Нейтрино

(итал. Neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон) электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), Спином 1/2 (в единицах постоянной Планка ħ) и исчезающе малым, по-видимому, нулевым, магнитным моментом. Н. Принадлежит к группе лептонов (См. Лептоны), а по своим статистическим свойствам относится к классу Фермионов. Название «Н.» применяется к двум различным элементарным частицам — к электронному (νe) и к мюонному (νμ) Н. Электронным называется Н., взаимодействующее с др. Частицами в паре с электроном е- (или позитроном е+), мюонным — Н., взаимодействующее в паре с мюоном (См. Мюоны) (μ-, μ+). Оба вида Н. Имеют соответствующие Античастицы. Электронное v̅e и мюонное v̅μ антинейтрино.

Электронные и мюонные Н. Принято различать с помощью сохраняющихся аддитивных лептонных квантовых чисел (лептонных зарядов) Le и Lμ, при этом принимается, что Le = + 1, Lμ = 0 для νе и Le = - 1, Lμ = 0 для v̅e, Le = 0, Lμ = + 1 для νμ и Le = 0, Lμ = — 1 для v̅μ. В отличие от др. Частиц, Н. Обладают удивительным свойством иметь строго определённое значение спиральности λ — проекции спина на направление импульса. Н. Имеют левовинтовую спиральность (λ = —1/2), т. Е. Спин направлен против направления движения частицы, антинейтрино — правовинтовую (λ = + 1/2), т. Е. Спин направлен по направлению движения. Н. Испускаются при Бета-распаде атомных ядер, К-захвате, захвате μ-ядрами и при распадах нестабильных элементарных частиц, главным образом пи-мезонов (См.

Пи-мезоны) (π+, π-), К-мезонов (См. К-мезоны) и мюонов. Источниками Н. Являются также Термоядерные реакции в звёздах. Н. Принимают участие лишь в слабом взаимодействии (См. Слабые взаимодействия) и гравитационном взаимодействии и не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях. С этим связана крайне высокая проникающая способность Н., позволяющая этой частице свободно проходить сквозь Землю и Солнце. История открытия нейтрино Гипотеза Паули. Открытие Н. Принадлежит к числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в физике 20 в. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, Н. Долгое время оставалось гипотетической частицей. Впервые в экспериментальной физике Н. Проявилось в 1914, когда английский физик Дж.

Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при β-распаде атомных ядер (в отличие от α-частиц и γ-квантов, испускаемых при др. Видах радиоактивных превращений), имеют непрерывный энергетический 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 α-частиц и γ-квантов это требование выполнялось, возникло подозрение, что при β-распаде нарушается закон сохранения энергии. В 1930 швейцарский 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 ≤ 0,01 массы протона, которая испускается при β-распаде вместе с электроном, что и приводит к нарушению однородности спектра β-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, итальянский физик Э. Ферми предложил называть частицу Паули «нейтрино». В 1933 Паули сформулировал основные свойства Н. В их современном виде. Как выяснилось позже, эта гипотеза «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. Теория β-распада Ферми. Гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию β-распада, созданную Ферми в 1934 и позволившую описать явления электронного (β-) и позитронного (β+) распадов и К-захвата. Появилась теоретическая возможность ввести два разных Н. Антинейтрино, рождающееся в паре с электроном, и Н., рождающееся в паре с позитроном.

В теории Ферми β- (β+)-распад есть превращение нейтрона n (протона р) внутри ядра в протон (нейтрон). С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра β-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии β-электронов очень чувствительной к массе mν Н. Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса Н. Много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты β-распада, и её успех привёл физиков к признанию Н. Однако сомнения в существовании этой частицы ещё оставались. Эксперименты по обнаружению нейтрино. Известны две возможности экспериментального обнаружения Н. Первая — наблюдение обратного β-распада — впервые рассмотрена Х. Бете и Р.

Пайерлсом в 1934. Обратным β-распадом называются реакции (существование которых следует из теории Ферми). происходящие как на свободных, так и на связанных в ядрах нуклонах. Оценка вероятности (сечения) поглощения Н. Дала поразительный результат. В твёрдом веществе Н. С энергией, характерной для β-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 Н. — впервые рассмотрен советским 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 Н., превращаясь в ядро 7Li, 7Ве (е-, νe)7Li.

При этом, если Н. — реальная частица, 7Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу Н. Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942. Оказалось, что энергия отдачи ионов 7Li согласуется с теоретическим значением (в предположении нулевой массы Н.). Последующие опыты с большей точностью подтвердили этот результат. Существование Н. Стало экспериментальным фактом. В физике появилась новая частица, все свойства которой были определены из косвенных экспериментов. Обнаружение свободного Н. В процессе обратного β-распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов (См. Ядерный реактор) и больших водородсодержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате β--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) около 1013 частиц на 1 см2 в 1 сек. Эксперимент по прямому детектированию νe впервые был осуществлен 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 γ-кванта, которые производят первую сцинтилляционную вспышку. Через 5—10 мксек за ней следует вторая вспышка от γ-квантов, испущенных ядром кадмия в результате захвата нейтрона, образовавшегося в реакции (2') и замедлившегося в водородсодержащей жидкости.

В 1956—59 опыт был повторен в лучших условиях (рис. 1). Было получено сечение σ = (11 ± 2,6)·10-44 см2. Теоретическая величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного Н. (см. Ниже) равна (10—14)․10-44 см2. Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного Н. Основные свойства нейтрино Нейтрино и антинейтрино. Представление о Н. И антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку Н. Не имеет электрического заряда, не исключено, что Н. По своим свойствам тождественно антинейтрино, т. Е. Является истинно нейтральной частицей. Такое Н. Впервые было рассмотрено итальянским физиком Э.

Майорана и поэтому называлось «майорановским». В 1946 Б. М. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения 37Cl в 37Ar. Из существования распада 37Ar (e-, νe)37CI следует реакция 37Cl + νe → 37Ar + e-. (3) Если νe и v̅e не тождественны, то реакция аналогичная реакции (3), при облучении 37Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществленном американским учёным Р. Дейвисом в 1955—56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результат доказывает нетождественность νe и v̅e (и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа Le). Электронные и мюонные нейтрино. После открытия мюонов, π- и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом Н.

В 1957 М. А. Марков, Ю. Швингер и К. Нишиджима высказали предположение, что Н., рождающееся в паре с мюоном (νμ), отлично от Н., рождающегося в паре с электроном (νе). Возможность проверки этих ассоциативных свойств Н. С помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР М. А. Марковым и Б. М. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европейском центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием Н. От распадов π+ → μ + νμ, K+ → μ+ + νμ, (4) происходит только реакция νμ + n → p + μ-. Реакция νμ + n → р + e- не была найдена. Это означает, что Н. От реакций (4) не рождают электроны. Т. О., было доказано существование двух разных Н. — νμ и νe. В 1964—67 в аналогичных опытах было установлено, что νμ при столкновении с ядрами рождает μ- и не рождает μ+, т.

Е. Мюонные нейтрино νμ и антинейтрино v̅μ также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число Lμ. Спиральность и лептонные числа нейтрино. До открытия несохранения чётности в β-распаде считалось, что Н. Описывается волновой функцией, являющейся решением Дирака уравнения (См. Дирака уравнение), и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям. Два с проекцией спина на импульс (спиральностью) λ = —1/2 — левое (левовинтовое) Н. Νл и левое антинейтрино .