействий.

- 33 -

5. ДВОЙНОЙ [pic] - РАСПАД.

Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является

двойной [pic] - распад. Существование двойного [pic] - распада

было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино.

Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой.

Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в

различных странах мира заняты поисками двойного [pic] - распада.

При обычном [pic] - распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон

превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и

антинейтрино.

В достаточно редких

случаях оказывается энергетически выгоден двойной [pic] - распад. При

нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) [pic] A (Z+2, N-

2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия

промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).

Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать

двойной [pic]- распад.

Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли

при этом антинейтрино.

Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про-

исходить независимо:

- 34 -

n [pic] p + e- + [pic]e

n [pic] p + е- + [pic]e

двухнейтринный

двойной [pic] - распад

2n [pic]2p + 2e- +2[pic]e

А (Z,N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e- + 2[pic]e

Если же предположить, что [pic]e тождественно [pic]е , то этот

процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде

одного нейтрона, индуцирует распад второго:

n [pic] p + e- + [pic]e

n + [pic]е [pic] p + е-

Безнейтринный двойной

[pic]- распад

2n [pic] 2p + 2e-

A (Z, N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e-

Очевидно, что в безнейтринном двойном [pic] - распаде нарушается

закон охранения лептонного заряда, и он может происходить только при

неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризация связана с конечной

массой. Обнаружение этого процесса принесло бы очень интересные

результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски.

Сопоставляя между собой реакции, можно увидеть, как в экспериментах

отличить двухнейтринный [pic]- распад от безнейтринного. В последнем

случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной - она

определяется только разностью энергий основных состояний ядер A (Z,N) и A

(Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладают непрерывным спектром

энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.

Если лептонный заряд сохраняется, то безнейтринный распад

запрещен, а вот если [pic]е и [pic]e тождественны, то теория

предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существенно

большей вероятностью, чем двухнейтринный.

Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят о том, что сильного

нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительной деполяризации

нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить

- 35 -

только слабый эффект. Соответственно этому безнейтринный двойной[pic]

-распад сильно заторможен по сравнению со случаем тождества электронных

нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может стать равной или меньшей,

чем вероятность двухнейтринного процесса (который идет всегда, когда это

энергетически возможно).

Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить безнейтринный процесс,

идущий со временем жизни 1021 - 1022 лет. (В области Т1/2< 1021 лет его

уже не обнаружили.) А это значит, что в 1 грамме исходного вещества

может происходить 1 распад за несколько лет. Как зарегистрировать такие

активности?

Есть два способа, принципиально отличающиеся друг от друга. Пер-

вый, косвенный, носит название геологического. В нем исходным матери- алом

является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2[pic]-

распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минерале атомы продукта

распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы это сделать,

надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось от материнского.

Такому требованию удовлетворяют инертные газы, поэтому в геологических

экспериментах исследовались переходы 128Te [pic] 128Xe, 130Te [pic]

130Xe, 82Se [pic] 82Kr.

Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена

(США). Они взяли образцы теллуровой руды из глубинной шахты в Колорадо,

чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему

воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило и

возраст образца.

Он оказался равным около 1,3 млрд. лет. Следующий шаг - измельчение

образца, выделение из него газов и исследование их на масс

спектрографе. При определении изотопного состава Xe выяснилось, что

содержание изотопа 130Xe в десятки раз превышает обычное его содержание для

атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможные процессы и

реакции, которые могли бы привести к аномальному повышению концентрации

130Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумным объяснением его

избытка, остается 2[pic]-распад. Проанализировав возможные потери газа

за период существования образца, они определили период полураспада

теллура-130: Т1/2 130Te = (2,60[pic]0,28)*1021 лет. Другие

исследовательские группы дали близкие цифры.

Существование двойного [pic]- распада было подтверждено, но

какого именно - двухнейтринного или очень подавленного

безнейтринного, - этого

- 36 -

опыты пока показать не могли. Вопрос о механизме распада в геологических

экспериментах остается открытым.

Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах (второй

способ), в которых наблюдались продукты распада. Как уже отмечалось, если

бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и

равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование

безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда.

Прямые опыты проводились с самыми различными типами детекторов: камерой

Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и

полупроводниковыми счетчиками.

Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы

Фиорини), в Международной лаборатории космических лучей, проведенные с

использованием полупроводникового счетчика для исследования перехода 76Ge

[pic] 76Se. (Рис. 5).

Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход.

Свободных электронов здесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения

течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление

полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры

кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизирует атомы и в p -

n - переходе появляются свободные заряды. Поле "растягивает" их в

разные стороны, и возникающий при этом электрический сигнал может быть

зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых

счетчиков является возможность очень точно определять энергию, потерянную

частицей в области p - n перехода, т.е. хорошее энергетическое разрешение.

Основной недостаток таких детекторов - малое количество вещества в

чувствительном объеме.

Рис.5. Схема установки используемой лионской группой.

- 37 -

Под высочайшим из альпийских пиков - Монбланом - проложен туннель

длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На

расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннеля рас-

положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двух

километров горных пород или около 4000 метров водного эквивалента.

Такая мощная защита в миллионы раз ослабляет поток космических

мюо- нов.

Внешняя защита - парафин - замедляет быстрые нейтроны, рождающиеся

при взаимодействии мюонов с веществом или связанные с распадом

естественных радиоактивных элементов. Дальше идет слой кадмия - "абсолютно

черный", т.е. полностью поглощающий медленные нейтроны. Против гамма -

квантов ведет борьбу защита из свинца. Сначала слой обычного свинца, но

в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория. Кроме

того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многие

материалы оказались "зараженными" радиоактивностью. Для человека эта

радиоактивность совершенно не заметна - она в сотни и тысячи раз меньше

естественного фона, но для таких низкофоновых установок она может оказаться

опасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный - с низким уровнем

радиоактивности. Последний слой пассивной защиты - слой многократно

очищенной перегонкой ртути. И, наконец, сердце установки - германиевый

детектор.

Через хладопровод низкая температура от дюара с жидким азотом

передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнял двоякую роль. С

одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, а с другой

- их источником. Дело в том, что в природном германии содержится около

7,5 % германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 с

излучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарная

энергия равна 2МэВ).

Для опытов был выращен уникальный по величине и чистоте кристалл

объемом 68 см3. Он обладал великолепным энергетическим разрешением. В своих

работах группа Фиорини приводит энергетический спектр зарегистрированных

событий - многочисленные пики от различных радиоактивных элементов. Но в

области 2 МэВ - там, где на равномерное распределение фоновых импульсов

должен был наложиться "пик" от двух электронов с суммарной энергией 2,045

МэВ при общем времени наблюдения в 187 суток, никаких пиков

не наблюдалось. Это дало возможность

- 38 -

утверждать, что если двойной безнейтринный распад и происходит, то с

временем жизни, превышающим 5 * 1021 лет.

К каким же выводам это приводит?

Как уже отмечалось, на безнейтринный двойной [pic]- распад может

быть наложен двойной запрет: законом сохранения лептонного заряда и полной

поляризацией нейтрино (двухкомпонентной теорией).

Предположим, что лептонный заряд не сохраняется, и все отличие

[pic]е и [pic]e только в их поляризации. Тогда существование малой массы

нейтрино могло бы внести деполяризацию и обусловить малую, но не нулевую

вероятность безнейтринного [pic] - распада. Какой минимальной массе

соответствует Т1/2 < 5*1021 лет? Теоретики оценивают ее весьма

приближенно, как ~10 эВ. Это значение находиться как раз в наиболее

"горячей" области (результаты группы ИТЭФ дают значения 14 - 26 эВ).

Эксперименты по поиску безнейтринного двойного [pic] - распада

продолжаются.

- 39 -

6. ЗЕМНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ НЕЙТРИНО

Мы все время говорили об искусственных, созданных руками человека

источниках нейтрино. В тоже время существуют многочисленные естественные

источники : нейтринное излучение земных пород, космические и солнечные

нейтрино и т.п.

В глубинах Земли и на ее поверхности рассеяны радиоактивные

элементы, такие, как, например, уран, торий и продукты их распада. Часть

этих элементов испытывает[pic] - распады, при которых возникает

антинейтринное излучение. Оно проникает сквозь толщу пород и несет

интересную информацию о содержании недр нашей планеты. Увы, регистрация

земных и [pic]e на сегодняшний день - технически невыполнимая задача.

