Недавно исполнилась 61-я годовщина со дня рождения экспериментальной физики нейтрино.
Я опоздал на год к знаменательной дате, но все же.
Я хочу рассказать вам, как появилось одно из самых интересных направлений современной физики.
Все началось с того, что для выполнения законов сохранения энергии и импульса была изобретена принципиально необнаружимая частица.
Потом этого «полтергейста» тщательно искали, причем весьма экстравагантным образом.
Вплоть до идеи взрыва ядерной бомбы, чтобы зарегистрировать 2-3 события, со свободным падением однотонального детектора на пару секунд. Так началась история совершенно новой области физики, принесшей больше Нобелевских премий, чем какая-либо другая.
«Неправильные» электроны
В самом конце XIX века, когда физики уже всерьез опасались, что все возможные законы уже открыты и профессия теряет актуальность, Беккерель открыл эффект радиоактивности, положив начало новой эпохе в физике.В ходе исследования этот эффект разделили на три типа: альфа, бета и гамма-излучение.
Первый представлял собой поток ядер гелия, второй — поток электронов, а третий — поток фотонов.
Сама радиоактивность рассматривалась как переход атома из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое состояние, причем разница в точности равна энергии испускаемой частицы.
Все было хорошо, пока в 1914 году Джеймс Чедвик не измерил энергии электронов, образующихся в результате бета-распада.
Вместо нескольких четких линий, как это было для всех остальных видов излучения, он наблюдал сплошной спектр.
Это заставило научное сообщество долго задуматься и пересмотреть сами основы физики.
В то время как Эйнштейн, посещая лабораторию Чедвика, признавался, что понятия не имеет, как объяснить такое поведение, Дебай писал по этому поводу: «О, лучше не думать обо всем этом.
как о новых налогах».
Сам Нильс Бор посягнул на святая святых – закон сохранения энергии.
В течение нескольких лет он был уверен, что этот закон в микромире нарушается, и разработал соответствующую теорию.
Появление идеи «необнаружимой» частицы
Почти 20 лет спустя, в 1930 году, Паули предположил, что может существовать легкая электрически нейтральная частица, уносящая недостающую энергию.Он назвал эту частицу нейтроном.
Свое предложение он сформулировал в письме Тубинхемскому научному конгрессу (под катом).
Обращают на себя внимание призывы «Уважаемые радиоактивные дамы и господа», «Дорогие радиоактивные», а также причина, по которой на съезд не явился сам г-н Паули.
В тот вечер у него был бал.
Дамы не будут ждать, пока вы обнаружите здесь новую частицу.
Письмо Паули о существовании нейтрино 
Но в 1932 году уже упомянутый Джеймс Чедвик открыл нейтральную частицу с массой, близкой к массе протона, и ради созвучия назвал ее нейтроном.
Во избежание путаницы гипотетической частице Паули дали название «нейтрино» (дословно «нейтрон»).
Сам Паули говорил, что совершил непростительную для теоретика ошибку: предложил принципиально необнаружимую частицу.
И он даже поспорил на бутылку шампанского с коллегой-астрономом, что его гипотеза не подтвердится при их жизни.
Забегая вперед, скажу, что Паули проиграл спор.
За два года до его смерти удалось наблюдать сигнал непосредственно от нейтрино.
Весьма примечательно, что после более чем 30 лет наблюдений природа радиоактивности так и не была известна.
Процесс представлялся так: в ядре атома что-то происходит, заряд увеличивается на единицу, масса сохраняется и электрон вылетает. Именно поэтому сам нейтрон был открыт лишь спустя десятилетия после того, как был обнаружен его распад. В 1934 году Ферми впервые создал последовательную теорию бета-распада.
Он использует гипотезу Паули о существовании нейтрино.
Теперь процесс выглядит так: 
Теория блестяще совпала с экспериментом, но с одним небольшим недостатком.
Доказательств существования нейтрино пока не получено.
Косвенные доказательства существования «полтергейста»
Начался поиск неизвестной частицы.Теория Ферми дала очень хорошие подсказки о том, как искать такую частицу.
Реакцию бета-распада можно было бы «прокручивать» в разные стороны, в частности рассмотреть захват антинейтрино протоном с образованием позитрона и нейтрона.
Вычислить вероятность такого события было несложно, но результат сильно озадачил физиков.
Чтобы взаимодействие произошло точно, нейтрино должно пройти в свинце расстояние, в 10 миллионов раз превышающее расстояние от Солнца до Земли.
Это заставило ученых надолго отказаться от поиска нейтринных взаимодействий и попытаться искать косвенные доказательства.
Первые косвенные доказательства были получены уже в 1936 году Александром Ильичем Лейпунским.
