В. Ионов

Эксперимент Райнеса и Коуэна

    При изучении β-распада еще в 30-х годах прошлого столетия стало очевидно, что должна присутствовать третья частица. Но по причине того, что частица, названная нейтрино, не имела заряда, ее было очень трудно обнаружить детектором. В середине 1950-х годов Фредерик Райнес и Клайд Коуэн предложили эксперимент проверки существования нейтрино. Источниками последних являются ядерные реакторы, которые должны вырабатывать потоки нейтрино порядка
10¹²-10¹³ нейтр/сек см² .
    В результате распада нейтронов и других видов β-распада образуются электронные антинейтрино. При их взаимодействии с протонами должны появлятся нейтроны и позитроны.

_e + p   n + e⁺.                   (1)

    Позитроны и электроны быстро аннигилируют, в результате чего высвечиваются 2 γ-кванта. Исследователь может зафиксировать эту вспышку (E_γ = 0.5 МэВ) в расположенных друг напротив друга детекторах. Но Райнес и Коуэн понимали, что простая фиксация γ-лучей еще не дает 100-процентной уверенности в правильности интерпретации опыта. В своем эксперименте они дополнительно детектировали нейтроны, продукт реакции (1). Детектирование гамма квантов происходило путем помещения водородсодержащего сцинциллятора в большой резервуар с водой. В ответ на взаимодействие вещества сцинциллятора с гамма- лучами появлялись вспышки видимого света, которые попадали на фотоумножители. Нейтроны регистрировались при добавлении хлорида кадмия в резервуар детектора. Кадмий является сильным нейтронным поглотителем и используется в управляющих стержнях ядерных реакторов.
    Поглотив нейтрон, ¹⁰⁸Cd образует возбужденное состояние ¹⁰⁹Cd, который затем испускает -квант с энергией 3-10 МэВ.

n + ¹⁰⁸Cd ¹⁰⁹Cd* ¹⁰⁹Cd + γ                     (2)   

    Эксперимент строился таким образом, что дополнительный гамма квант реакции (2) регистрировался через 5·10^-6 секунды (время торможения нейтрона при рассеянии на водороде) после двух фотонов аннигиляции электрон-позитронной пары. Это увеличило достоверность опыта.

    После первых экспериментов в Хэндфорде, Райнес и Коуэн собрали установку поблизости от реактра в городе Августа, штат Джорджия, где были лучшие условия для экранирования космических лучей. Экспериментальное помещение находилось в 12 м под землей и в 11 м от реактора. В эксперименте 1956 года ученые использовали 2 резервуара с 200 литрами воды и 40 килограммов растворенного в ней СdCl₂. Резервуары были помещены между 3 слоями сцинциллятора, которые содержали в себе 110 фотоумножителей диаметром 12 см каждый. После месяца сбора данных оказалось, что частота нейтринных событий в детекторе составляет 3 в час. В качестве дополнительного подтверждения, Райнес и Коуэн предложили заглушить реактор и посмотреть, будет ли изменение числа событий. Теоретически предсказанное ими сечение реакции (1) около
6·10^-44 см², а померенное в эксперименте 6.3·10^-44 см² , что соответствует тому, что нейтрино с энергией в несколько МэВ, чтобы испытать хотя бы одно взаимодействие, должно пройти расстояние в 100 св. лет в веществе с плотностью воды. Их результаты были опубликованы в 1956 году. Фредерик Райнес был удостоин нобелевской премии в 1995 году за работы в области физики нейтрино.