Даже оптимистические оценки величины их полного потока, сделанные на

основании теплового баланса Земли, показывают, что этот поток на четыре,

пять порядков меньше, чем от реактора. К тому же основная часть земных

антинейтрино имеет совсем малую энергию, много ниже порога большинства

обратных реакций. Если воспользоваться для их регистрации таким

классическим процессом, как и [pic]e + p [pic] n + e+, то

понадобиться 1000 т жидкого осциллятора, чтобы земные антинейтрино

вызывали хотя бы одно событие в сутки (опять-таки при оптимистических

оценках). Выделить это событие из фоновых излучений пока не представляется

возможным.

Землю бомбардируют и атмосферные нейтрино, точнее, нейтрино от

космических лучей. Происхождение их следующее. Быстрые космические

протоны, врываясь в земную атмосферу, взаимодействуют с ядрами и рождают

потоки [pic]- и К - мезонов. Последние распадаются в основном на мюоны и

мюонные нейтрино. Продукты распада наследуют энергию мезонов, которая может

достигать сотен гигаэлектроновольт. А чем больше энергия нейтрино, тем

больше вероятность его взаимодействия с веществом, в результате которого

рождается мюон.

Теперь представим себе, что огромная толща вещества поглотит все

космическое излучение, все частицы, кроме нейтрино. Они проникнут

сквозь это вещество и обнаружат себя потоком сопутствующих мюонов,

рожденных в поверхностном слое и сумевшем выти наружу. В качестве этой

толщи вещества можно использовать нашу Землю,

возможно, даже

- 40 -

целиком земной шар. При этом надо регистрировать мюоны, идущие не к

Земле, а из ее глубины (рис. 6).

Рис. 6. Возникновение и регистрация космических нейтрино: А – точка

рождения пиона, В – точка распада пиона и рождения мюона и нейтрино, С –

точка взаимодействия нейтрино с веществом и рождения мюона, D – область

регистрации мюона.

Предложил исследовать космические нейтрино по потоку мюонов М.А.

Марков (1960 г.). В своей книге "Нейтрино" (1964 г.) он писал:

"Все известные частицы в космических лучах, кроме нейтрино,

поглощаются на пути десятка километров вещества и, таким образом,

полностью экранируются планетой, если глубина, на которую помещена

регистрирующая установка, конечно, достаточна, чтобы можно было пренебречь

маловероятным процессом рассеяния [pic] - мезонов большой энергии "назад",

которое в принципе способно имитировать искомый эффект.

Другая, может быть, наиболее существенная особенность проявления

конкретного эффекта [pic] + нуклон [pic] нуклон' + [pic] в условиях

космического

- 41 -

эксперимента заключается в том, что регистрирующая установка собирает

наблюдаемый эффект с грандиозных толщин вещества, лежащих под уста-

новкой...

Третья существенная особенность космического эксперимента

заключается в принципиальной возможности использования в условиях

хорошего экранирования подземной установки больших площадей детектирующих

устройств, порядка нескольких сотен квадратных метров. Эти

перечисленные своеобразные особенности космического эксперимента, как

показывают детальные оценки, делают в принципе его возможным, хотя и трудно

осуществимым.

Трудность его осуществления скорее чисто психологическая: физики,

работающие на ускорителях, уже привыкли к индустриальному характеру

современного эксперимента..."

Призыв к экспериментаторам был услышан. Всего через год после вы-

хода книги были зарегистрированы первые космические нейтрино.

Исследования проводились практически одновременно в двух глубочайших

шахтах Южной Африки и Индии. Группа, работавшая под руководством Ф.

Рейнеса в Южной Африке с октября 1964 г. по август 1967 г., сообщила о

регистрации 40 нейтринных событий. Второй установкой (Индия) к концу 1968

г. было зарегистрировано 9 событий.

В 70-х годах в излучение космических нейтрино включилась Баксанская

нейтринная обсерватория АН СССР. На Северном Кавказе, в Баксанском ущелье

в скалы уходит туннель. Его общая протяженность должна составить около

4 км, а толщина горных пород над дальним концом туннеля достигнет 2 км.

По ходу туннеля располагаются экспериментальные залы - огромные

искусственные пещеры и помещения меньших размеров - низкофоновые камеры.