Он предложил, а вскоре и сам провел исследование реакции распада изотопа углерода: 
Исходный атом углерода покоится, поэтому, если нейтрино не существует, то суммарный импульс атома бора и позитрона должен быть равен нулю.
Поскольку интересующие нас частицы несут заряд, измерить их импульс не составило труда.
Эксперимент показал, что расширение атома бора и позитрона не компенсируется, а значит, определенная частица, как и ожидалось, уносит импульс.
Второй вариант эксперимента был предложен в 1938 году Алихановым и Алиханяном и осуществлен в 1942 году Алленом.
Идея заключалась в том, чтобы изучить электронный захват в атоме бериллия: 
Электрон с нижней орбитали с некоторой вероятностью находится в самом ядре и может вступить в реакцию с протоном с образованием нейтрино.
Первоначально атом покоится, но если из него вдруг вылетит частица, то образовавшийся атом лития должен улететь в другую сторону.
Эксперимент еще раз продемонстрировал существование загадочной частицы Таким образом были получены убедительные доказательства существования нейтрино, однако прямое обнаружение частицы долгое время оставалось нерешенной и весьма интересной проблемой.
Проект «Полтергейст» или неразорвавшаяся бомба
Здесь на сцену выходят Райнес и Коуэн.Первые из них активно участвовали в испытаниях ядерной бомбы во время и после Второй мировой войны.
Так ему приходит в голову идея использовать ядерный взрыв в качестве источника нейтрино.
Замечательный разговор Рейнса с Ферми Из Нобелевской лекции Фредерика Рейнса 1995 года.
Так случилось, что летом 1951 года Энрико Ферми оказался в Лос-Аламосе.Первоначальная идея эксперимента была весьма и весьма необычной.Я робко постучал к нему в дверь и сказал: «Я хотел бы поговорить с вами несколько минут о возможности регистрации нейтрино».
Он был очень дружелюбен и ответил: «Хорошо, скажи мне, что у тебя на умеЭ» Я сказал: «Прежде всего, что касается источника нейтрино, я думаю, что лучше всего подойдет бомба».
Недолго подумав, он ответил: «Да, бомба — лучший источник».
До сих пор все было хорошо! Тогда я предложил: «Но нам нужен очень большой детектор.
Я не знаю, как сделать такой детектор».
Он на мгновение задумался и сказал, что тоже не знает. Это заявление Учителя шокировало меня.
И я оставил эту идею до случайного разговора с Клайдом Коуэном.
Планировалось обнаружить обратный бета-распад, но, как уже говорилось, такие события происходят крайне редко.
Для увеличения вероятности взаимодействия необходим очень большой поток нейтрино и огромный объем детектора.
Атомная бомба мощностью 20 килотонн была размещена на 30-метровой башне.
Его взрыв должен был стать источником огромного количества нейтрино.
Кстати, такой же мощностью обладал и «Малютка», сброшенная на Хиросиму.
Времена были проще; люди не гнушались взрывать бомбы ради туманной перспективы что-то зарегистрировать, и проект получил поддержку.
Чем ближе к эпицентру взрыва, тем сильнее поток нейтрино.
Но в то же время ударная волна сильнее.
Огромный запланированный детектор весом в тонну просто не выдержал бы таких толчков.
Чтобы обезопасить установку, ее решили в момент взрыва сбросить в вакуумную шахту.
Тогда ударная волна в земле не повредит детектор, и, пролетев пару секунд в свободном падении и зарегистрировав несколько нейтринных событий, он мягко приземлится на резиновую подкладку.
Через несколько дней, когда радиационная обстановка на поверхности стала благополучной, детектор планировали выкопать и наконец узнать тайну нейтрино.
У меня в голове не укладывается, как при разработке детектора, в 1000 раз превосходящего по размеру все существующие, можно пойти на столь смелый эксперимент - сбросить его в шахту в долгом свободном падении.
Но первоначальной схеме не суждено было реализоваться.
Изучая возможности уменьшения фона от проходящих нейтронов, гамма-лучей и других проникающих лучей, команда определяет желаемую реакцию.
регистрируют не только позитроны, но и нейтроны.
Для этого в детектор планировали добавить кадмий, который будет захватывать нейтроны и выделять фотоны, которые уже очень легко зарегистрировать.
Время жизни изотопа кадмия 109m составляет всего десятки микросекунд. Таким образом, сигнал от взаимодействия нейтрино приобретает очень четкую сигнатуру: позитрон почти сразу аннигилирует с электроном, испуская пару фотонов с четко определенной энергией, а через несколько микросекунд происходит вторая вспышка - результат захвата нейтрон кадмием и снова с четко определенной энергией.
Многократное подавление фона позволило использовать в качестве источника уже не разрушительную ядерную бомбу, а вполне мирно работающий реактор.
