5. Нейтрино. Антинейтрино

    Вскоре после открытия А. Беккерелем явления радиоактивности Э. Резерфорд показал, что в результате радиоактивного распада появляются электроны. Это явление было названо β^--распадом. (В 1934 г. Ирэн и Жолио Кюри обнаружили явление β⁺-распада, сопровождающееся появлением в результатеβ⁺-распада позитронов.) Изучение явления β-распада привело к неожиданному результату. Оказалось, что и электроны, и позитроны имеют непрерывный спектр энергий. Для объяснения этого явления В. Паули предположил, что процесс β-распада сопровождается появлением не одной наблюдаемой заряженной частицы электрона (β^--распад) или позитрона (β⁺‑распад), а двух. Вторую частицу сложно обнаружить, т.к. она имеет маленькую массу и нулевой электрический заряд. Эта частица вначале была названа нейтроном, но после открытия нейтронов в составе атомного ядра была по предложению В. Паули переименована в нейтрино, что в переводе с итальянского означает «маленькая нейтральная частица». Образование нейтрино в результате β‑распада спасло казавшиеся нарушенными законы сохранения энергии и импульса. Нейтрино имело квантовое число спин s = 1/2 и уносило недостающую часть энергии и импульса. Предсказанные Паули нейтрино появлялись как в результате β^-‑распада, так и в результате β⁺‑распада. Как и предсказал В.Паули, обнаружение нейтрино оказалось очень сложной задачей. Лишь в 1956 г. Ф. Райнесу и К. Коэну удалось в результате сложного эксперимента доказать существование антинейтрино. Были зарегистрированы антинейтрино, образующиеся в ядерном реакторе в результате деления атомных ядер. Как и предсказал В. Паули нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом σ ≈ 10^-43 см².

Свидетельством существования антинейтрино явилось наблюдение реакции

_e + p → e⁺ + n.

Фредерик Райнес (1918 –1998)

1956 г. Ф Райнес и К Коуэн зарегистрировали антинейтрино.

Схема установки Ф. Райнеса и К. Коэна

Нобелевская премия по физике

1995 г. − Ф Райнес. За детектирование нейтрино.

    Источником антинейтрино являлся ядерный реактор. Интенсивные потоки антинейтрино  образовывались в результате β^--распада радиоактивных осколков деления. Под действием антинейтрино, образующихся в ядерном реакторе в результате реакции на протоне происходило образование позитрона и нейтрона. Этот процесс был надежно зарегистрирован.

Ф. Райнес: «В конце 1955 г., по предложению и при большой моральной поддержке Джона А. Вилера (John A. Wheeler), детектор был поставлен на новый, мощный (700 МВт в то время) компактный тяжеловодный реактор на заводе в Саванна Ривере в Айкене, Южная Каролина (the Savannah River Plant in Aiken. South Carolina).
    Этот реактор отлично подходил для изучения нейтрино, благодаря наличию хорошо экранированного помещения, расположенного в массивном здании в 11 метрах от реактора и на глубине 12 метров под землей. Интенсивный поток  (1.2·10¹³ см^–2сек^–1) и уменьшение фона от космических лучей внесли существенный вклад в успех эксперимента, который даже при этих благоприятных условиях потребовал 100 дней измерений в течение одного года.
    В Саванна Ривере мы выполнили серию измерений, чтобы показать, что:
а)  связанный с реактором сигнал согласовывается с теоретическими ожиданиями;
б)  первый импульс сигнала обусловлен позитронной аннигиляцией;
в)  второй импульс сигнала обусловлен захватом нейтрона;
г)   величина сигнала зависит от количества протонов в мишени;
д)  с помощью эксперимента поглощения исключается возможность регистрации излучения отличных от нейтрино частиц.
    Мы руководствовались правилом: для того, чтобы сделать вывод о том, что мы действительно наблюдали нейтрино Паули Ферми, каждая проверка должна была принести ожидаемый для нас результат. Неожиданный результат подразумевал бы либо экспериментальную ошибку, либо необходимость внесения корректив в наш взгляд на нейтрино»[*].

Ф. Райнес: «Наша телеграмма Паули. Проверки были завершены, и мы обрели уверенность в результате. Это было великолепное ощущение непосредственного участия в процессе познания. В июне 1956 г. мы решили, что пришло время сообщить о наших результатах человеку, который и начал все это, когда молодым написал свое знаменитое письмо, в котором ввел нейтрино, сказав для большего эффекта, что не может прийти на заседание и рассказать об этом лично, потому что должен идти на танцы.
    Наше сообщение было переправлено в ЦЕРН, где Паули прервал заседание, для того чтобы зачитать телеграмму участникам совещания (и затем экспромтом сделал несколько замечаний, касающихся открытия): «Мы счастливы сообщить Вам. что мы определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления путем наблюдения обратного бета-распада протонов. Полученное сечение хорошо согласуется с ожидаемыми шестью умноженными на десять в минус сорок четвертой степени сантиметрами в квадрате». Позже мы узнали, что Паули с друзьями выпили ящик шампанского в честь этого события.
    Через много лет (примерно в 1986 г.) К.П. Энц (С.Р. Enz), студент Паули, прислал нам копию письма, написанного ночью в 1956 г., которое никогда не было нами получено: «Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули».
    Проблема была решена, брошенный вызов встречен. Оставалось только ждать независимого подтверждения результата другими экспериментаторами. Как оказалось, мы были правы, но проверка существования, ставшая побочным продуктом нейтринных экспериментов на ускорителе, заняла около восьми лет. Я подозреваю, что такая задержка была вызвана в основном тем, что наш результат не был неожиданным. Около 20 лет спустя другая группа, вдохновленная возможностью существования нейтринных осцилляции, также зарегистрировала _e + p на реакторах».
    Обнаружение антинейтрино привело к очередной проблеме: являются ли нейтрино образующиеся в результате β⁺- и β^-‑распадов одинаковыми частицами или различными? Для выяснения вопроса являются ли ν и  тождественными частицами или между ними существует какое-то различие, был поставлен эксперимент по регистрации реакции

+ n → p + e-.

