stringtranslate.com

Фредерик Рейнес

Фредерик Райнес ( / ˈ r aɪ n ə s / RY -nəs ; [1] 16 марта 1918 — 26 августа 1998) был американским физиком . Он был удостоен Нобелевской премии по физике 1995 года за совместное с Клайдом Коуэном обнаружение нейтрино в эксперименте с нейтрино . Он, возможно, единственный учёный в истории, «столь тесно связанный с открытием элементарной частицы и последующим тщательным исследованием её фундаментальных свойств». [2]

Выпускник Технологического института Стивенса и Нью-Йоркского университета , Рейнс присоединился к Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта в 1944 году, работая в теоретическом отделе в группе Ричарда Фейнмана . Он стал руководителем группы в 1946 году. Он участвовал в ряде ядерных испытаний , достигнув кульминации в том, что стал директором серии испытаний Operation Greenhouse в Тихом океане в 1951 году.

В начале 1950-х годов, работая в Ханфорде и Саванна-Ривер-Сайтс , Райнес и Коуэн разработали оборудование и процедуры, с помощью которых они впервые обнаружили предположительно необнаружимые нейтрино в июне 1956 года. Райнес посвятил большую часть своей карьеры изучению свойств и взаимодействий нейтрино, и эта работа повлияла на изучение нейтрино для многих будущих исследователей. Это включало обнаружение нейтрино, созданных в атмосфере космическими лучами , и обнаружение в 1987 году нейтрино, испущенных сверхновой SN1987A , что ознаменовало начало области нейтринной астрономии .

Ранний период жизни

Фредерик Рейнес родился в Патерсоне, штат Нью-Джерси , и был одним из четырёх детей Гасси (Коэна) и Израиля Рейнеса. Его родители были еврейскими эмигрантами из того же города в России, но встретились только в Нью-Йорке , где позже поженились. У него была старшая сестра Паула, которая стала врачом, и два старших брата, Дэвид и Уильям, которые стали юристами. Он сказал, что его «раннее образование было сильно под влиянием» его прилежных братьев и сестёр. Он был внучатым племянником раввина Ицхака Яакова Рейнеса , основателя Мизрахи , религиозного сионистского движения . [3]

Семья переехала в Хиллберн, штат Нью-Йорк , где его отец управлял универсальным магазином , и он провел большую часть своего детства. Он был бойскаутом-орлом . Оглядываясь назад, Рейнс сказал: «Мои ранние детские воспоминания сосредоточены вокруг этого типичного американского деревенского магазина и жизни в маленьком американском городке, включая празднование Дня независимости в июле, отмеченное фейерверками и патриотической музыкой, игравшей с эстрады павильона». [4]

Рейнес пел в хоре и как солист. Некоторое время он рассматривал возможность карьеры певца и обучался у преподавателя вокала из Метрополитен-опера, который давал уроки бесплатно, поскольку у семьи не было денег на них. [4] Позже семья переехала в Норт-Берген, Нью-Джерси , и поселилась на бульваре Кеннеди и 57-й улице. Поскольку в Норт-Бергене не было средней школы, [5] он посещал среднюю школу Union Hill в Юнион-Хилл, Нью-Джерси (сегодня Юнион-Сити, Нью-Джерси ), [4] [5] которую он окончил в 1935 году. [5]

С раннего возраста Рейнес проявлял интерес к науке, ему нравилось создавать и строить вещи. Позже он вспоминал, что:

Первые проблески интереса к науке, которые я помню, возникли во время скуки в религиозной школе, когда, глядя в окно в сумерках через руку, сложенную так, чтобы имитировать телескоп , я заметил нечто необычное в свете; это было явление дифракции . Так началось мое увлечение светом. [4]

По иронии судьбы, Рейнес преуспел в литературных и исторических курсах, но получил средние или низкие оценки по естественным наукам и математике на первом курсе средней школы, хотя он улучшил свои показатели в этих областях к третьему и последнему годам обучения благодаря поощрению учителя, который дал ему ключ от школьной лаборатории. Это привило ему любовь к науке к последнему году обучения. В ответ на вопрос, который задали выпускникам о том, что они хотели бы сделать для цитаты в ежегоднике, он ответил: «Быть ​​выдающимся физиком». [4]