Кроме того, этот метод позволяет проводить воздействие месяцами и годами, получая все более достоверные результаты.
После разработки концепции ученые приступили к конструированию и испытаниям детектора.
На тот момент это была революционная установка.
В то время объём детектора считался «большим» и составлял один литр; здесь планировалось использовать кубометр мишени в окружении 90 фотоумножители .
Для сравнения, современные эксперименты, такие как Супер-Камиоканде, имеют объем 50 000 кубических метров и просматриваются 13 000 FЭU. Планируемый Гипер-Камиоканде в 20 раз больше и использует 100 000 фунтов единиц.
Первый результат
В 1953 году на реакторе в Хэнфорде начался сеанс сбора данных.
Фоновые процессы от других частиц, вылетающих из реактора, доставили команде немало хлопот. Нам приходилось постоянно перемещать сотни тонн свинца, модифицировать неисправное оборудование, электронику, дающую ложные срабатывания, и т. д. Команда работала с полной отдачей, надеясь на прорывной результат. Но, несмотря на все усилия, фон от космических лучей и электроники был слишком велик.
Статистика, собранная во время включения и выключения реактора, намекала на то, что нейтринные взаимодействия действительно имели место, но уверенности не было.
Тем не менее, группа учёных, воодушевлённая первым результатом, приступила к модернизации детектора для дальнейшей работы.
Второй этап исследований начался с наблюдений на реакторе Саванна-Ривер.
Новый детектор состоял из двух резервуаров с водой и трех цилиндров, наполненных жидким сцинтиллятором — веществом, которое светится при прохождении через него излучения.
Принцип остается прежним — искать совпадения по двум сигналам: аннигиляции позитрона и захвата нейтрона.
Выбор реактора Саванна-Ривер был обусловлен тем, что это был новый, более мощный реактор и, кроме того, имелось подземное экранированное помещение, значительно снижающее влияние космического излучения.
Результат не заставил себя долго ждать; всего через несколько месяцев, в июне 1956 г.
, после многочисленных проверок были получены неопровержимые доказательства взаимодействия нейтрино.
Дверь в новую физику была открыта! Райнс и Коуэн немедленно телеграфировали Поли о своем открытии.
Получив такую телеграмму, Паули прервал встречу в ЦЕРНе, чтобы зачитать аудитории столь важную новость.
И тогда в честь этого открытия Вольфганг и его друзья выпили ящик шампанского.
Спустя много лет стал известен текст так и не отправленного ответа:
Спасибо за сообщение.Все приходит к тем, кто умеет ждать.
Паули
Результаты и дальнейшая работа
Независимое подтверждение этого результата было получено лишь 8 лет спустя в ускорительном эксперименте.А повтор реакторного эксперимента был осуществлен лишь спустя 20 лет. Несмотря на высокую оценку научного сообщества, награды не спешили сыпаться на головы первооткрывателей самой слабой взаимодействующей частицы.
Ирония заключалась в том, что в 1988 году Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили Нобелевскую премию за открытие нового типа нейтрино — мюона, а за самое фундаментальное открытие нейтрино премия была вручена только в 1995 году и только Райнесу.
Коуэн не дожил до этого момента.
Впоследствии Райнес продолжил свои исследования, измеряя вероятность взаимодействия нейтрино с электроном, с дейтроном; первым зарегистрировал «естественные» нейтрино, рожденные в атмосфере, и заложил многие основы этой области физики.
Впереди было еще много удивительных открытий: регистрация новых сорта нейтрино, открытие спиральность нейтрино, разделение нейтрино и антинейтрино, наблюдение колебания , регистрация нейтрино от вспышки сверхновая , поиск Нарушения CP .
Впервые астрофизикам удалось наблюдать Вселенную не посредством наблюдения электромагнитных волн, а с помощью нейтрино.
Огромное количество мощных детекторы был построен и продолжает строиться для изучения этой неуловимой частицы В заключение хочу сказать, что нейтрино существуют в каждом из нас и в больших количествах! Каждую секунду около 100 миллиардов таких частиц проходят через квадратный сантиметр Земли.
Источники
- Хороший, но очень устаревший и с огромным количеством опечаток статья по истории нейтринной физики
- Лос-Аламосский научный номер 25, 1997 г.
- Нобелевская лекция Фредерик Рейнс 1995 г.
- Много английской Википедии
-
Очистка Воды
19 Oct, 24 -
Карьерные Стероиды. Реальные Истории
19 Oct, 24 -
И Трава Тогда Была Зеленее
19 Oct, 24 -
«Концепции» В C++
19 Oct, 24 -
Еще Один Список Проектов Для Практики
19 Oct, 24