В начале туннеля, на расстоянии 550 м от входа, в первом экспериментальном

зале работает установка для регистрации космических нейтрино -

сцинтилляционный телескоп, созданный коллективом физиков, под руководством

А.Е. Чудакова. Он расположен на глубине 300 м под скалой, что в тысячи

раз ослабляет поток космических частиц, попадающих в телескоп "сверху" и не

позволяет полезным сигналам утонуть в море фоновых.

Площадь телескопа 16*16 м. Он размещен в четырехэтажном здании вы-

сотой 11 м и содержит более 3000 отдельных детекторов. Каждый из них -

это 150 - ти литровый бак с жидким сцинтиллятором. Баки

расположены

- 42 -

четырьмя горизонтальными слоями (по слою на этаже) и вертикальными

слоями вдоль стен дома.

Быстрая заряженная частица вызывает последовательные вспышки света

в нескольких баках. Световые сигналы, преобразуются в электрические

импульсы и поступают в ЭВМ, которая определяет и запоминает направление

полета частицы, ее скорость и т.д. Таким образом ,можно выделить мюоны,

летящие из нижней полусферы, и зарегистрировать события, связанные с

космическими нейтрино, на фоне других сигналов, частота которых в миллионы

раз больше.

Надо отметить, что сцинтилляционный телескоп - многоцелевой

прибор. На нем ведутся самые разные исследования в области астрофизики и

физики элементарных частиц, в том числе и поиски нейтрино от галактических

объектов.

Поток нейтрино приходящих от звезд (кроме Солнца) очень мал. Даже

от [pic]- Центавра, ближайшей к нам звезды он в 10" раз меньше, чем от

Солнца. Но это в том случае, когда звезда находиться в обычном “спокойном”

состоянии и энергия, уносимая нейтрино, составляет 1-2% от всей излучаемой

ею энергии.

Так бывает не всегда. Порой нейтрино начинает играть ведущую роль

в гигантских перестройках небесных тел. Хотя этот процесс длится недолго,

но всепроникающее излучение успевает унести огромную энергию.

Этот процесс - быстрое сжатие звезды - носит название

гравитационного коллапса. Он может сопровождаться выбрасыванием в

пространство части звездного вещества, гигантским увеличением светимости.

Этот процесс носит название вспышки сверхновой. Понятие сверхновой

звезды было введено астрономами В. Бааде и Ф. Цвирке. Так, порой

неожиданно, складывается судьба ученых!

Сжатие звезды начинается тогда, когда внутри нее термоядерные ис-

точники энергии исчерпают все свои ресурсы. Еcли до этого существует

равновесие между давлением нагретого газа ядра звезды и гравитационными

силами, стремящимися сжать небесное тело, то после понижения

температуры центральных областей равновесие нарушается. Вещество

звезды устремляется к центру, она сжимается, а это вновь приводит к

повышению температуры ядра. Для медленно вращающихся звезд имеющих

М [pic] 1,1Mo далее процесс сжатия идет постепенно.. Для более массивных

звезд картина эволюции приобретает иной вид, а процесс сжатия приобретает

взрывной характер. Очевидно, что при этом выделяющаяся энергия

должна

- 43 -

каким-то образом весьма эффективно и быстро покидать ядро, понижая его

температуру.

Один из механизмов утечки энергии с помощью нейтринного излучения

был придуман Г. Гамовым и М. Шенбергом и получил от них название урка-

процессов (URCA process). Столь необычная для астрофизики лексики имеет

два распространенных объяснения. Первое основано на том, что Г. Гамов

родился и вырос в Одессе и поэтому использовал для похитителей энергии это

колоритное определение. Второе, существенно более респектабельное, связано

с проигрышем авторов в казино в Рио-де-Жанейро. После того как деньги

перешли сначала в жетоны, а затем легко покинули физиков, им пришло в

голову, что энергия посредством нейтринного излучения способна проделать

такую же шутку со звездой. Казино имело звучное название "Казино де Урка".

Урка - процесс может происходить внутри звезды при огромных

температурах и плотностях вещества. он состоит в захвате электронов

большой энергии ядром, сопровождающимся испусканием нейтрино e- + A

(Z, N) [pic] A (Z-1, N+1) + [pic], затем образовавшееся ядро

испытывает[pic]-распад A (Z-1, N+1) [pic] A (Z, N) + e + [pic]. Так

энергия горячего электронного газа "перекачивается" в энергию [pic] и

[pic], которые могут унести ее из звезды. Рассматривались и многие

другие механизмы охлаждения звездного ядра.

