Фредерик Рейнс ( / ˈ r aɪ n ə s / RY -nəs ; [1] 16 марта 1918 — 26 августа 1998) — американский физик . Он был удостоен Нобелевской премии по физике 1995 года за совместное с Клайдом Коуэном открытие нейтрино в нейтринном эксперименте . Возможно, он единственный ученый в истории, «так тесно связанный с открытием элементарной частицы и последующим тщательным исследованием ее фундаментальных свойств». [2]
Выпускник Технологического института Стивенса и Нью-Йоркского университета , Райнс присоединился к Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта в 1944 году, работая в теоретическом отделе группы Ричарда Фейнмана . Он стал там лидером группы в 1946 году. Он участвовал в ряде ядерных испытаний , кульминацией которых стало то, что он стал директором серии испытаний Operation Greenhouse в Тихом океане в 1951 году.
В начале 1950-х годов, работая в Хэнфорде и Саванне-Ривер , Райнс и Коуэн разработали оборудование и методы, с помощью которых они впервые обнаружили предположительно необнаружимые нейтрино в июне 1956 года. Райнс посвятил большую часть своей карьеры изучению свойств нейтрино и их изучению. взаимодействия, работа которых повлияет на изучение нейтрино многими будущими исследователями. Это включало обнаружение нейтрино, созданных в атмосфере космическими лучами , а также обнаружение в 1987 году нейтрино, испускаемых сверхновой SN1987A , что положило начало области нейтринной астрономии .
Фредерик Рейнс родился в Патерсоне, штат Нью-Джерси , и был одним из четырех детей Гасси (Коэна) и Исраэля Рейнса. Его родители были еврейскими эмигрантами из одного города в России, но познакомились 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 на его «раннее образование сильно повлияли» его прилежные братья и сестры. Он был внучатым племянником раввина Ицхака Яакова Рейнса , 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 орлиным скаутом . Оглядываясь назад, Райнс сказал: «Мои воспоминания раннего детства сосредоточены вокруг этого типичного американского деревенского магазина и жизни в маленьком американском городке, включая июльские празднования Дня независимости, отмеченные фейерверками и патриотической музыкой, играемой с эстрады в павильоне». [4]
Райнес пел как в хоре, так и как солист. Какое-то время он рассматривал возможность певческой карьеры, и его обучал преподаватель вокала из Метрополитен-опера , который давал уроки бесплатно, поскольку у семьи не было на них денег. [4] Позже семья переехала в Северный Берген, штат Нью-Джерси , и поселилась на бульваре Кеннеди и 57-й улице. Поскольку в Северном Бергене не было средней школы, [5] он посещал среднюю школу Юнион-Хилл в Юнион-Хилл, штат Нью-Джерси (сегодня Юнион-Сити, Нью-Джерси ), [4] [5] которую окончил в 1935 году. [5]
С раннего возраста Рейнс проявлял интерес к науке и любил создавать и строить вещи. Позже он вспоминал это:
Первые всплески интереса к науке, которые я помню, произошли в момент скуки в религиозной школе, когда, глядя в сумерки из окна через руку, согнутую, чтобы имитировать телескоп , я заметил что-то особенное в свете; это было явление дифракции . Так началось для меня увлечение светом. [4]
По иронии судьбы, Райнес преуспел в курсах литературы и истории, но получил средние или низкие оценки по естествознанию и математике на первом году обучения в средней школе, хотя к младшим и старшим классам он улучшил свои навыки в этих областях благодаря поддержке учителя, который поставил ему оценку. ключ от школьной лаборатории. К старшему году обучения это воспитало в нем любовь к науке. В ответ на вопрос, который был задан пожилым людям о том, чем бы они хотели заниматься, чтобы получить цитату из ежегодника, он ответил: «Быть выдающимися физиками». [4]
Райнс 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) в области машиностроения в 1939 году и степень магистра наук (MS). получил степень 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 в 1944 году получил степень доктора философии (Ph.D.). Он изучал там космические лучи под руководством Сержа А. Корфа , [4] но написал свою диссертацию под руководством Ричарда Д. Презентация [3] на тему «Деление ядра и жидкокапельная модель ядра». [6] Публикация диссертации была отложена до окончания Второй мировой войны ; оно появилось в Physical Review в 1946 году. [3] [7]
