stringtranslate.com

Нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнса

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

Эксперимент Коуэна –Рейнса с нейтрино был проведен физиками Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом в 1956 году. Эксперимент подтвердил существование нейтрино . Нейтрино, субатомные частицы без электрического заряда и с очень малой массой, были выдвинуты в качестве существенной частицы в процессах бета-распада в 1930-х годах. Не имея ни массы, ни заряда, такие частицы, казалось, невозможно было обнаружить. В эксперименте использовался огромный поток (тогда еще гипотетических) электронных антинейтрино, исходящих из близлежащего ядерного реактора и детектора, состоящего из больших резервуаров с водой. Были обнаружены взаимодействия нейтрино с протонами воды, что впервые подтвердило существование и основные свойства этой частицы.

Фон

В 1910-х и 1920-х годах наблюдения за электронами в ходе ядерного бета-распада показали, что их энергия имеет непрерывное распределение. Если бы в процессе участвовали только атомное ядро ​​и электрон, энергия электрона имела бы один узкий пик, а не непрерывный энергетический спектр. Наблюдался только результирующий электрон, поэтому его меняющаяся энергия предполагала, что энергия может не сохраняться. [1] Эта дилемма и другие факторы привели Вольфганга Паули к попытке решить проблему, постулировав существование нейтрино в 1930 году. Если бы фундаментальный принцип сохранения энергии сохранялся, бета-распад должен был быть трехчастичным, а не двухчастичным распадом. Поэтому Паули предположил, что в дополнение к электрону при бета-распаде из атомного ядра испускается еще одна частица. Эта частица, нейтрино, имела очень малую массу и не имела электрического заряда; ее не наблюдали, но она переносила недостающую энергию.

Предположение Паули было развито в предлагаемую теорию бета-распада Энрико Ферми в 1933 году. [2] [3] Теория постулирует, что процесс бета-распада состоит из четырех фермионов , непосредственно взаимодействующих друг с другом. В результате этого взаимодействия нейтрон распадается непосредственно на электрон , предполагаемое нейтрино (позже определено, что это антинейтрино ) и протон . [4] Теория, которая оказалась на удивление успешной, опиралась на существование гипотетического нейтрино. Ферми сначала представил свою «предварительную» теорию бета-распада в журнал Nature , который отклонил ее, «потому что она содержала предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя. [5] »

Одной из проблем с гипотезой нейтрино и теорией Ферми было то, что нейтрино, по-видимому, взаимодействовало с другой материей настолько слабо, что его никогда не наблюдали. В статье 1934 года Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могли бы легко проходить сквозь Землю без взаимодействия с какой-либо материей. [6] [7]

Потенциал для эксперимента

При обратном бета-распаде предсказанное нейтрино, точнее электронное антинейтрино ( ), должно взаимодействовать с протоном (
п
) для получения нейтрона (
н
) и позитрон ( ),

Вероятность возникновения этой реакции была мала. Вероятность возникновения любой данной реакции пропорциональна ее сечению . Коуэн и Рейнес предсказали, что сечение реакции будет около6 × 10−44  см 2. Обычной единицей поперечного сечения в ядерной физике является барн , который равен1 × 10−24 см2  и на 20 порядков больше.

Несмотря на низкую вероятность взаимодействия нейтрино, сигнатуры взаимодействия уникальны, что делает возможным обнаружение редких взаимодействий. Позитрон , антиматерия, аналог электрона , быстро взаимодействует с любым близлежащим электроном , и они аннигилируют друг с другом. Два результирующих совпадающих гамма-луча (
γ
) обнаруживаются. Нейтрон может быть обнаружен путем его захвата соответствующим ядром, что приводит к выделению третьего гамма-луча. Совпадение событий аннигиляции позитрона и захвата нейтрона дает уникальную сигнатуру взаимодействия антинейтрино.

Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода , и большинство атомов водорода воды имеют один протон для ядра. Эти протоны могут служить мишенями для антинейтрино, так что простая вода может служить первичным детектирующим материалом. Атомы водорода настолько слабо связаны в воде, что их можно рассматривать как свободные протоны для взаимодействия нейтрино. Механизм взаимодействия нейтрино с более тяжелыми ядрами, с несколькими протонами и нейтронами, более сложен, поскольку составляющие протоны прочно связаны внутри ядер.

Настраивать

Групповой портрет команды «Проекта Полтергейст», ищущей нейтрино; Фредерик Райнес держит плакат, Клайд Коуэн находится справа; Лос-Аламосская научная лаборатория, ок. 1953 г.

Учитывая малую вероятность взаимодействия одного нейтрино с протоном, нейтрино можно было наблюдать только с помощью огромного потока нейтрино. Начиная с 1951 года, Коуэн и Рейнес, оба тогда ученые из Лос-Аламоса, Нью-Мексико , изначально думали, что всплески нейтрино от испытаний атомного оружия , которые тогда происходили, могли бы обеспечить требуемый поток. [8] 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». [9] В конечном итоге они использовали ядерный реактор в качестве источника нейтрино, как посоветовал руководитель физического отделения Лос-Аламоса Дж. М. Б. Келлогг. Реактор имел поток нейтрино5 × 10 13 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр, [10] намного выше, чем любой поток, достижимый от других радиоактивных источников. Был использован детектор, состоящий из двух баков с водой, предлагающий огромное количество потенциальных целей в протонах воды.

В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействовали с протонами в воде, создавались нейтроны и позитроны . Два гамма-луча, созданные аннигиляцией позитронов, были обнаружены путем размещения резервуаров с водой между резервуарами, заполненными жидким сцинтиллятором . Материал сцинтиллятора испускает вспышки света в ответ на гамма-лучи, и эти вспышки света обнаруживаются фотоумножительными трубками.

Дополнительное обнаружение нейтрона из взаимодействия нейтрино обеспечило второй уровень уверенности. Коуэн и Рейнес обнаружили нейтроны, растворив в баке хлорид кадмия , CdCl2 . Кадмий является высокоэффективным поглотителем нейтронов и испускает гамма-лучи при поглощении нейтронов.


н
+108
Кд
→109м
Кд
→109
Кд
+
γ

Схема была такова, что после события взаимодействия нейтрино регистрировались два гамма-луча от аннигиляции позитрона, а через несколько микросекунд — гамма-луч от поглощения нейтрона кадмием .

В эксперименте, который придумали Коуэн и Рейнес, использовались два резервуара с общим объемом около 200 литров воды с примерно 40 кг растворенного CdCl 2. Резервуары с водой были зажаты между тремя слоями сцинтиллятора , которые содержали 110 пятидюймовых (127 мм) фотоумножительных трубок.

Результаты

Фредерик Рейнс (слева) и Клайд Коуэн за пультом управления экспериментом в Саванна-Ривер, 1956 г.

В 1953 году Коуэн и Рейнес построили детектор, который они окрестили «Herr Auge», «Господин Глаз» по-немецки. Они назвали эксперимент по поиску нейтрино «Проект Полтергейст» из-за «призрачной природы нейтрино». Предварительный эксперимент был проведен в 1953 году на объекте Ханфорд в штате Вашингтон , но в конце 1955 года эксперимент переместили на завод Саванна-Ривер недалеко от Эйкена, Южная Каролина . [11] [12] [13] На объекте Саванна-Ривер была лучшая защита от космических лучей . Это защищенное место находилось в 11 м от реактора и в 12 м под землей.

После месяцев сбора данных накопленные данные показали около трех взаимодействий нейтрино в час в детекторе. Чтобы быть абсолютно уверенными, что они наблюдают события нейтрино из описанной выше схемы обнаружения, Коуэн и Рейнес выключили реактор, чтобы показать, что существует разница в скорости обнаруженных событий.