Рейнес был принят в Массачусетский технологический институт , но вместо этого решил поступить в Технологический институт Стивенса в Хобокене, штат Нью-Джерси , где он получил степень бакалавра наук (BS) по машиностроению в 1939 году и степень магистра наук (MS) по математической физике в 1941 году, написав диссертацию на тему «Критический обзор теории оптической дифракции». [3] Он женился на Сильвии Сэмюэлс 30 августа 1940 года. [3] У них было двое детей, Роберт и Алиса. [4] Затем он поступил в Нью-Йоркский университет , где получил степень доктора философии (Ph.D.) в 1944 году. Он изучал космические лучи у Сержа А. Корффа , [4] но написал свою диссертацию под руководством Ричарда Д. Презента [3] на тему «Ядерное деление и жидкокапельная модель ядра». [6] Публикация диссертации была отложена до окончания Второй мировой войны ; он появился в Physical Review в 1946 году. [3] [7]

Лос-Аламосская лаборатория

Значок Фредерика Рейнса Лос-Аламоса
Операция «Теплица» – Убийство собак

В 1944 году Ричард Фейнман нанял Райнеса для работы в Теоретическом отделе в Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта , где он проработал следующие пятнадцать лет. [4] Он присоединился к группе Фейнмана T-4 (Проблемы диффузии), которая была частью T (Теоретического) отдела Ганса Бете . Диффузия была важным аспектом расчетов критической массы . [3] В июне 1946 года он стал руководителем группы, возглавив группу T-1 (Теория Дракона). Дракон, выросший из эксперимента « пощекотать хвост Дракона », был машиной, которая могла достигать критического состояния на короткие промежутки времени, что могло использоваться в качестве исследовательского инструмента или источника энергии. [8]

Рейнес участвовал в ряде ядерных испытаний и писал отчеты об их результатах. Они включали операцию Crossroads на атолле Бикини в 1946 году, операцию Sandstone на атолле Эниветок в 1948 году, а также операцию Ranger и операцию Buster–Jangle на испытательном полигоне в Неваде . В 1951 году он был директором серии ядерных испытаний Operation Greenhouse в Тихом океане. Это были первые американские испытания усиленного оружия деления , важный шаг к термоядерному оружию . Он изучал эффекты ядерных взрывов и был соавтором статьи с Джоном фон Нейманом о формировании стержня Маха, важном аспекте воздушной взрывной волны . [3] [4]

Несмотря на или, возможно, из-за своей роли в этих ядерных испытаниях, Рейнес был обеспокоен опасностями радиоактивного загрязнения от атмосферных ядерных испытаний и стал сторонником подземных ядерных испытаний . После кризиса со спутником он принял участие в проекте 137 Джона Арчибальда Уиллера , который превратился в JASON . Он также был делегатом на конференции «Атомы для мира» в Женеве в 1958 году. [3] [4]

Открытие нейтрино и внутреннего устройства звезд

Фотография Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса
Райнес и Клайд Коуэн

Нейтрино — это субатомная частица, впервые предложенная Вольфгангом Паули 4 декабря 1930 года. Частица была необходима для решения проблемы недостающей энергии в наблюдениях за бета-распадом , когда нейтрон распадается на протон и электрон . Новая гипотетическая частица была необходима для сохранения фундаментального закона сохранения энергии . Энрико Ферми переименовал ее в нейтрино , что по-итальянски означает «маленький нейтральный», [9] и в 1934 году предложил свою теорию бета-распада , согласно которой электроны, испускаемые ядром, создавались в результате распада нейтрона на протон, электрон и нейтрино: [10] [11]


н0
→
п+
+
е−
+
ν
е

Нейтрино объясняло недостающую энергию, но теория Ферми описывала частицу с небольшой массой и без электрического заряда, которую, казалось, невозможно было наблюдать напрямую. В статье 1934 года Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могут легко проходить сквозь Землю, и пришли к выводу, что «практически не существует возможного способа наблюдения нейтрино». [12]

Фредерик Райнс (крайний справа) с Клайдом Коуэном (крайний слева) и другими участниками проекта «Полтергейст»