В 1944 году Ричард Фейнман нанял Рейнса для работы в теоретическом отделе Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта , где он оставался в течение следующих пятнадцати лет. [4] Он присоединился к группе Фейнмана Т-4 (проблемы диффузии), которая была частью отдела Т (теоретического) Ганса Бете . Диффузия была важным аспектом расчетов критической массы . [3] В июне 1946 года он стал лидером группы, возглавив группу Т-1 (Теория Дракона). Являясь результатом эксперимента по « щекотке хвоста Дракона », Дракон представлял собой машину, которая могла достигать критического состояния за короткие промежутки времени и которую можно было использовать в качестве исследовательского инструмента или источника энергии. [8]
Рейнс участвовал в ряде ядерных испытаний и писал отчеты об их результатах. В их число входили операция «Перекресток» на атолле Бикини в 1946 году, операция «Песчаник» на атолле Эниветок в 1948 году, а также операция «Рейнджер» и операция «Бастер-Джангл» на полигоне в Неваде . В 1951 году он был руководителем серии ядерных испытаний Operation Greenhouse в Тихом океане. Это стало свидетелем первых американских испытаний форсированного оружия деления , что стало важным шагом на пути к термоядерному оружию . Он изучал последствия ядерных взрывов и вместе с Джоном фон Нейманом стал соавтором статьи о формировании ствола Маха, важном аспекте воздушной ударной волны . [3] [4]
Несмотря на свою роль в этих ядерных испытаниях, а может быть, благодаря этому, Райнс был обеспокоен опасностью радиоактивного загрязнения в результате ядерных испытаний в атмосфере и стал сторонником подземных ядерных испытаний . После кризиса со спутником он участвовал в проекте Джона Арчибальда Уиллера 137, который превратился в ДЖЕЙСОНА . Он также был делегатом конференции «Атом для мира» в Женеве в 1958 году. [3] [4]
Нейтрино — субатомная частица, впервые предложенная Вольфгангом Паули 4 декабря 1930 года. Частица была необходима для решения проблемы недостающей энергии при наблюдениях за бета-распадом , когда нейтрон распадается на протон и электрон . Новой гипотетической частице требовалось сохранить фундаментальный закон сохранения энергии . Энрико Ферми переименовал его в нейтрино , что по-итальянски означает «маленький нейтральный», [9] и в 1934 году предложил свою теорию бета-распада , согласно которой электроны, вылетающие из ядра, рождаются в результате распада нейтрона на протон, электрон. , и нейтрино: [10] [11]
Нейтрино объясняло недостающую энергию, но теория Ферми описывала частицу с небольшой массой и без электрического заряда, которую, казалось, невозможно наблюдать напрямую. В статье 1934 года Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могут легко проходить через Землю, и пришли к выводу, что «практически невозможного способа наблюдения нейтрино не существует». [12]
В 1951 году Райнс и его коллега Клайд Коуэн решили посмотреть, смогут ли они обнаружить нейтрино и таким образом доказать их существование. По завершении серии испытаний в теплице Райнс получил разрешение от главы Т-отдела Дж. Карсона Марка на отпуск по месту жительства для изучения фундаментальной физики. «Так почему же мы хотели обнаружить свободное нейтрино?» Позже он объяснил: «Потому что все говорили, что ты не сможешь этого сделать». [13]
Согласно теории Ферми, существовала и соответствующая обратная реакция, при которой нейтрино соединяется с протоном, образуя нейтрон и позитрон : [13]
Позитрон вскоре будет аннигилирован электроном и создаст два гамма-луча с энергией 0,51 МэВ , а нейтрон будет захвачен протоном и выпустит гамма-луч с энергией 2,2 МэВ. Это создаст отличительную подпись, которую можно будет обнаружить. Затем они поняли, что, добавив соль кадмия в свой жидкий сцинтиллятор, они усилят реакцию захвата нейтронов, что приведет к вспышке 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 «ядерную бомбу мощностью 20 килотонн, сравнимую с той, что была сброшена на Хиросиму, Япония». Детектор предлагалось сбрасывать в момент взрыва в яму в 40 метрах от места взрыва, «чтобы уловить максимальный поток»; его назвали «Эль Монстро». [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 то преимущество, что позволял проводить несколько экспериментов в течение длительного периода времени. [3] [14] [15]
