28. Нейтрино

    Нейтрино − столь же распространенная во Вселенной частица, как фотон. Нейтрино было «придумано» В. Паули для объяснения законов сохранения энергии и момента импульса в бета-распаде. Нейтрино испускаются и поглощаются в процессе бета-распада. Известно 3 типа нейтрино: электронное, мюонное и таонное. Нейтрино образуются в процессах распадов π-мезонов и мюонов. Интенсивным источником нейтрино является Солнце. Нейтрино образуются при гравитационном коллапсе звезд, унося большую часть высвобождающейся гравитационной энергии. Процесс с образованием нейтрино происходит в недрах Земли. Искусственным источником нейтрино являются ядерные реакторы. Энергии нейтрино, существующих в природе, изменяются от 10^-6 до 10¹⁸ эВ. Отличительной особенностью нейтрино от других частиц является их крайне низкое сечение взаимодействия с веществом ~10^-43 см², что создает серьезные проблемы для регистрации нейтрино. Однако это же одновременно создает уникальное условие для наблюдения различных процессов. С помощью нейтрино мы можем заглянуть внутрь ядерного реактора, изучать процессы, происходящие в недрах Солнца, получать информацию о процессах, происходящих на расстоянии миллиардов световых лет от нас.
    Спектр нейтрино от различных источников показан на рис. 55.

Рис. 55. Спектр нейтрино от различных источников.

Солнечные нейтрино

    Для регистрации солнечных нейтрино, проверки модели Солнца и ядерных реакций, приводящих к выделению энергии на Солнце, Р. Дэвисом был построен нейтринный детектор, содержащий
400000 л четыреххлористого углерода. Нейтрино регистрировались по образованию радиоактивного ³⁷Ar в реакции

³⁷Cl + νe → ³⁷Ar + e⁻.

    Эту реакцию для регистрации нейтрино впервые предложил Б. М. Понтекорво в 1946 г. Изотоп ³⁷Ar имеет период полураспада 35 дней. Порог регистрации нейтрино хлорным методом составляет 0.81 МэВ. Зарегистрированный Р. Дэвисом поток солнечных нейтрино оказался в 3 раза меньше предсказанного теорией.

Рис. 56. Нейтринный детектор Дэвиса.

    Р. Дэвис: «Проблема солнечных нейтрино оставалась нерешенной с 1967 по 2001 гг. В течение этого времени как измеренный поток нейтрино, так и его теоретические оценки изменились незначительно. Я никогда не находил ошибок в своих экспериментах. Джон Бакол никогда не находил каких-либо просчетов в стандартной модели Солнца; в действительности, результаты гелиосейсмологии подтвердили профиль температуры в его модели Солнца. Не было сомнений, что теория и наблюдения различались в три раза. За 25 лет радиохимическим методом было извлечено и измерено 2200 атомов ³⁷Аг и получено значение потока солнечных нейтрино 2,56 ± 0.16 (статистическая ошибка) ± 0.16 (систематическая ошибка) SNU. Современное теоретическое предсказание стандартной солнечной модели дает SNU. <…>
    В 1969 году Грибов и Понтекорво (и позднее Вольфенштейн) предложили гипотезу нейтринных осцилляций, которая впоследствии была развита в работах Михеева и Смирнова и теперь известна как МСВ-эффект. <…>
    Проблема солнечных нейтрино нашла свое решение после оглашения первых результатов экспериментов нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO). На протяжении нескольких последних лет МСВ-эффект (возможность изменения сорта нейтрино при прохождении вещества) был наиболее привлекательным для объяснения проблемы солнечных нейтрино. Эта теория получила дополнительную поддержку в 1998 г., когда группа Супер-Камиоканде сообщила об обнаружении осцилляций атмосферных нейтрино, рождающихся в широких атмосферных ливнях. В 2001 году группа из нейтринной обсерватории в Садбери обнародовала данные по регистрации электронных нейтрино от Солнца. Эти данные в сочетании с результатами Супер-Камиоканде позволили сделать вывод, что нейтрино осциллируют из одного сорта в другой. В 2002 году дополнительные данные SNO убедительно доказали существование нейтринных осцилляций и привели в согласие полный поток нейтрино с теоретически ожидаемым значением».

Реликтовое нейтрино

    Через несколько десятых долей секунды после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной для нейтрино. В дальнейшем нейтрино и вещество расширялись независимо – изменение температуры и давления нейтрино не совпадало с изменением температуры и давления остальной части Вселенной. Нейтринный газ в дальнейшем охлаждался адиабатически из-за красного смещения, вызванного расширением Вселенной. Число нейтрино должно было сохраниться практически неизменным до наших дней. Их концентрация должна быть примерно такой же, как реликтовых фотонов. Однако в связи с тем, что отделение нейтрино произошло раньше излучения, температура реликтовых нейтрино должна быть несколько меньше. К настоящему времени нейтринный газ охладился до 2 K. Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляет важную и сложную проблему.