яДЕРНАЯ ФИЗИКА
Нейтрино: спасти закон сохранения энергии
В прошлом веке при изучении бета-распада возникла проблема: в этих реакциях не сохранялась энергия. Вероятно, существовала еще одна легкая неуловимая частица, которая участвовала в этом распаде. Ее назвали нейтрино. В статье мы поговорим про ее свойства, а также узнаем, как она была открыта.
Бета-распад
Бета-распад — процесс самопроизвольного испускания ядром (А, Z) лептонов, переходя при этом в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу бoльшим или меньшим.
Бета-распад — процесс самопроизвольного испускания ядром (А, Z) лептонов, переходя при этом в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу бoльшим или меньшим.
$$
\begin{gathered}
\beta^{-} \text {-распад: }(\mathrm{A}, \mathrm{Z}) \rightarrow(\mathrm{A}, \mathrm{Z}+1)+\mathrm{e}^{-}+\overline{\mathrm{v}}_{\mathrm{e}} \\
\beta^{+} \text {-распад: }(\mathrm{A}, \mathrm{Z}) \rightarrow(\mathrm{A}, \mathrm{Z}-1)+\mathrm{e}^{+}+v_{\mathrm{e}} \\
\text { е-захват: }(\mathrm{A}, \mathrm{Z})+\mathrm{e}^{-} \rightarrow(\mathrm{A}, \mathrm{Z}-1)+v_{\mathrm{e}}
\end{gathered}
$$
Проблема бета-распада
Изучение бета-распада показало, что данные реакции вызваны не электромагнитным и не ядерным взаимодействиями, а новым. Это новое взаимодействие назвали слабым.
Еще одна особенность бета-распада — он обладает непрерывным спектром энергий электронов, что невозможно при двухчастичном распаде.
Изучение бета-распада показало, что данные реакции вызваны не электромагнитным и не ядерным взаимодействиями, а новым. Это новое взаимодействие назвали слабым.
Еще одна особенность бета-распада — он обладает непрерывным спектром энергий электронов, что невозможно при двухчастичном распаде.
Если нам необходимо решить задачу о движении двух тел, нам необходимо записать систему из закона сохранения энергии и закона сохранения импульса. Получим два уравнения и две неизвестных, т.е. такая система имеет единственное решение. Спектр энергии должен быть дискретным.
Также суммарная энергия электрона и образовавшегося в результате распада ядра была меньше энергии начального ядра. Энергия исчезала.
Законы сохранения энергии не выполняются?!
Это несостыковка поставила перед физиками сложную задачу. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса момента количества движения.
Н. Бором даже было высказано предположение, что при бета-распаде закон сохранения энергии выполняется в среднем, т. е. после усреднения по большому числу распадов. В отдельных актах распада он может нарушаться.
Под угрозой оказался самый важный закон сохранения в природе.
Это несостыковка поставила перед физиками сложную задачу. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса момента количества движения.
Н. Бором даже было высказано предположение, что при бета-распаде закон сохранения энергии выполняется в среднем, т. е. после усреднения по большому числу распадов. В отдельных актах распада он может нарушаться.
Под угрозой оказался самый важный закон сохранения в природе.
Спасение закона сохранения энергии
Для того чтобы спасти законы сохранения, В. Паули еще в 1930 г. высказал предположение, что в процессе бета-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна очень легкая (и неуловимая) частица с нулевым зарядом и спином 1/2. Эта частица была названа нейтрино (от итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон).
оскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе в-распада, оно могло уносить недостающую энергию и импульс. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально.
Для того чтобы спасти законы сохранения, В. Паули еще в 1930 г. высказал предположение, что в процессе бета-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна очень легкая (и неуловимая) частица с нулевым зарядом и спином 1/2. Эта частица была названа нейтрино (от итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон).
оскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе в-распада, оно могло уносить недостающую энергию и импульс. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально.
Присутствие нейтрино в реакции бета-распада объясняет непрерывный спектр энергий
В поисках нейтрино
В силу своих свойств нейтрино чрезвычайно трудно обнаружить. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько Мэв с атомными ядрами крайне мало: примерно равно 10-43 см.
Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти четверть века. Лишь в 1956 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино.
В силу своих свойств нейтрино чрезвычайно трудно обнаружить. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько Мэв с атомными ядрами крайне мало: примерно равно 10-43 см.
Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти четверть века. Лишь в 1956 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино.
Нейтрино чрезвычайно сложно обнаружить
Эксперимент по детектированию нейтрино
В эксперименте использовалась реакция обратного бета-распада, когда протон взаимодействует с антинейтрино, за счет чего рождаются нейтрон и позитрон.
В эксперименте использовалась реакция обратного бета-распада, когда протон взаимодействует с антинейтрино, за счет чего рождаются нейтрон и позитрон.
$$
\mathrm{p}+\overline{\mathrm{v}}_{\mathrm{e}} \rightarrow \mathrm{n}+\mathrm{e}^{+}
$$
Потоки антинейтрино можно получить из ядерного реактора. Антинейтрино вступали в реакции с протонами мишени. Мишень представляет собой два бака по 200 литров раствора хлористого кадмия в воде. Возникающие позитроны регистрировались по двум аннигиляционным гамма-квантам при взаимодействии с веществом мишени.
Гамма-кванты вызывали световые вспышки световые вспышки в жидких сцинтилляторах (3 емкости по 1200 литров каждая, расположенных по обе стороны от протонных мишеней), которые регистрировались фото.
Совпадение между двумя импульсами от двух гамма-квантов (возникших после аннигиляции) служило критерием возникновения электрон-позитронной пары.
Нейтроны замедлялись при столконвении на ядрах мишени до тепловых (для увеличения сечения) и поглощались кадмием. Нейтроны приводили к возбуждению изотопа кадмия, которое снималось испусканием 3-5 гамма-квантов.
Гамма-кванты вызывали световые вспышки световые вспышки в жидких сцинтилляторах (3 емкости по 1200 литров каждая, расположенных по обе стороны от протонных мишеней), которые регистрировались фото.
Совпадение между двумя импульсами от двух гамма-квантов (возникших после аннигиляции) служило критерием возникновения электрон-позитронной пары.
Нейтроны замедлялись при столконвении на ядрах мишени до тепловых (для увеличения сечения) и поглощались кадмием. Нейтроны приводили к возбуждению изотопа кадмия, которое снималось испусканием 3-5 гамма-квантов.
Схема установки для детектирования антинейтрино. Изображение из [1].
Современные эксперименты
На озере Байкал расположена установка для регистрации природных потоков мюонов и нейтрино высоких энергий. Расположена установка в 4 км от берега озера Байкал на глубине 1100-1300 м. Принцип действия основан на регистрации черенковского излучения (вспышек света), вызванного прохождением релятивистских частиц в водной среде.
В 2018 году Байкальский нейтринный телескоп стал самым большим нейтринным телескопом в Северном полушарии.
На озере Байкал расположена установка для регистрации природных потоков мюонов и нейтрино высоких энергий. Расположена установка в 4 км от берега озера Байкал на глубине 1100-1300 м. Принцип действия основан на регистрации черенковского излучения (вспышек света), вызванного прохождением релятивистских частиц в водной среде.
В 2018 году Байкальский нейтринный телескоп стал самым большим нейтринным телескопом в Северном полушарии.
Схема нейтринного телескопа Baikal-GVD. Изображение из [9].
Список литературы:
- Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин. Частицы и атомные ядра, 2019
- Ядерная физика в интернете. Н. А. Брюханова. Нейтрино
- Ядерная физика в интернете. Шпаргалка для отличника: Бета-распад
- Википедия. Нейтрино
- Фотоэлектронный умножитель
- Ядерная физика в интернете. Максим Кирюшин. Жидкие сцинтилляционные детекторы
- Ядерная физика в интернете. Дмитрий Наумов. Космос. Нейтрино. Байкал. Страницы дневника научной экспедиции
- Сайт Института ядерных исследований. Байкальская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН
- Сайт Российской академии наук. Нейтринный телескоп Baikal-GVD обозначен как важнейший элемент российской нейтринной программы, 2024
Автор: команда проекта Суперпозиция