В 1953 году они предприняли свои первые попытки использовать один из больших реакторов на ядерной площадке в Хэнфорде в ходе так называемого нейтринного эксперимента Коуэна-Рейнса ; 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 повторили попытку в 1955 году, на этот раз используя один из новых, более крупных реакторов мощностью 700 МВт на площадке 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 им удалось отправить Паули телеграмму, в которой сообщалось, что нейтрино обнаружено. [16] Когда Бете сообщили, что он был неправ, он сказал: «Ну, вы не должны верить всему, что читаете в газетах». [13]
С тех пор Райнес посвятил большую часть своей карьеры изучению свойств и взаимодействий нейтрино, и эта работа повлияет на изучение нейтрино для будущих исследователей. [17] Коуэн покинул Лос-Аламос в 1957 году, чтобы преподавать в Университете Джорджа Вашингтона , прекратив их сотрудничество. [3] На основании своей работы по первому обнаружению нейтрино Райнс стал главой физического факультета Университета Кейс Вестерн Резерв с 1959 по 1966 год. В Кейсе он возглавлял группу, которая первой обнаружила нейтрино, созданные в атмосферу космическими лучами . [14] У Райнеса был громкий голос, и он был певцом с детства. В это время, помимо выполнения своих обязанностей научного руководителя и председателя физического факультета, Райнс пел в хоре Кливлендского оркестра под руководством Роберта Шоу в выступлениях с Джорджем Селлом и Кливлендским оркестром . [18]
В начале 1960-х годов Рейнс 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 первые атмосферные нейтрино. Рейнс привез своих друзей, инженера Августа «Гаса» Грушку из США, [19] они работали вместе с южноафриканским физиком Фриделем Селлшопом из Университета Витватерсранда . [3] Оборудование было изготовлено в Институте Кейса , а из США было перевезено 20 тонн сцинтилляционной жидкости в 50 защитных резервуарах. Решение работать в расистской стране апартеида было оспорено многими коллегами Рейнса, сам он заявил, что «наука выходит за рамки политики». [15] Лабораторную группу на руднике возглавляли аспиранты Рейнса, сначала Уильям Кропп, а затем Генри Собел. [19] Эксперимент проводился с 1963 года и был закрыт в 1971 году, в результате было зарегистрировано 167 нейтринных событий. [3]
В 1966 году Райнс взял с собой большую часть своей группы по исследованию нейтрино, когда уехал в новый Калифорнийский университет в Ирвайне (UCI), став его первым деканом факультета физических наук. В UCI Райнс расширил исследовательские интересы некоторых своих аспирантов на разработку медицинских детекторов радиации , например, для измерения общего излучения, доставляемого всему человеческому телу при лучевой терапии . [18]
Райнс подготовился к возможности измерения отдаленных событий взрыва сверхновой. Взрывы сверхновых редки, но Райнс подумал, что ему, возможно, посчастливится увидеть одну из них при жизни и поймать потоки нейтрино в своих специально разработанных детекторах. Ожидая взрыва сверхновой, он поместил таблички на некоторые из своих больших детекторов нейтрино, назвав их «Системами раннего предупреждения о сверхновых». [18] В 1987 году нейтрино, испускаемые сверхновой SN1987A, были обнаружены коллаборацией Ирвин-Мичиган-Брукхейвен (IMB), которая использовала черенковский детектор массой 8000 тонн , расположенный в соляной шахте недалеко от Кливленда . [2] Обычно детекторы регистрировали лишь несколько фоновых событий каждый день. Сверхновая зарегистрировала 19 событий всего за десять секунд. [13] Это открытие считается открытием области нейтринной астрономии . [2]
В 1995 году Райнес вместе с Мартином Л. Перлом был удостоен Нобелевской премии по физике за работу с Коуэном по первому обнаружению нейтрино. К сожалению, Коуэн умер в 1974 году, и Нобелевская премия не присуждается посмертно. [17] Райнс также получил множество других наград, в том числе Премию памяти 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 медалью 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 UCI до 1974 года. и стал почетным профессором в 1988 году, но продолжал преподавать до 1991 года и оставался на факультете UCI до своей смерти. [21]
Рейнс умер после продолжительной болезни в Медицинском центре Ирвайна Калифорнийского университета в Ориндже, штат Калифорния , [1] 26 августа 1998 года. [3] У него остались жена и дети. [1] Его статьи собраны в библиотеках UCI. [22] Фредерик Рейнс Холл, в котором находится факультет физики и астрономии Калифорнийского университета в Ирвайне, был назван в его честь. [23]
Нобелевская лекция
Первоначально опубликовано как Отчет Лос-Аламоса LAMS-2532.