Они предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно6 × 10−44 см 2  и их измеренное поперечное сечение было6,3 × 10−44  см 2 . Результаты были опубликованы в выпуске журнала Science от 20 июля 1956 года . [14] [15 ]

Наследие

Клайд Коуэн умер в 1974 году в возрасте 54 лет. В 1995 году Фредерик Райнс был удостоен Нобелевской премии за свою работу по физике нейтрино . [7]

Основная стратегия использования массивных детекторов , часто на основе воды, для исследования нейтрино была использована в нескольких последующих экспериментах, [7] включая детектор Ирвина-Мичигана-Брукхейвена , Камиоканде , нейтринную обсерваторию Садбери и эксперимент Хоумстейк . Эксперимент Хоумстейк является современным экспериментом, который обнаружил нейтрино от ядерного синтеза в солнечном ядре. Такие обсерватории, как эти, обнаружили нейтринные всплески от сверхновой SN 1987A в 1987 году, рождение нейтринной астрономии . Благодаря наблюдениям за солнечными нейтрино , нейтринная обсерватория Садбери смогла продемонстрировать процесс нейтринной осцилляции . Нейтринная осцилляция показывает, что нейтрино не безмассовы, что является важным достижением в физике элементарных частиц. [16]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Стюэр, Роджер Х. (1983). «Гипотеза ядерного электрона». В книге Ши, Уильям Р. (ред.). Отто Ган и расцвет ядерной физики . Дордрехт, Голландия: D. Riedel Publishing Company. стр. 19–67. ISBN 978-90-277-1584-5.
  2. ^ Yang, CN (2012). «Теория β-распада Ферми». Asia Pacific Physics Newsletter . 1 (1): 27–30. doi :10.1142/s2251158x12000045.
  3. ^ Гриффитс, Д. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). С. 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2.
  4. ^ Фейнман, РП (1962). Теория фундаментальных процессов . WA Бенджамин . Главы 6 и 7.
  5. ^ Пайс, Абрахам (1986). Внутренние связи . Оксфорд: Oxford University Press. стр. 418. ISBN 978-0-19-851997-3.
  6. ^ Бете, Х.; Пайерлс , Р. (5 мая 1934 г.). «Нейтрино». Nature . 133 (532): 689–690. Bibcode : 1934Natur.133..689B. doi : 10.1038/133689b0. S2CID  4098234.
  7. ^ abc "Нобелевская премия по физике 1995 года". Нобелевский фонд . Получено 24.08.2018 .
  8. ^ «Эксперименты Рейнса-Коуэна: обнаружение полтергейста» (PDF) . Los Alamos Science . 25 : 3. 1997.
  9. ^ Эбботт, Элисон (17 мая 2021 г.). «Поющий нейтрино — лауреат Нобелевской премии, который почти разбомбил Неваду». Nature . 593 (7859): 334–335. doi : 10.1038/d41586-021-01318-y . Получено 7 августа 2023 г. .
  10. ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-60386-3.
  11. ^ Лаборатория, Лос-Аламосская национальная. «Призрачные частицы и проект Полтергейст». Лос-Аламосская национальная лаборатория . Получено 6 августа 2023 г.
  12. ^ Саттон, Кристин (июль–август 2016 г.). «Призраки в машине» (PDF) . CERN Courier . 56 (6): 17.
  13. ^ Алькасар, Дэниел Альбир (18 ноября 2020 г.). «Частицы-призраки и проект «Полтергейст»: физики из Лаборатории давних времен изучали науку, которая их преследовала». Национальная лаборатория Лос-Аламоса (LANL), Лос-Аламос, Нью-Мексико (США). {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  14. ^ CL Cowan Jr.; F. Reines; FB Harrison; HW Kruse; AD McGuire (20 июля 1956 г.). «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Science . 124 (3212): 103–4. Bibcode :1956Sci...124..103C. doi :10.1126/science.124.3212.103. PMID  17796274.
  15. ^ Winter, Klaus (2000). Физика нейтрино. Cambridge University Press . стр. 38 и далее. ISBN 978-0-521-65003-8.
    Этот источник воспроизводит статью 1956 года.
  16. ^ Баргер, Вернон; Марфатия, Дэнни; ​​Уиснант, Керри Льюис (2012). Физика нейтрино. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12853-5.

Внешние ссылки