(5.1)

Если ν и  являются тождественными частицами, то реакция (5.1) должна наблюдаться. Это следует из того, что имеет место реакция

являющаяся обращением во времени наблюдаемой Райнесом и Коэном реакции

p + e^- → ν + n.

Обе реакции (5.1) и (5.2) при тождественности ν и  должны идти с одним и тем же характерным для нейтрино (антинейтрино) сечением ≈10^-43 см².
    Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить только на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:

+ 37Cl → 37Ar + e-.

(5.3)

    Если реакция + n → p + e^- возможна, то под действием антинейтрино реактора один из нейтронов, входящих в состав ядра ³⁷Cl, превращается в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа ³⁷Ar с периодом полураспада 35.04 суток. В результате захвата одного из электронов атомной оболочки (е-захват) ядро ³⁷Ar вновь превращается в ³⁷Cl. e-захват можно зарегистрировать по появлению оже-электрона с энергией 2.8 кэВ, который должен сопровождать процесс е‑захвата.
    Для регистрации реакции + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^- необходимо было использовать большую массу мишени, так как в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, сечение реакции должно было составлять ≈10^-43 см². В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четырехлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была разработана специальная методика извлечения радиоактивного изотопа ³⁷Ar из огромного объема мишени. Выделенный ³⁷Ar помещался затем в низкофоновый пропорциональный счетчик для регистрации его радиоактивности.
    Образование радиоактивного изотопа ³⁷Ar в результате реакции + ³⁷Cl → ³⁷Ar + e^- не было зарегистрировано. Для величины сечения реакции + n → p + e^- была получена верхняя оценка

σ_эксп( + n → p + e^-) < 0.25×10^-44 см²,

что почти в 45 раз меньше того, что следовало ожидать, если бы нейтрино и антинейтрино были тождественными частицами.
    Оказалось, что нейтрино, образующиеся в результате β⁺- и β^-‑распадов разные частицы – они являются частицей и античастицей. Частица, появляющаяся при β^-‑распаде вместе с электроном, была названа антинейтрино, а частица, появляющаяся при β⁺-распаде вместе с позитроном, была названа нейтрино.

Таблица 5.1

Основные характеристики электронного антинейтрино

    Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что нейтрино ν и антинейтрино  являются различными частицами. Нейтрино всегда в конечном состоянии появляется в паре с позитроном, а антинейтрино − в паре с электроном. При облучении нуклонов в пучке нейтрино в конечном состоянии наблюдаются только электроны. Если реакция происходит под действием антинейтрино, среди продуктов реакции всегда присутствуют позитроны, и никогда не наблюдаются электроны.
    Отмеченные различия в свойствах нейтрино и антинейтрино можно описать, если ввести для электронов и нейтрино и для их античастиц новое квантовое число -электронный лептонный заряд L_e, приписав электрону и нейтрино значение L_e = +1, а их античастицам позитрону и антинейтрино -значение L_e = -1. При этом должен выполняться закон сохранения лептонного заряда (числа):

Закон сохранения электронного лептонного заряда (числа) В замкнутой системе электронный лептонный заряд (число) Le сохраняется.

    Из закона сохранения лептонного числа следует, какие реакции с участием электронных нейтрино и антинейтрино возможны, а какие запрещены.

Разрешены реакции	Запрещены реакции
e + p → n + e+ νe + n → p + e-	νe + p → n + e+ e + n → p + e-.

    Нейтрино имеет спин s = 1/2. Если частица имеет спин s = 1/2, то возможны две различные ориентации спина относительно направления импульса p частицы. Различают правополяризованные и левополяризованные частицы. Правополяризованной считается частица, спин которой направлен по импульсу, левополяризованной − против импульса. Для характеристики взаимного направления спина и импульса частицы вводится понятие спиральности h, которое определяется соотношением

Тогда согласно определению правополяризованные частицы имеют положительную спиральность h = +1, лепополяризованные − отрицательную h = -1.

В многочисленных экспериментах было показано, что электронное нейтрино νe всегда является левополяризованной частицей, а электронное антинейтрино e − правополяризованной частицей.                              h(ν) = -1,       h() = +1 В природе отсутствуют правополяризованные нейтрино и левополяризованные антинейтрино.

Таким образом, нейтрино ν отличается от своей античастицы антинейтрино

• значением электронного лептонного числа L_e
  L_e(ν) = +1, L_e() = -1;
• значением спиральности h
  h(ν) = -1, h() = +1

    Изучение процесса β-распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным и не ядерным взаимодействиями, а новым типом взаимодействия, до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. Изучение процессов, происходящих в результате слабого взаимодействия, принесло в физику много неожиданных и сенсационных открытий.

---

[*] Ф. Райнес. «Нейтрино: от полтергейста к частице». УФН 166 1352 (1996)