Введение

    Нейтрино – это стабильная элементарная частица, относящаяся по своим статистическим свойствам к фермионам, т.е. частицам с полуцелым спином, и входящая в группу лептонов. Основные характеристики нейтрино перечислены в Таблице 1, а отношение нейтрино к различным типам взаимодействий – в Таблице 2.

Таблица 1. Основные общие характеристики нейтрино

Таблица 2. Отношение нейтрино к различным типам взаимодействий

    Нужно отметить, что для нейтрино, как и для всех лептонов, четность не указывается. Это связано с тем, что лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, которые, как известно, не сохраняют четность. А, следовательно, по отношению к этим взаимодействиям понятие внутренней четности не имеет смысла.
    Важной особенностью нейтрино является слабое взаимодействие с веществом. Сечение взаимодействия нейтрино в зависимости от его энергии лежит в пределах  от σ ≈ 10^-34 см²   до
σ ≈ 10^-43 см^2.. Поэтому пробег нейтрино низких энергий (порядка 1 МэВ) в твердой среде составляет ≈ 10¹⁵ км.
    Известно три типа или аромата нейтрино. Это электронные, мюонные и тау нейтрино. Различные типы нейтрино имеют разные лептонные заряды: L_e, L_μ, L_τ.  Для нейтрино справедлив закон сохранения лептонного заряда. Характеристики различных ароматов нейтрино представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики различных ароматов нейтрино

Поиск и открытие нейтрино

Предпосылки к открытию нейтрино

    Существование нейтрино было доказано только в середине ХХ века. Этому факту предшествовал целый ряд наблюдений, вопросов и открытий.
    В конце ХIХ века Анри Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана − самого тяжелого по тем временам элемента. Несколько позже стало ясно, что оно состоит из трех видов, разительно не похожих друг на друга и названных альфа-, бета- и гамма-лучами. Открытие нейтрино связано с бета-излучением.
    В начале ХХ века при изучении β-распада радиоактивных ядер появилась проблема - нарушение законов сохранения энергии, импульса и момента импульса.

    К этому времени было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказалась β⁻-частица Беккереля. Такой процесс получил название β-распада -  спонтанного превращения ядра (A,Z) в ядро-изобар (A,Z+1) в результате испускания электрона. Тогда еще структура ядра "не была" протонно-нейтронной (т.к. не был открыт нейтрон), и процесс β⁻-распада записывался так:

X₁ → X₂ + e⁻ ,
где X₁ – распадающееся ядро, X₂ – образовавшееся ядро.

Рис.1. Спектр электронов β−-распада

    В 1914, когда английский физик Джеймс Чедвик обнаружил, что энергии электронов, испускаемых при β⁻-распаде атомных ядер (в отличие от α-частиц и γ-квантов, испускаемых при других видах радиоактивных превращений), не строго определенные, а лежат в широком диапазоне значений. В большинстве случаев энергия была меньше той, какую они должны были теоретически иметь. Создавалось впечатление, что энергия куда-то исчезает, т.е. происходит нарушение закона сохранения энергии. В то время даже Нильс Бор готов был признать, что законы сохранения в микромире могут не выполняться. Он утверждал, что не существует «ни экспериментальных, ни теоретических» доказательств, которые бы подтверждали справедливость закона сохранения энергии при β⁻-распаде.

Рис. 2. Вольфганг Паули

    Таким образом, было выяснено, что при β-распаде электроны имеют непрерывный энергетический спектр в диапазоне от 0 до Q_β, где Q_β – энергия, выделяющаяся в реакции. А такое возможно только в случае образования 3-х частиц в процессе распада. Именно непрерывность спектра электронов, образующихся при распаде, и натолкнула Вольфганга Паули в 1930 году на предположение, что при β-распаде одновременно с электроном рождается какая-то частица с полуцелым спином и очень малой массой, которая и уносит недостающую часть энергии. В своем знаменитом письме к Тюбингемскому научному конгрессу он написал: «Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому что, если бы нейтрино существовало, оно было бы давно открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает. Поэтому мы должны серьезным образом обсуждать любой путь к спасению».