В 1951 году Рейнес и его коллега Клайд Коуэн решили проверить, смогут ли они обнаружить нейтрино и таким образом доказать их существование. По завершении серии испытаний в Гринхаусе Рейнес получил разрешение от главы T Division, Дж. Карсона Марка , на отпуск в резиденции для изучения фундаментальной физики. «Так почему же мы хотели обнаружить свободное нейтрино?» — позже объяснил он. «Потому что все говорили, что вы не сможете этого сделать». [13]

Согласно теории Ферми, существовала также соответствующая обратная реакция, в которой нейтрино соединяется с протоном, образуя нейтрон и позитрон : [13]


ν
е+
п+
→
н0
+
е+

Позитрон вскоре должен был аннигилировать с электроном и произвести два гамма-луча с энергией 0,51 МэВ , в то время как нейтрон был бы захвачен протоном и испустил бы гамма-луч с энергией 2,2 МэВ. Это создало бы отличительную сигнатуру, которую можно было бы обнаружить. Затем они поняли, что, добавив соль кадмия в свой жидкий сцинтиллятор , они усилят реакцию захвата нейтронов, что приведет к всплеску гамма-лучей с общей энергией 9 МэВ. [14] В качестве источника нейтрино они предложили использовать атомную бомбу. Разрешение на это было получено от директора лаборатории Норриса Брэдбери . План состоял в том, чтобы взорвать «20-килотонную ядерную бомбу, сопоставимую с той, что была сброшена на Хиросиму, Япония». Детектор предлагалось сбросить в момент взрыва в яму в 40 метрах от места детонации, «чтобы поймать поток на максимуме»; он был назван «El Monstro». [15] Работа по рытью шахты для эксперимента началась, когда Дж. М. Б. Келлог убедил их использовать ядерный реактор вместо бомбы. Хотя это был менее интенсивный источник нейтрино, он имел преимущество в том, что позволял проводить несколько экспериментов в течение длительного периода времени. [3] [14] [15]

В 1953 году они предприняли свои первые попытки, используя один из больших реакторов на ядерном полигоне в Хэнфорде, в том, что сейчас известно как нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнеса ; они назвали эксперимент «Проект Полтергейст». [15] Их детектор включал 300 литров (66 имп галлонов; 79 галлонов США) сцинтилляционной жидкости и 90 фотоумножительных трубок, но усилия были сорваны фоновым шумом от космических лучей. При поддержке Джона А. Уиллера они попытались снова в 1955 году, на этот раз используя один из новых, больших реакторов мощностью 700 МВт на полигоне Саванна-Ривер , который испускал высокий поток нейтрино 1,2 x 10 12 / см 2 сек. У них также было удобное, хорошо экранированное место в 11 метрах (36 футов) от реактора и в 12 метрах (39 футов) под землей. [13] 14 июня 1956 года они смогли отправить Паули телеграмму, сообщающую об обнаружении нейтрино. [16] Когда Бете сообщили, что он оказался неправ, он сказал: «Ну, вы не должны верить всему, что читаете в газетах». [13]

Сверхновая SN1987A (яркий объект в центре), вид через космический телескоп Хаббл

С тех пор Рейнес посвятил большую часть своей карьеры изучению свойств и взаимодействий нейтрино, работа которых повлияла на изучение нейтрино для будущих исследователей. [17] Коуэн покинул Лос-Аламос в 1957 году, чтобы преподавать в Университете Джорджа Вашингтона , положив конец их сотрудничеству. [3] На основе своей работы по первому обнаружению нейтрино , Рейнес стал главой физического факультета Университета Кейс Вестерн Резерв с 1959 по 1966 год. В Кейсе он руководил группой, которая первой обнаружила нейтрино, созданные в атмосфере космическими лучами . [14] Рейнес обладал громким голосом и был певцом с детства. В это время, помимо выполнения своих обязанностей научного руководителя и председателя физического факультета, Рейнес пел в хоре Кливлендского оркестра под руководством Роберта Шоу в выступлениях с Джорджем Селлом и Кливлендским оркестром . [18]