В данном случае существенен тот факт, что постепенное сжатие ядра

может перерасти в процесс, идущий с огромной скоростью и сопровождающийся

гигантским всплеском нейтринного излучения. В течение очень короткого

времени это излучение способно вырываться из глубин звезды, но со

стремительным ростом плотности звездного вещества оно становиться

непрозрачным даже для нейтрино. И последние попадают в космическое

пространство только из внешних слоев. По расчетам астрофизиков, за

несколько десятков секунд, звезда излучает ~ 1058 нейтрино всех сортов

[pic]е , [pic]e , [pic][pic], [pic][pic] , [pic][pic], [pic][pic].

Средняя энергия нейтрино составляет 10-15 МэВ, а их поток на поверхности

Земли, при коллапсе звезды в центре нашей галактики, равен 1012 [pic]/см2

за время 10-30 с. Эти оценки остаются справедливыми для всех современных

моделей развития гравитационного коллапса.

Вспышки сверхновых в нашей галактике не такое уж редкое явление. По

разным оценкам продолжительность времени между ними колеблется от 15

- 44 -

до нескольких десятков лет. Коллапсы, не сопровождающиеся сбросом оболочки

звезды, как при вспышке сверхновой, должны происходить чаще.

Регистрация нейтрино от гравитационного коллапса - вполне реальная

задача. Наиболее удобный метод детектирования - использование реакции (4)

[pic] + p [pic] n + e+. В этом случае полное число полезных событий в 100

т водородсодержащего жидкого сцинтиллятора составит несколько десятков.

Для уменьшения фона необходимо разместить установку глубоко под

Землей, использовав тот факт, что продолжительность серии нейтринных

сигналов составляет всего несколько десятков секунд и, наконец,

регистрировать нейтрино одновременно несколькими детекторами,

расположенными в нескольких местах.

Эта программа осуществляется. Так, в СССР, кроме сцинтилляционного

телескопа в Баксанской нейтринной лаборатории, на "прием" этих нейтрино

настроен и детектор, расположенный в соляной шахте, недалеко от г.

Артемовска. Его чувствительная часть состоит из 100 т жидкого

сцинтиллятора, в котором галактические [pic]е могут регистрироваться по

реакции (4).

Опыты по регистрации солнечных нейтрино обнаружили еще один

сюрприз, еще одну загадку, к сожалению, пока не разгаданную, но вызывающую

к жизни многочисленные и интересные гипотезы.

Нейтрино рождается в недрах звезды, где при огромных давлениях

идут термоядерные реакции синтеза тяжелых ядер из легких. Основным

процессом является "горение" водорода и образование из него гелия. Как

пример, может быть приведен так называемый водородный цикл:

1. Два протона превращаются в ядро тяжелого изотопа водорода -

дейтон

р + р [pic] d + e+ + [pic]е.

2. Протон и дейтон образуют ядро атома гелия-3

p + d [pic] 3He + [pic].

3. Наконец, два ядра гелия-3 сливаются и превращаются в гелий-4 и

2 протона

3He + 3He [pic] 4He + 2p.

- 45 -

Конечный результат состоит в превращении четырех протонов в одно

ядро гелия-4, выделении энергии (~ 25 МэВ) и испускании нейтрино с

граничной энергией спектра ~ 0,4 МэВ. Поток этих мягких нейтрино на

Земле составляет ~6 * 1010 [pic]е /см2*с, около 95% полного потока. В

спектре солнечных нейтрино лишь малая часть [pic]е имеет энергию, большую 1

МэВ. Среди них особенно частицы, возникающие в термоядерных реакциях, в

которых синтезируются ядра атома бора-8. При [pic]- распаде этих ядер

граничная энергия [pic]е достигает ~ 15 МэВ, но в полном потоке

нейтрино на Земле они составляют всего 10-4 часть.

Мягкий спектр - отсюда и малая вероятность взаимодействия с

веществом (даже по нейтринным меркам), и невозможность использовать

большинство обратных реакций из-за их нечувствительности к солнечным

нейтрино (высокий энергетический порог) - вот трудности, возникающие

перед экспериментаторами. Но вместе с тем нейтрино – единственная

частица, для которой звездное вещество прозрачно. Они несут информацию о

состоянии материи во внутренних областях Солнца и о процессах, происходящих

там.