X₁ → X₂ + e⁻ + ?(ν)

    Незамеченной эта частица остается потому, что у нее очень малая масса покоя и нет электрического заряда и поэтому не участвует в кулоновских и сильных взаимодействиях, иными словами, не может производить те эффекты, по которым обычно регистрируют частицы. Именно эта частица могла уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить эту частицу экспериментально. Однако ее свойства, предсказанные Паули, делали обнаружение этой частицы чрезвычайно трудной задачей из-за ее слабого взаимодействия с веществом.
    Таким образом, на тот момент предполагалось 2 возможных решения проблемы бета-распада:

1. невыполнение закона сохранения энергии в единичном акте бета-распада,
2. выполнение закона сохранения энергии и испускание некой неизвестной частицы в бета-распаде -  нейтрино.

    Дальнейшая история нейтрино тесно связана с гипотезой о протонно-нейтринной структуре ядра и теорией β-распада.
    Сразу после открытия нейтрона в 1932 г. Дж. Чедвиком, Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10^-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~10¹⁴ г/см³. Новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали сильным взаимодействием. Однако данная модель не давала ответ на следующий вопрос: «Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер?»
    Ответ на этот вопрос был дан в 1934 г.  итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории β-распада. Ферми использовал гипотезу Паули в своей теории. Он предложил называть частицу, охарактеризованную Паули, "нейтрино", что буквально означает "нейтрончик", по аналогии с тяжелой нейтральной частицей – нейтроном. Паули предположил, что β-распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса β-распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия, которое было названо слабым. В своей теории Паули сформулировал основные свойства нейтрино в их современном виде. Он представил процесс ядерного β-распада как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, выполняются соответствующие законы сохранения) на три частицы – протон, электрон и нейтрино:

n → p + e⁻ + ν_e

Рис. 3. Схема β-распада нейтрона через испускание виртуального W⁻-бозона

    С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра β-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии β-электронов очень чувствительной к массе нейтрино. Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса нейтрино много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты β-распада, и её успех привёл физиков к признанию нейтрино.
    Как выяснилось позже, гипотеза Паули "спасла" не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике.
    После того как гипотеза о существовании нейтрино была сформулирована, физики попытались найти и другие доказательства его существования.

Поиск нейтрино

    Было предложено два варианта опытов для обнаружения нейтрино.  Первый - наблюдение обратного β-распада - впервые рассмотрен Х. Бете и Р. Пайерлсом в 1934. Обратным β-распадом называются реакции (существование которых следует из теории Ферми):

n + ν_e → p + e⁻,

происходящие как на свободных, так и на связанных в ядрах нуклонах. Оценка вероятности  поглощения нейтрино дала поразительный результат: в твёрдом веществе нейтрино 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 нейтрино - впервые рассмотрен
А. И. Лейпунским. Как известно, при превращениях частиц, как и при любых физических процессах, происходящих в какой-нибудь системе, сохраняется не только энергия, но и количество движения, или импульс.
    Первый такой опыт был проведен самим Лейпунским в 1936 г. Исследовались импульсы частиц, образующихся в реакции:

¹¹C → ¹¹B + e⁺ + ν_e

     Если протон, испытывающий бета-распад, неподвижен, то его импульс равен нулю. Значит, и суммарный импульс всех частиц - продуктов распада - также должен быть равен нулю. Если нейтрино не образуется, то импульсы ¹¹B и позитрона будут равны по модулю, а если образуется – то не равны. Так как в реакции получаются заряженные частицы, то измерить их импульсы не трудно. Опыт показал, что суммарный импульс позитрона и ядра отдачи при бета-распаде ядра ¹¹C не равен нулю. 

0 = (¹¹С) = (¹¹B) + (e⁺) ≠ 0

Это подтверждает гипотезу о существовании нейтрино: неизвестная частица уносит "исчезающий" импульс.
    В 1938 г. А.И. Алиханов и А.И. Алиханьян предложили использовать для данного эксперимента реакцию К-захвата в ⁷Be: ядро ⁷Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает нейтрино, превращаясь в ядро ⁷Li:

⁷Be + e⁻ → ⁷Li + ν_e

    При этом если нейтрино  существует, то ⁷Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу нейтрино.

