Эксперимент Коуэна – Чистых нейтрино

Нейтринный эксперимент Коуэна -Рейнса был проведен физиками Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнсом в 1956 году. Эксперимент подтвердил существование нейтрино . нейтрино, субатомные частицы без электрического заряда В 1930-х годах предполагалось, что бета-распада и с очень малой массой, являются важной частицей в процессах . Не имея ни массы, ни заряда, такие частицы оказалось невозможно обнаружить. В эксперименте использовался огромный поток (тогда гипотетических) электронных антинейтрино, исходящий 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 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 образовавшийся электрон, поэтому его меняющаяся энергия предполагала, что энергия не может сохраняться. ^{[ 1 ]} Это затруднительное положение, а также другие факторы побудили Вольфганга Паули попытаться решить проблему, постулировав существование нейтрино в 1930 году. Чтобы сохранить фундаментальный принцип сохранения энергии , бета-распад должен был быть трехчастичным, а не двухчастичным. - тело, распад. Поэтому Паули предположил, что помимо электрона из ядра атома при бета-распаде испускается еще одна частица. Эта частица, нейтрино, имела очень малую массу и не имела электрического заряда; его не наблюдалось, но он нес недостающую энергию.

Предложение Паули было развито в теорию бета-распада Энрико Ферми в 1933 году. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Теория утверждает, что процесс бета-распада состоит из четырех фермионов, непосредственно взаимодействующих друг с другом. В результате этого взаимодействия нейтрон распадается непосредственно на электрон . нейтрино (позже определенное как антинейтрино ) и протон . ^{[ 4 ]} Теория, оказавшаяся чрезвычайно успешной, основывалась на существовании гипотетического нейтрино. Ферми впервые представил свою «предварительную» теорию бета-распада в журнал Nature , который отверг ее, «поскольку она содержала предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». ^{[ 5 ]}"

Одна из проблем с гипотезой о нейтрино и теорией Ферми заключалась в том, что нейтрино, по-видимому, имело настолько слабое взаимодействие с другим веществом, что его никогда нельзя было наблюдать. В статье 1934 года Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могут легко проходить через Землю, не взаимодействуя с какой-либо материей. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Возможность эксперимента

В результате обратного бета-распада предсказанное нейтрино, точнее, электронное антинейтрино ( ${\bar {\nu }}_{e}$ ), должен взаимодействовать с протоном (
п
) для производства нейтрона (
н
) и позитрон ( $e^{+}$ ),

{\bar {\nu }}_{e}+p\to n+e^{+}

Вероятность возникновения этой реакции была небольшой. Вероятность возникновения любой данной реакции пропорциональна ее поперечному сечению . Коуэн и Райнс предсказали, что сечение реакции составит около 6 × 10. ⁻⁴⁴ см ². Обычная единица поперечного сечения в ядерной физике — сарай , который равен 1 × 10 ⁻²⁴ см ² и на 20 порядков больше.

Несмотря на низкую вероятность взаимодействия нейтрино, его признаки уникальны, что делает возможным обнаружение редких взаимодействий. Позитрон электроном , антивещества из аналог электрона , быстро взаимодействует с любым соседним , и они аннигилируют друг друга. Два получившихся совпадающих гамма-луча (
с
) обнаруживаются. Нейтрон можно обнаружить, захватив его соответствующим ядром, выпустив третий гамма-луч. Совпадение событий аннигиляции позитрона и захвата нейтрона дает уникальный признак взаимодействия антинейтрино.

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

Настраивать

Учитывая малую вероятность взаимодействия одиночного нейтрино с протоном, наблюдать нейтрино можно было только с помощью огромного потока нейтрино. Начиная с 1951 года Коуэн и Рейнс, тогдашние ученые из Лос-Аламоса, штат Нью-Мексико , первоначально полагали, что нейтринные всплески в результате испытаний атомного оружия , которые тогда происходили, могут обеспечить необходимый 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 «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». ^{[ 9 ]} В конечном итоге они использовали ядерный реактор в качестве источника нейтрино, как посоветовал руководитель физического отдела Лос-Аламоса Дж. М. Б. Келлогг. Реактор имел поток нейтрино 5 × 10 ¹³ нейтрино в секунду на квадратный сантиметр, ^{[ 10 ]} намного выше, чем любой поток, достижимый из других радиоактивных источников. Был использован детектор, состоящий из двух резервуаров с водой, предлагающий огромное количество потенциальных целей в протонах воды.