Опыты по регистрации солнечных нейтрино были выполнены группой

исследователей, возглавляемой Р. Дэвисом. Измерения продолжались более 15

лет - своеобразный рекорд для экспериментальной физики Дэвис и его

сотрудники использовали хлор - аргоновый метод Б.М. Понтекорво, тот самый,

с помощью которого было доказано различие нейтрино и антинейтрино.

Солнечные нейтрино должны вызывать реакцию ( ведь это именно[pic]е, а не

[pic]e ! ) [pic]е + 37Cl [pic] 37 Ar + e-.

Ее порог составляет 0,8 Мэв. Ожидалось, что в 1 т вещества (C2Cl4)

образуется 1 атом аргона в год, при этом 80% всех событий в детекторе

будут вызваны нейтрино испущенными при распаде бора-8. Из этой оценки

очевидна огромная масса мишени и необходимость самых интенсивных мер для

борьбы с фоновыми процессами.

Поэтому Дэвис расположил свою аппаратуру на глубине, эквивалентной

по массе вещества почти 4,5 км воды, в золотой шахте штата Южная Дакота. В

подземном зале была установлена в горизонтальном положении цистерна с

3800 000 л перхлорэтилена (C2Cl4), окруженная со всех сторон слоем воды.

Этот слой дополнительно снижал поток фоновых частиц от стенок зала.

Система извлечения аргона из гелия и его очистки от посторонних примесей

занимала второй подземный зал. С большой изобретательностью

был

- 46 -

сконструирован и миниатюрный (объемом менее 1 см3) счетчик, в котором

происходила регистрация излучения от распада 37Ar.

Уже первые годы исследований принесли неожиданный результат.

Оказалась, что скорость счета нейтринных событий во много раз меньше,

чем ожидали теоретики. Пришлось приступить к корректировке расчетных

моделей, но полного согласия теории и эксперимента добиться не удалось.

Сейчас, после многих лет кропотливых измерений, усредненный

экспериментальный эффект составляет ~ 30% от ожидаемого. Такое

несоответствие вызвало к жизни множество гипотез.

Одни из них относились к характеру термоядерных реакций и условиям

их протекания в глубинах Солнца.

Другие касались природы нейтрино. Не может ли оно быть не

стабильным? Не существует ли у нейтрино необычного механизма потерь

энергии весьма малыми порциями так, что пока оно "пробирается" к

поверхности Солнца, его энергия уменьшается? Не переходит ли по дороге от

солнца к Земле один тип нейтрино ([pic]е), в другие

([pic][pic],[pic][pic]), такие к которым хлорный детектор не чувствителен,

т.е. осциллируют. Гипотеза об осцилляциях была высказана Б.М. Понтекорво и

рассматривалась выше.

Стоит отметить, что, несмотря на обилие предположений, ни одно из

них пока не получило сколько-нибудь надежного подтверждения. Загадка

солнечных нейтрино остается открытой.

Огромные трудности регистрации [pic]е от Солнца, необходимость

заглубления установки на километры водного эквивалента обусловили

многолетнюю монополию группы Р. Дэвиса в этой области. Вместе с тем

результаты опытов столь важны и, столь необычны, что требуют независимого

подтверждения.

Исследования солнечных нейтрино в нашей стране должны были начаться

с вводом в эксплуатацию второй очереди Баксанской нейтринной обсерватории.

Их цель не просто проверить результаты опытов Дэвиса, но и провести

гораздо более полное изучение потока солнечных нейтрино с использованием

нескольких типов детекторов. Так, кроме хлор - аргонового метода, сейчас

развивается так называемый галлиево - германиевый : [pic]е + 71Ga [pic]

71Ge + e-. Порог этой реакции 0,231 МэВ. Она имеет высокую

чувствительность, к нейтрино основных солнечных циклов, поток которых,

как считают астрофизики, может быть сосчитан с гораздо большей точностью,

чем поток борных нейтрино. Используя этот процесс (одновременно с хлор -

аргоновым методом), можно надеяться разобраться в степени “виновности”

термоядерных

- 47 -

или самого нейтрино в "нехватке" солнечных нейтрино.

Как видно, нейтрино становиться уникальным инструментом для

наблюдения за небесными телами. Родилась новая наука - нейтринная

астрофизика. И в ее создании весомый вклад отечественных ученых: Г.Т.