0 = (⁷Li) + (_e)

    Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942 г.
    Таким образом, открытие нейтрино стало возможным благодаря уверенности исследователей в справедливости фундаментальных законов физики - законов сохранения энергии, импульса и момента количества движения.
    Но прямое обнаружение нейтрино на тот момент все равно представляло собой очень сложную задачу, не зря же Паули заключил пари на бутылку шампанского со своим приятелем, известным астрономом В. Бааде, утверждая, что "при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено".
    Подводя итоги, можно сказать, что нейтрино было "изобретено" теоретически, и что свойства этой "неуловимой" частицы были первоначально постулированы с целью оправдания ее "не наблюдаемости".

Открытие нейтрино

    Все вышеперечисленные доказательства показывали лишь образование нейтрино в точке распада. Т.е. они лишь доказывают выполнение законов сохранения при возможном существовании нейтрино. Для того, чтобы с полной уверенностью говорить о существовании нейтрино, необходимо было детектировать нейтрино в свободном состоянии – на некотором расстоянии от места его рождения. Такое экспериментальное подтверждение существования теоретически предсказанной частицы произошло лишь спустя 23 года после предположения Паули, когда Фредерику Райнесу (Frederick Reines) и Клайду Коэну (Clyde Cowan) удалось запечатлеть результаты взаимодействия нейтрино, используя ядерный реактор деления в качестве источника частиц, а хорошо экранированный сцинтилляционный детектор - в качестве детектора.
    В 1953 году ученые впервые попытались продемонстрировать существование нейтрино, до тех пор считавшейся чисто гипотетической частицей. Учитывая ее "призрачные" свойства, эксперимент был назван "Проект Полтергейст".
    Как уже было сказано, сложность этой задачи объяснялась колоссальной проникающей способностью, которая ожидалась для нейтрино.
    Рассчитаем максимальную толщину свинцовой плиты, сквозь которую сможет пролететь не взаимодействуя нейтрино с энергией 1 МэВ.
    Пусть пучок, содержащий N₀ нейтрино налетает на мишень с плотностью n ядер в 1 см³ и длиной вдоль направления пучка R см. Предположим, что N частиц из пучка испытают взаимодействие в мишени. Формулу для N легко получить:

N = N₀(1 − e^-nσR).

При значении nσL << 1 (а для взаимодействия нейтрино с веществом это всегда так, кроме вещества в сверхплотном состоянии, например нейтронных звезд) формула упрощается:

N = N₀nσR.

Отношение числа провзаимодействовавших частиц к числу падающих на мишень частиц есть вероятность взаимодействия:

 W = N/N₀ = nσR.

Возьмем 100% вероятность взаимодействия нейтрино – W = 1. Тогда пройденный частицей путь R будет равен:

R = (σ×n)^-1.

 Плотность свинца равна 11,35 г/см, молярная масса = 207 г/моль. Тогда

.

И соответственно R = (σ×n)^-1 = (0.33×10²³×10^-43)^-1 = 3×10²⁰ см ≈ 10¹⁵ км.

    Для того чтобы представить величину проникающей способности нейтрино вспомним, что расстояние от Земли до Солнца равно примерно 150 млн. км, т.е. 1,5х10⁸ км. Тогда мы получаем, что нейтрино могут беспрепятственно проникать сквозь чугунную плиту, толщина которой в
10¹⁵/10⁸ = 10⁷ в миллионы раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Для сравнения также можно привести еще одну величину - расстояние от Солнца до центра нашей Галактики − около 10¹⁶ км.
    Вооружившись формулой для вероятности, можно вычислить интенсивность пучка N₀, которая потребуется экспериментатору, чтобы поставить опыт по поимке хотя бы одного нейтрино. Для детектора длиной около 100 м получим N₀=10¹⁸ (при площади детектирования 1 см²) Необходимую интенсивность потока можно уменьшить, если увеличить площадь детектора и пучка до величины
10 м². Но и в этом случае потребуется нейтринный источник огромной силы − 10¹³. А ведь для надежного результата надо поймать хотя бы несколько сотен частиц.
    И все же эта, казалось бы, неразрешимая задача была решена. Понятно, что пропускать одно нейтрино сквозь астрономическую толщину вещества, чтобы оно с большой вероятностью прореагировало, нереально. Был реализован другой вариант - пропускать астрономическое число нейтрино через метровую толщину жидкого или твердого вещества. Такой эксперимент стал возможен благодаря использованию появившихся десятилетие назад ядерных реакторов (первый реактор был создан уже известным нам Энрико Ферми в 1942 г. в Чикаго, США).
    Как известно, ядерные реакторы – это устройства, имеющие огромное значение в науке и практике, в которых совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. И если справедлива гипотеза о существовании нейтрино, то в распадах таких ядер нейтроны должны испытывать превращения согласно схеме:

n → p + e⁻ + ν_e

То есть мощные реакторы должны быть интенсивными источниками антинейтрино. В качестве примера рассмотрим атомный реактор мощностью 300 тысяч киловатт. Каждую секунду такой реактор испускает около 5•10¹⁹  антинейтрино. Но даже при таком числе нейтрино задача все равно остается очень трудной. Можно рассмотреть такой пример: пусть решено зафиксировать нагрев вещества под действием нейтрино. Для того чтобы, половина энергии, переносимой этим потоком частиц, освобождалась в виде тепла, необходим поглотитель массой 10⁶⁰ тонн, что неизмеримо превышает массу Солнца.
    Зато регистрация отдельных событий, вызванных антинейтрино, возможна. Реакцией, позволяющей такую регистрацию, является обратный бета-распад. В частности, в своем эксперименте Райнес и Коэн решили использовать реакцию взаимодействия антинейтрино с протоном:

p +  ν_e → n + e⁺

Вероятность этого процесса можно было рассчитать, и, регистрируя продукты реакции в эксперименте, одновременно проверить гипотезу существования нейтрино.
    Выбор именно этой реакции Райнес объяснял ее простотой. Важным фактором было то, что в 1949 году была открыта и описана сцинтилляция в органических жидкостях  Л.Херфордом (Lieselott Herforth) и Х.Колманном (Hartmut Kallmann). И именно такой сцинтиллятор мог быть использован для построения большого детектора, который был необходим в данном эксперименте. Нужно отметить, что в то время большим считался детектор объемом порядка 1 л.
    Как уже было сказано, вторым необходимым для регистрации нейтрино компонентом был большой водородсодержащий детектор. Объем используемого в детектора был 300 л, которые просматривались 90 ФЭУ, разделенные на 2 группы по 45 ФЭУ каждая, для регистрации совпадающего сигнала. Возникающие в результате реакции с протонами позитроны регистрировались по аннигиляционным γ-квантам, образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени.

e⁺ + e⁻ → 2γ

    Детектирование осуществлялось с помощью сцинтиллятора - вещества, способного испускать вспышку света (сцинтилляцию), когда сквозь него проходит частица. В качестве протонной мишени использовался растворенный в сцинтилляторе пропионат кадмия C₃H₅CdO₂.
    В эксперименте предполагалось использовать реактор в Хэнфорде (Hanford) (Вашингтон, США). На расстоянии 10 метров от реактора ожидаемый поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр составлял примерно 10¹³ частиц в секунду. Такой поток антинейтрино, бомбардирующих тонну водородосодержащего вещества (источник протонов), по расчету должен вызывать примерно 100 реакций обратного бета-распада в час.
    О сложности выполненного эксперимента можно судить по следующим фактам. Всего было проведено 2 серии экспериментов. Расчетная интенсивность событий должна была составлять ~0,2 события\мин.  В первой серии нейтрино на ректоре в Хэнфорде не удалось обнаружить из-за высокого фона порядка 0,4± 0,2 события\мин, существующего при выключенном детекторе. Этот сигнал был вызван, как выяснилось впоследствии после проведения подземных испытании в лаборатории в Лос-Аламосе, космическими лучами.
    Для второй серии экспериментов был произведен ряд усовершенствований установки. В качестве водородосодержащего вещества - протонной мишени –использовались два бака по 200 л каждый, заполненные раствором хлористого кадмия в воде (CdCl₂+H₂O). Образующиеся в результате аннигиляции гамма-кванты вызывали световые вспышки в жидком сцинтилляторе, который представлял собой 3 емкости по 1200 л каждая, расположенных по обе стороны от двух протонных мишеней. Световые вспышки регистрировали 100 фотоумножителей.

Принципиальная схема установки показана на рисунке 4.