В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействовали с протонами в воде, нейтроны и позитроны рождались . Два гамма-луча, возникшие в результате аннигиляции позитронов, были обнаружены путем помещения резервуаров с водой между резервуарами, заполненными жидким сцинтиллятором . Материал сцинтиллятора испускает вспышки света в ответ на гамма-лучи, и эти световые вспышки обнаруживаются фотоумножителями .

Дополнительное обнаружение нейтрона в результате взаимодействия нейтрино обеспечило второй уровень уверенности. Коуэн и Рейнс обнаружили нейтроны, растворив хлорид кадмия CdCl ₂ в резервуаре . Кадмий является высокоэффективным поглотителем нейтронов и испускает гамма-излучение при поглощении нейтрона.

н
+ ¹⁰⁸
компакт-диск
→ ^{109 м}
компакт-диск
→ ¹⁰⁹
компакт-диск
+
с

Схема была такова, что после взаимодействия нейтрино должны были быть обнаружены два гамма-луча от аннигиляции позитрона, а через несколько микросекунд последовал гамма-луч от поглощения нейтрона кадмием .

В эксперименте, который разработали Коуэн и Рейнс, использовались два резервуара общей емкостью около 200 литров воды и около 40 кг растворенного CdCl ₂ . Резервуары для воды были зажаты между тремя слоями сцинтилляторов , которые содержали 110 пятидюймовых (127 мм) фотоумножителей .

Результаты

В 1953 году Коуэн и Райнес построили детектор, который они назвали «Герр Оге», что по-немецки означает «Мистер Глаз». Они назвали эксперимент по поиску нейтрино «Проектом Полтергейст» из-за «призрачной природы нейтрино». Предварительный эксперимент был проведен в 1953 году на полигоне Хэнфорд в штате Вашингтон , но в конце 1955 года эксперимент был перенесен на завод Саванна-Ривер недалеко от Эйкена, Южная Каролина . ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Участок на реке Саванна имел лучшую защиту от космических лучей . Это экранированное место находилось на расстоянии 11 м от реактора и 12 м под землей.

После нескольких месяцев сбора данных накопленные данные показали около трех взаимодействий нейтрино в час в детекторе. Чтобы быть абсолютно уверенными в том, что они наблюдали нейтринные события по описанной выше схеме регистрации, Коуэн и Райнс остановили реактор, чтобы показать, что существует разница в частоте регистрируемых событий.

Они предсказали, что сечение реакции составит около 6 × 10. ⁻⁴⁴ см ² а их измеренное сечение составило 6,3 × 10 ⁻⁴⁴ см ². Результаты были опубликованы в журнале 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 работы по нейтрино физике . ^{[ 7 ]}

Основная стратегия использования массивных детекторов , часто на водной основе, для исследования нейтрино была использована в нескольких последующих экспериментах. ^{[ 7 ]} включая детектор Ирвина-Мичигана-Брукхейвена , Камиоканде , Нейтринную обсерваторию Садбери и эксперимент Хоумстейк . Хоумстейк-эксперимент — это современный эксперимент, в ходе которого были обнаружены нейтрино в результате ядерного синтеза в солнечном ядре. Подобные обсерватории зарегистрировали всплеск нейтрино от сверхновой SN 1987A в 1987 году, рождения нейтринной астрономии . Благодаря наблюдениям солнечных нейтрино Нейтринная обсерватория Садбери смогла продемонстрировать процесс нейтринных осцилляций . Осцилляции нейтрино показывают, что нейтрино не безмассовые, что является глубоким достижением в физике элементарных частиц. ^{[ 16 ]}