Зацепина, Я.Б. Зельдовича, М.А. Маркова, Б.М. Понтекорво, А.Е. Чудакова и

многих других.

- 48 -

7. НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИКА.

Физические свойства нейтрино, и особенно наличие у нейтрино массы

интересно и важно не только для физики микромира, но и для астрофизики.

Мы коснемся только одного вопроса - о связи между массой

нейтрино и плотностью вещества во вселенной.

Как ранее упоминалось, согласно экспериментальным данным, полученным

в ИТЭФе, нейтрино в 20 000 раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче

протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не

взаимодействующая частица должна играть определяющую роль во Вселенной?

Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом

сантиметре их в среднем более, чем в миллиард раз больше, чем протонов,

и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной

составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если

масса покоя электронных нейтрино равна 5 * 10-32 г, то только их средняя

плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10-29

г/см3, а это примерно в 30 раз превышает плотность всего другого, "не

нейтринного" вещества. И, значит, именно тяготение нейтрино должно быть

главной действующей силой, определяющей кинематику расширения Вселенной

сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию

составляет только 3% "примеси" к основной массе Вселенной - к массе

нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из

нейтрино, что мы живем в нейтринной вселенной.

Этот вывод имеет интересное следствие.

Важнейшим вопросом, касающимся эволюции Вселенной, является вопрос о

том, будет ли вечно продолжаться ее расширение. Ответ зависит от того,

чему равна средняя плотность материи во Вселенной: если плотность

материи больше некоторого критического значения[pic]крит, то тяготение этой

материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и заставит

галактики сближаться друг с другом - Вселенная сменит расширение на сжатие.

Если же плотность меньше критического значения [pic]крит, тогда

тяготения материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и

Вселенная будет расширяться вечно.

Критическая плотность, по современным оценкам, равна [pic]крит ~

10-29 г/см3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во

Вселенной составляет обычное вещество, для которого

[pic]крит ~ 10-31 г/см3. Это

- 49 -

означало, что [pic]вещ-ва < [pic]крит и Вселенная должна расширяться

вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только

реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической[pic][pic] ~ 10-

29 г/см3 ~ [pic]крит . Следует вспомнить, что, помимо реликтовых

электронных нейтрино, есть еще мюонные и тау - нейтрино. Об их массе покоя

ничего не известно из прямых экспериментов, однако, из теории и

косвенных экспериментов следует, что если отлична от нуля масса покоя

электронных нейтрино, то, вероятно, отлична от нуля и масса покоя других

сортов нейтрино. Причем, вероятно, массы покоя других сортов нейтрино не

меньше массы покоя электронных нейтрино. Если это учесть, то средняя

плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это

значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет,

расширение Вселенной смениться сжатием, и причиной этого "сильнейшего"

вывода оказалась "слабейшая" из частиц - нейтрино.

Обратимся к вопросу о происхождении структуры Вселенной. В начале

ее расширения вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся

горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе

распадалась на комки, которые развились в небесные тела и их системы?

Как появились зачатки скоплений галактик?

Согласно мнению большинства специалистов, подобный процесс

происходит из-за гравитационной неустойчивости: маленькие случайные

начальные сгустки вещества, своим тяготением стягивают вещество и за

счет этого усиливаются - сгущаются и разрастаются. Эти сгустки вещества

при определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие начало

скоплениям галактик. Основы теории описывающей этот процесс, были

сформулированы еще в 1946 г. отечественным физиком Е.М. Лившицем.

Теперь мы можем считать, что во Вселенной тяготение нейтрино

оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо, прежде всего,

учитывать при анализе роста неоднородностей вещества под действием

гравитационной неустойчивости.

Общая картина роста неоднородностей представляется следующей. В

самые первые мгновения после начала расширения Вселенной были случайные,

очень маленькие неоднородности в распространении плотности материи в

пространстве. Спустя всего 1 секунду после начала расширения плотность

вещества уже достаточно велика, чтобы препятствовать свободному полету

сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период

имеют еще

- 50 -

очень большую энергию и летят со скоростью, очень близкой к скорости

света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей,

создается более равномерное распределение нейтрино. Однако происходит это

только в малых пространственных масштабах - в районе сравнительно малых

нейтринных сгущений.

Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают

вылететь и перемещаться с другими нейтрино достаточно быстро, усредняя,

сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени, тем большие по

размеру неоднородности нейтрино успевают рассосаться. Так будет

продолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие

расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей,

чем скорость света. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после

начала расширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут

успевать вылетать из комков большого размера. И такие комки, имеющие

сначала сравнительно малую плотность, могут усиливаться тяготением,

сгущаться, и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся

облака из нейтрино.

Можно подсчитать, какой будет масса таких нейтринных облаков.

Поскольку, главным образом только первые 300 лет происходило выравнивание

плотности, и нейтрино двигались с около световой скоростью, мы приходим к

выводу, что выравнивание успело произойти в участках с размерами, не

превышающих 300 световых лет. В больших масштабах, в нейтринных

сгустках большего размера, повышенная плотность нейтрино сохранялась, затем

усиливалась, и эти сгущения дали начало нейтринным облакам.

Следовательно, масса этих облаков определяется количеством нейтрино,

находившихся в сфере радиусом 300 световых лет через 300 лет после

начала расширения Вселенной.

Расчет показывает, что типичная масса нейтринного облака выражается

только через фундаментальные природные константы: [pic] – постоянную

Планка, G - гравитационную постоянную и m[pic] - массу покоя нейтрино.

Первые три константы известны, и если принять, что масса покоя нейтрино

действительно равна 35 эВ = 6 * 10-32 г, то окажется, что масса типичного

нейтринного облака составляет примерно 1015 солнечных масс.

Форма нейтринных облаков, согласно Я.Б. Зельдовичу, должна быть

очень сильно сплюснутой, что по форме они должны быть похожи на блины.

Соединение множества таких "блинов", хаотично расположенных в

пространстве, даст в совокупности картину гигантских, невидимых нейтринных

сот.

- 51 -

Итак, к нашему времени в пространстве должна возникнуть ячеистая

структура невидимых нейтринных облаков. Таким образом, огромное море

нейтрино, собранных в облака, в которых они движутся со скоростью порядка

1000 км/с, по-видимому, представляет собой то самое "нечто", которое

раньше не учитывалось при исследовании Вселенной, и без которого

невозможно было объяснить многие важные ее черты.

Как говорят астрофизики-теоретики, теперь, после того как

появилась основание ввести массу покоя нейтрино, многие непонятное ранее

встало на свои места.

- 52 -

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Что происходит в нейтринной физике сейчас, в данную минуту?

Положение можно сравнить с накапливанием сил перед очередной

атакой. Должно пройти несколько лет, и мы узнаем...

Составляет ли масса нейтрино десятки электроновольт или ее верхний

предел опустится в область просто электроновольт. Тогда понадобятся новые

идеи и новые методы для поиска массы этой массы.

Справедливы ли предположения лионской группы о существовании

нейтринных осцилляций.

О новых результатах большой программы изучения солнечных и

космических нейтрино.

Исследователи двойного [pic]- распада продвинуться в точности

своих опытов еще на порядок и будут работать в области периодов полураспада

1023-1024 лет.

Мы получим количественные результаты о взаимодействии реакторных

[pic]е с электроном, детоном, более сложными ядрами.

Нейтрино начнет решать практические задачи.

В заключении можно привести две цитаты, разделенные

семнадцатилетним периодом:

" Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино

в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и

своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-

то глубокими, пока для нас не всегда ясными "целями".

М.А. Марков, 1964 г.

"...Всего за полвека из ускользающей сущности нейтрино

превратилось в фундамент нашего существования... Произошла "нейтринная

революция". Эта революция затрагивает самые фундаментальные основы мира, в

котором мы живем. Она произвела переворот и в нашем подходе к физическим

явлениям".

Я.Б. Зельдович, М.Ю.

Хлопов, 1981 г.

.

- 53 -

ЛИТЕРАТУРА

1. Боровой А. А. Как регистрируют частицы. М., Наука, 1981.

2. Боровой А. А. 12 шагов нейтринной физики. М., Знание, 1985.

3. Нейтрино, Сборник статей.(Серия: "Современные проблемы физи-

ки"). М., Наука, 1970.

4. Понтекорво Б.М. Нейтрино. М., Знание, 1966.

5. Новиков И. Гравитация, нейтрино и вселенная - Наука и жизнь,

1982, #2, с.22.

-----------------------

[pic]

Страницы: 1, 2