Рис.5. Схема детектора в опыте Райнеса и Коэна по регистрации антинейтрино. Обозначения на схеме:

1. — два жидких сцинтилляционных детектора (1400 л каждый) для регистрации антинейтрино;
2. — сцинтилляционный детектор (также 1400 л) для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1;
3. — две водяные мишени объемом 200 л каждая
4. — две группы фотоумножителей, включенные на совпадение;
5. — третья группа фотоумножителей, включенная на антисовпадения;
6. — электронная аппаратура;
7. — двулучевой осциллограф;
8. — свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

    Образующиеся в реакции нейтроны замедлялись в мишени до тепловых энергий и поглощались ядрами кадмия. Кадмий имеет большое сечение реакции (n,γ)  захвата тепловых нейтронов. Среднее время замедления нейтронов в водородосодержащей среде ~10 мкс. В результате захвата нейтронов изотопы кадмия образовывались в возбуждённом состоянии. Переход их в основное состояние сопровождался испусканием 3-5 гамма-квантов. Таким образом, идентификация антинейтрино производилась с помощью метода запаздывающих совпадений, регистрируя аннигиляционные гамма-кванты и образующиеся приблизительно через 10 мкс гамма-кванты из реакции радиационного захвата на ядрах кадмия.

n + Cd(A) → Cd(A+1)* → Cd(A+1) + (3-5)γ

Нужно отметить, что схема совпадений сыграла большую роль в детектировании нейтрино. Как уже было сказано, сечение взаимодействия нейтрино с веществом составляет σ ≈ 10^-43 см².  Расчеты, сделанные для данного опыта без учета схемы совпадений показывали, что он даст необходимую чувствительность лишь при сечении не менее  σ ≈ 10^-39 см², что на 4 порядка меньше. Именно из-за такого различия в эксперименте первоначально планировалось использовать ядерный взрыв в качестве источника нейтрино (Райнес до этого участвовал в создании ядерной бомбы). И лишь схема совпадений позволила значительно упростить схему эксперимента, используя реакторные нейтрино.
    Кроме того, для отсечения космических лучей использовался 3-й сцинтилляционный детектор, работающий по схеме антисовпадений – в случае попадания в него частицы извне происходило выключение установки на некоторое время.
    Т.об., во второй серии экспериментов, длившихся в течение 100 дней на атомном реакторе в Саванна-Ривер (Savannah River) (Южная Каролина, США), была улучшена техника детектирования за счет схемы антисовпадений, усилена защита детектора от фонового излучения – детектор находился в 12 м. под землей и в 11 м. от реактора. В результате была получена скорость счета 3.0 ± 0.2 события/час. Было зарегистрировано 567 событий, вызванных взаимодействием антинейтрино с протоном, при этом фон составлял около 200 событий.
    В процессе эксперимента ученые последовательно доказали следующее:

• регистрируются именно реакторные антинейтрино
• связанный с реактором сигнал согласовывается с теоретическими предсказаниями;
•  первый импульс сигнала совпадений обусловлен позитронной аннигиляцией;
•  второй импульс обусловлен захватом нейтрона;
• величина захвата нейтрино зависит от количества протонов в мишени;
• с помощью используемой схемы детектирования исключается регистрация частиц, отличных от нейтрино.

    В частности, для доказательства первого утверждения был измерен и сравнен счет при включенном и при выключенном реакторе.
    Для величины сечения реакции захвата антинейтрино протоном, зная указанную выше оценку потока нейтрино от реактора и высчитав чувствительность детектора при его калибровке радиоактивным источником, было получено значение:

σ ≈ 12⁺⁷_-4×10^-44 cм²

что находилось в хорошем согласии с предварительными теоретическими оценками:

σ ≈ (5±1)×10^-44 cм²

    Все эти факты позволили утверждать, что результатом опытов Райнеса и Коэна является доказательство взаимодействия антинейтрино с протоном, что приводит к образованию в конечном состоянии нейтрона и позитрона.
    Подготовка и выполнение этого уникального эксперимента потребовали более пяти лет. Годом открытия нейтрино считается 1956 г. Сложность и важность данного эксперимента подчеркивает то, что за участие в этих исследованиях и последующие эксперименты Фредерик Райнес был удостоен в 1995 году Нобелевской премии.