История открытия нейтрино

Радиоактивный распад ядер до 1930 года: A1 → A2 + e. После 1930 года: A1 → A2 + e + ν.

Гипотеза В. Паули

    Существование нейтрино как элементарной частицы с очень малой массой, спином 1/2 и электрическим зарядом, равным нулю, было предложено немецким физиком Вольфгангом Паули в 1930 году для объяснения энергетического спектра электронов при радиоактивных β-распадах ядер. Согласно Паули, энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде, уносится электроном или позитроном (e⁺) и нейтрино (ν) или антинейтрино ():

A₁ → A₂ + e + ν.

Первая теория распада (Ферми 1934 год)

    Первая теория, использующая гипотезу Паули о нейтрино, была создана итальянским физиком Энрико Ферми в 1934 году, практически сразу после открытия нейтрона Джеймсом Чадвиком. Ферми принадлежит сам термин "нейтрино" - в переводе с итальянского маленький нейтрон, "нейтрончик". В теории Ферми вводится новое короткодействующее (радиус взаимодействия много меньше размеров ядра) взаимодействие, названное впоследствии слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие вызывает превращение нейтрона в протон (или протона в нейтрон, что возможно для протонов внутри ядра) с одновременным рождением электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино). Интенсивность слабого взаимодействия определяется размерной константой G_F (константа Ферми). Размерность G_F – эрг⁻². Значение G_F равно: 10⁻⁵/m²_p, где m_p – масса протона.
    Зная константу взаимодействия G_F, можно легко оценить сечение* реакции взаимодействия нейтрино с веществом + p → e⁺ + n. Ответ легко получить из соображения размерности: .
Для энергии 1 МэВ величина сечения оказывается очень малой – около 10^-43 см². При таком сечении взаимодействия пробег нейтрино в веществе оказывается равным 10²⁰ см.

L = 1/nσ ≈ 10²⁰ см

Эта величина в 10¹¹ раз больше радиуса Земли. Теперь понятно почему такое взаимодействие назвали слабым.

Открытие нейтрино ( Коэн, Райнес 1956)

    Впервые взаимодействие нейтрино с веществом удалось зарегистрировать Ф.Райнесу и К.Коэну в 1956 году (Cowan and Reines, 1956). Источником нейтрино (точнее антинейтрино) в этом эксперименте был ядерный реактор – самый мощный источник нейтрино на Земле. Использовалась реакция обратного β-распада, в результате которой рождается позитрон и нейтрон.
    Установка состояла из двух полиэтиленовых баков с водой, объемом по 200 л. В воду добавлялась соль кадмия для увеличения эффективности захвата нейтрона. Гамма-кванты, образуемые при аннигиляции позитрона и после захвата нейтрона регистрировались в резервуарах, наполненных жидким сцинтиллятором**. Установка была окружена защитой из парафина и свинца.

Основная идея эксперимента

   Рассмотрим еще раз идею эксперимента. При взаимодействии антинейтрино с протоном рождаются позитрон и нейтрон. Позитрон очень быстро (менее чем за
1 нс) аннигилирует с электроном. При этом образуются два гамма-кванта с энергией по 0.5 МэВ, которые разлетаются в противоположные направления и попадают в резервуары со сцинтиллятором. В сцинтилляторе гамма-кванты теряют свою энергию на выбивание электронов из атомов (эффект Комптона***). Выбитые электроны вызывают вспышку света в сцинтилляторе. Родившийся мюон сравнительно долго “блуждает” в водном баке (до 10 мкс), замедлялся и захватывался ядром кадмия. При этом рождаются 3 гамма-кванта, которые также регистрируются сцинтиллятором.
    Таким образом, признаком реакции обратного β-распада является определенная временная последовательность событий – 2 гамма-кванта от аннигиляции и задержанный сигнал от захвата нейтрона. Это позволило выделить искомые события от фоновых.

Результаты эксперимента

   Суммарные сигналы с ФЭУ, просматривающие резервуары со сцинтиллятором, подавались на 3-х лучевой осциллограф. На слайде показана временная развертка первого события от нейтрино. За 200 часов работы было зарегистрировано около 500 событий. Сечение взаимодействие нейтрино оказалось в хорошем согласии с предсказанием теории Ферми:
σ ≈ 10^-42 cm², E_ν ≈ 3 МэВ

    Согласно современной классификации (Окунь, 1990) нейтрино является лептоном (лептоны – частицы, не участвующие в сильном взаимодействии). Существуют три заряженных лептона (электрон (e), мюон (μ), тау (τ) ) и три нейтральных (электронное нейтрино (ν_e), мюонное нейтрино (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ)). Переносчиками слабого взаимодействия между лептонами и кварками являются тяжелые заряженные (W) и нейтральные (Z) бозоны. Массы W и Z бозонов ~80 ГэВ и, соответственно, радиус слабого взаимодействия (~1/M_W) ~10^-16 см. Реакции, в которых налетающий лептон меняет знак (происходит обмен W бозоном), называются реакциями под действием заряженного тока (CC), а реакции, в которых лептон не меняет знак (происходит обмен Z бозоном), называются реакциями под действием нейтрального тока (NC). Упругое рассеяние (ES) электронного нейтрино на электроне может протекать как под действием заряженного тока, так и нейтрального тока, а мюонного нейтрино – только под действием нейтрального тока.
    Нейтрино разного типа ν_e, ν_μ и ν_τ являются разными частицами. Так, например, при взаимодействии ν_μ с веществом будут рождаться мюоны, а не электроны и тау-лептоны. Такой характер слабого взаимодействия (сохранение электронного, мюонного и таонного лептонных чисел) был подтвержден в многочисленных экспериментах и заложен в структуру современной стандартной модели (СМ) элементарных частиц.
При высоких энергиях (>1 ГэВ) основной вклад в полное сечение взаимодействия нейтрино с веществом вносят глубоконеупругие столкновения, сопровождающиеся рождением адронов:

где X – совокупность адронов в конечном состоянии. При взаимодействии адронов с веществом происходит развитие адронного каскада. Сечение реакции (1) растет линейно с ростом энергии нейтрино вплоть до примерно 10¹³ эВ, достигая величины ~10^–34см². При дальнейшем увеличении энергии линейный рост сечения сменяется на логарифмический.
    Сравнительно недавно было открыто явление осцилляций нейтрино, т.е. превращение нейтрино одного типа в другое (ν_e в ν_μ). Это открытие, во-первых, явилось первым выходом за границу СМ, а, во-вторых, с неизбежностью доказывает, что у нейтрино есть масса. Причина осцилляций в том, что нейтрино определенного типа (ν_e, ν_μ) рождаются как смесь состояний (ν₁ и ν₂) c определенными и неравными массами ( m₁ и m₂):

где параметр θ называется углом смешивания.
    Вероятность, что нейтрино с энергией E, образовавшееся как ν_e, будет после прохождения расстояния x находиться в состоянии ν_μ равна:

(3)

Вероятность P(ν_e→ ν_μ) изменяется по периодическому закону с расстоянием, периодичность характеризуется "длиной осцилляций" L_осц :

Lосц(км) = 2π·2E/Δm2 = 2.5(ГэВ)/Δm2(ГэВ)

(4)

    Если угол θ = π/4 (полное смешивание), то на определенных расстояниях вероятность перехода становится равной единице. При наличие трех типов нейтрино и трех массовых состояний матрица смешивания содержит три угла смешивания θ₁₂, θ₁₃, θ₂₃ и еще три параметра, значения и смысл которых нам в дальнейшим не понадобятся. В силу того, что θ₁₂ и θ₂₃ >> θ₁₃ и можно независимо рассматривать осцилляции между
двумя состояниями и использовать выражение (3) для вероятности перехода.
    Впервые гипотеза о существовании осцилляций нейтрино была высказана Б.Понтекорво в конце 50-х годов. Он же в начале 70-х годов предложил осцилляции нейтрино как возможное объяснение дефицита солнечных нейтрино в эксперименте Р.Дэвиса (Б.Понтекорво, 1967). Действительно, если часть электронных нейтрино на пути от Солнца к Земле перейдет в мюонные нейтрино, то число событий в эксперименте будет меньше, т.к. в эксперименте Дэвиса возможна регистрация только электронных нейтрино.
    Существенное дополнение в теорию осцилляций, связанное с влиянием вещества, было внесено в работах С.Михеева, А.Смирнова и Л.Волфенштейна (МСВ -эффект) (Wolfenstein, 1978; Михеев и Смирнов, 1985, 1986, 1987). В основе МСВ-эффекта лежит различие во взаимодействии с веществом нейтрино разных типов. В то время как взаимодействие электронов вещества за счет слабых нейтральных токов одинаково для всех типов нейтрино, только электронные нейтрино могут взаимодействовать с электронами также за счет заряженных токов.
Собственные функции в веществе (ν_1m и ν_2m) и угол смешивания (θ_m) зависят от плотности электронов и отличаются от собственных функций и угла смешивания в вакууме (ν₁, ν₂, θ):

    При осцилляции в веществе в теории появляется еще один параметр размерности длины – длина рефракции:

 n_e – плотность электронов, а ρ – плотность вещества.
    Введем параметр x равный отношению L_ocц к. L₀ Легко видеть, что x ~ E_ν·n_e. При x>>1 (высокая плотность или высокая энергия) θ → π/2. При x = cos2θ (резонансная плотность или энергия) смешивание максимально – θ = π/4. Наконец, при x → 0, θ_m → θ. При медленном (на длине L₀) изменении плотности (адиабатическое приближение) не происходит переходов между состояниями ν_1m и ν_2m.Так электронное нейтрино, родившись в центре Солнца в состоянии ν_2m (θ_m = π/2), остается в состоянии ν₂ на выходе из Солнца. Вероятность, что нейтрино при этом будет в состоянии ν_e равна sin²θ.

Современные представления о свойствах нейтрино и слабых взаимодействий

1. Существуют три типа (аромата) нейтрино – электронное (ν_e), мюонное (ν_μ) и таонное (ν_τ).
2. Масса мала (< 1эВ), но существует.
3. Время жизни: > 10¹⁰ сек × m_ν (возможно бесконечное), m_ν – масса в эВ.
4. Электрический заряд меньше 10^-17e, возможно равен нулю.
5. Спин – 1/2 . Cпин нейтрино направлен против направления движения, cпин антинейтрино направлен по направлению движения.
6. Нейтрино разных ароматов могут переходить друг в друга – осцилляция нейтрино.
7. Магнитный момент нейтрино меньше 10^-12 магнитного момента электрона, но по-видимому, не равен нулю. Возможна прецессия в сильных магнитных полях.

* Сечение – величина с размерностью площади, характеризующая интенсивность взаимодействия между частицами. Число событий в мишени получается по следующей формуле:

Число событий = поток × время  × число нуклонов в мишени × сечение

** Сцинтиллятор – вещество, используемое для регистрации заряженных частиц. При прохождении заряженных частиц через сцинтиллятор часть энергии, теряемой частицей на ионизацию, достаточно эффективно преобразуется в свет, который можно зарегистрировать фотоумножителями.

*** Эффект Комптона – рассеяние гамма-кванта на электроне с передачей части энергии электрону.