В начале 1960-х годов Райнес построил детектор на золотом руднике Ист-Рэнд недалеко от Йоханнесбурга , Южная Африка. Место было выбрано из-за его глубины, 3,5 км; [15] 23 февраля 1965 года новый детектор зафиксировал свои первые атмосферные нейтрино. Райнес привез своих друзей, инженера Августа «Гаса» Хрушку из США, [19] они работали вместе с южноафриканским физиком Фриделем Селлшопом из Университета Витватерсранда . [3] Оборудование было изготовлено в Институте Кейса , а 20 тонн сцинтилляционной жидкости в 50 защитных резервуарах были перевезены из США. Решение работать в расистской стране с режимом апартеида было оспорено многими коллегами Райнеса, он сам сказал, что «наука вышла за рамки политики». [15] Лабораторную группу на руднике возглавляли аспиранты Райнеса, сначала Уильям Кропп, а затем Генри Собель. [19] Эксперимент проводился с 1963 года и был закрыт в 1971 году. Было зафиксировано 167 нейтринных событий. [3]

В 1966 году Рейнес взял с собой большую часть своей исследовательской группы по нейтрино, когда он уехал в новый Калифорнийский университет в Ирвайне (UCI), став его первым деканом физических наук. В UCI Рейнес расширил исследовательские интересы некоторых своих аспирантов в области разработки медицинских детекторов радиации , например, для измерения общего уровня радиации, доставляемого всему человеческому телу при лучевой терапии . [18]

Рейнес был готов к возможности измерения отдаленных событий взрыва сверхновой. Взрывы сверхновой редки, но Рейнес думал, что ему может повезти увидеть один из них в своей жизни и поймать нейтрино, исходящие от него, в своих специально разработанных детекторах. Во время ожидания взрыва сверхновой он поместил знаки на некоторые из своих больших детекторов нейтрино, назвав их «Системами раннего оповещения о сверхновых». [18] В 1987 году нейтрино, испущенные сверхновой SN1987A , были обнаружены коллаборацией Ирвин–Мичиган–Брукхейвен (IMB), которая использовала 8000-тонный черенковский детектор , расположенный в соляной шахте недалеко от Кливленда . [2] Обычно детекторы регистрировали только несколько фоновых событий каждый день. Сверхновая зарегистрировала 19 событий всего за десять секунд. [13] Это открытие считается началом области нейтринной астрономии . [2]

В 1995 году Рейнес был удостоен, вместе с Мартином Л. Перлом , Нобелевской премии по физике за его работу с Коуэном по первому обнаружению нейтрино. К сожалению, Коуэн умер в 1974 году, а Нобелевская премия не присуждается посмертно. [17] Рейнес также получил множество других наград, включая Мемориальную премию Дж. Роберта Оппенгеймера в 1981 году, [20] Национальную медаль науки в 1985 году, премию Бруно Росси в 1989 году, премию Майкельсона-Морли в 1990 году, премию Панофски в 1992 году и медаль Франклина в 1992 году. Он был избран членом Национальной академии наук в 1980 году и иностранным членом Российской академии наук в 1994 году. [3] Он оставался деканом физических наук в Калифорнийском университете в Ирвайне до 1974 года и стал почетным профессором в 1988 году, но он продолжал преподавать до 1991 года и оставался на факультете Калифорнийского университета в Ирвайне до своей смерти. [21]

Смерть

В здании Фредерика Рейнса Калифорнийского университета в Ирвайне размещаются кафедра физики и астрономии, а также часть кафедры химии.

Рейнес умер после продолжительной болезни в медицинском центре Калифорнийского университета в Ирвайне в Ориндже, Калифорния , [1] 26 августа 1998 года. [3] У него остались жена и дети. [1] Его статьи собраны в библиотеках Калифорнийского университета в Ирвайне. [22] Зал Фредерика Рейнеса, в котором размещается кафедра физики и астрономии Калифорнийского университета в Ирвайне, был назван в его честь. [23]

Публикации

Примечания

  1. ^ abc Wilford, John Noble (28 августа 1998 г.). «Фредерик Рейнес умер в возрасте 80 лет; нобелевский лауреат открыл нейтрино». The New York Times . Получено 18 февраля 2015 г.
  2. ^ abc Шульц, Джонас; Собель, Хэнк. "Фредерик Рейнес и нейтрино". Калифорнийский университет, Школа физических наук в Ирвайне . Архивировано из оригинала 20 февраля 2014 г.
  3. ^ abcdefghijklmn Кропп, Уильям; Шульц, Йонас; Собель, Генри (2009). Фредерик Рейнес 1918-1998 Биографические мемуары (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук . Получено 17 марта 2010 г. .
  4. ^ abcdefghij "Нобелевская премия по физике 1995 года". Нобелевский фонд . Получено 23 марта 2012 г.
  5. ^ abc Pope, Gennarose (25 марта 2012 г.). «Мост на проблемном бульваре Кеннеди». The Union City Reporter . стр. 12.
  6. ^ "Деление ядра и модель жидкой капли". Нью-Йоркский университет . Получено 18 февраля 2015 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  7. ↑ Present, RD; Reines, F.; Knipp, JK (октябрь 1946 г.). «Модель жидкой капли для ядерного деления». Physical Review . 70 (7–8): 557–558. Bibcode :1946PhRv...70..557P. doi :10.1103/PhysRev.70.557.2. hdl : 2027/mdp.39015086430553 . PMID  18880816.
  8. ↑ Труслоу и Смит 1961, стр. 56–59.
  9. ↑ Закрыть 2012, стр. 15–18.
  10. ^ Ферми, Э. (1968). "Теория бета-распада Ферми". American Journal of Physics . 36 (12). Уилсон, Фред Л. (перевод): 1150–1160. Bibcode : 1968AmJPh..36.1150W. doi : 10.1119/1.1974382 . Получено 20 января 2013 г.
  11. ↑ Закрыть 2012, стр. 22–25.
  12. ↑ Бете, Х.; Пайерлс, Р. (7 апреля 1934 г.). «Нейтрино». Nature . 133 (3362): 532. Bibcode :1934Natur.133..532B. doi : 10.1038/133532a0 . ISSN  0028-0836. S2CID  4001646.
  13. ^ abcde Reines, Frederick (8 декабря 1995 г.). "Нейтрино: от полтергейста до частицы" (PDF) . Nobel Foundation . Получено 12 августа 2024 г. . Нобелевская премия лекция
  14. ^ abc Lubkin, Gloria B. (1995). "Нобелевская премия по физике присуждена Фредерику Райнесу за обнаружение нейтрино" (PDF) . Physics Today . 48 (12): 17–19. Bibcode :1995PhT....48l..17L. doi :10.1063/1.2808286. ISSN  0031-9228. Архивировано из оригинала (PDF) 17 декабря 2008 г.
  15. ^ abcde Эбботт, Элисон (17 мая 2021 г.). «Поющий нейтрино — лауреат Нобелевской премии, который чуть не разбомбил Неваду». Nature . 593 (7859): 334–335. Bibcode :2021Natur.593..334A. doi : 10.1038/d41586-021-01318-y .
  16. ↑ Закрыть 2012, стр. 37–41.
  17. ^ ab Close 2012, стр. 42.
  18. ^ abc "In Memoriam, 1998. Frederick Reines, Physics; Radiological Sciences: Irvine". Калифорнийский университет . Получено 19 февраля 2015 г.
  19. ^ ab Cole, Leonard A (март 2021 г.). В погоне за призраком: нобелевский лауреат Фред Райнес и нейтрино. стр. 3–13. doi :10.1142/9789811231063_0001. ISBN 978-981-12-3105-6.
  20. ^ "Фредерик Райнес выигрывает премию Оппенгеймера". Physics Today . 34 (5): 94. Май 1981. Bibcode : 1981PhT....34R..94.. doi : 10.1063/1.2914589.
  21. ^ "Кончина Фредерика Рейнеса, лауреата Нобелевской премии по физике в 1995 году". Калифорнийский университет в Ирвайне . Архивировано из оригинала 2 ноября 2013 года.
  22. ^ "Guide to the Frederick Reines Papers" . Получено 18 февраля 2015 г. – через California Digital Library .
  23. ^ Бенджамин, Мариса. "Зал Фредерика Рейнеса в Калифорнийском университете в Ирвайне". About.com. Архивировано из оригинала 19 февраля 2015 г. Получено 18 февраля 2015 г.

Смотрите также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Фредерик Райнес .