См. также

Ссылки

^ Стювер, Роджер Х. (1983). «Ядерно-электронная гипотеза». В Ши, Уильям Р. (ред.). Отто Хан и развитие ядерной физики . Дордрехт, Голландия: Издательство Д. Риделя. стр. 19–67. ISBN 978-90-277-1584-5 .
^ Ян, Китай (2012). «Теория β-распада Ферми». Информационный бюллетень по физике Азиатско-Тихоокеанского региона . 1 (1): 27–30. дои : 10.1142/s2251158x12000045 .
^ Гриффитс, Д. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). стр. 314–315 . ISBN 978-3-527-40601-2 .
^ Фейнман, Р.П. (1962). Теория фундаментальных процессов . В. А. Бенджамин . Главы 6 и 7.
^ Паис, Авраам (1986). Внутренняя граница . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 418 . ISBN 978-0-19-851997-3 .
^ Бете, Х. ; Пайерлс, Р. (5 мая 1934 г.). «Нейтрино». Природа . 133 (532): 689–690. Бибкод : 1934Natur.133..689B . дои : 10.1038/133689b0 . S2CID 4098234 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Нобелевская премия по физике 1995 года» . Нобелевский фонд . Проверено 24 августа 2018 г.
^ «Эксперименты Райнса-Коуэна: обнаружение полтергейста» (PDF) . Лос-Аламосская наука . 25 :3. 1997.
^ Эбботт, Элисон (17 мая 2021 г.). «Поющий нейтрино, нобелевский лауреат, чуть не взорвавший Неваду» . Природа . 593 (7859): 334–335. дои : 10.1038/d41586-021-01318-y . Проверено 7 августа 2023 г.
^ Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-60386-3 .
^ Лаборатория Национального Лос-Аламоса. «Частицы-призраки и проект Полтергейст» . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 6 августа 2023 г.
^ Саттон, Кристина (июль – август 2016 г.). «Призраки в машине» (PDF) . ЦЕРН Курьер . 56 (6): 17.
^ Алькасар, Даниэль Альбир (18 ноября 2020 г.). «Частицы-призраки и проект «Полтергейст»: давным-давно физики из лаборатории изучали науку, которая их преследовала» . Национальная лаборатория Лос-Аламоса. (LANL), Лос-Аламос, Нью-Мексико (США). {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ К.Л. Коуэн-младший; Ф. Рейнс; Ф. Б. Харрисон; Х.В. Крузе; А. Д. Макгуайр (20 июля 1956 г.). «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука . 124 (3212): 103–4. Бибкод : 1956Sci...124..103C . дои : 10.1126/science.124.3212.103 . ПМИД 17796274 .
^ Зима, Клаус (2000). Нейтринная физика . Издательство Кембриджского университета . п. 38 и след. ISBN 978-0-521-65003-8 .
Этот источник воспроизводит статью 1956 года.
^ Баргер, Вернон; Марфатия, Дэнни; Виснант, Керри Льюис (2012). Физика нейтрино . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-12853-5 .

Внешние ссылки

[NucEl-1] Стювер, Роджер Х. (1983). «Ядерно-электронная гипотеза». В Ши, Уильям Р. (ред.). Отто Хан и развитие ядерной физики . Дордрехт, Голландия: Издательство Д. Риделя. стр. 19–67. ISBN 978-90-277-1584-5 .

[2] Ян, Китай (2012). «Теория β-распада Ферми». Информационный бюллетень по физике Азиатско-Тихоокеанского региона . 1 (1): 27–30. дои : 10.1142/s2251158x12000045 .

[griffiths-3] Гриффитс, Д. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). стр. 314–315 . ISBN 978-3-527-40601-2 .

[Feynman-4] Фейнман, Р.П. (1962). Теория фундаментальных процессов . В. А. Бенджамин . Главы 6 и 7.

[InwardBound-5] Паис, Авраам (1986). Внутренняя граница . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 418 . ISBN 978-0-19-851997-3 .

[6] Бете, Х. ; Пайерлс, Р. (5 мая 1934 г.). «Нейтрино». Природа . 133 (532): 689–690. Бибкод : 1934Natur.133..689B . дои : 10.1038/133689b0 . S2CID 4098234 .

[noblp-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Нобелевская премия по физике 1995 года» . Нобелевский фонд . Проверено 24 августа 2018 г.

[8] «Эксперименты Райнса-Коуэна: обнаружение полтергейста» (PDF) . Лос-Аламосская наука . 25 :3. 1997.

[Abbott-9] Эбботт, Элисон (17 мая 2021 г.). «Поющий нейтрино, нобелевский лауреат, чуть не взорвавший Неваду» . Природа . 593 (7859): 334–335. дои : 10.1038/d41586-021-01318-y . Проверено 7 августа 2023 г.

[10] Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-60386-3 .

[11] Лаборатория Национального Лос-Аламоса. «Частицы-призраки и проект Полтергейст» . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 6 августа 2023 г.

[12] Саттон, Кристина (июль – август 2016 г.). «Призраки в машине» (PDF) . ЦЕРН Курьер . 56 (6): 17.

[13] Алькасар, Даниэль Альбир (18 ноября 2020 г.). «Частицы-призраки и проект «Полтергейст»: давным-давно физики из лаборатории изучали науку, которая их преследовала» . Национальная лаборатория Лос-Аламоса. (LANL), Лос-Аламос, Нью-Мексико (США). {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[14] К.Л. Коуэн-младший; Ф. Рейнс; Ф. Б. Харрисон; Х.В. Крузе; А. Д. Макгуайр (20 июля 1956 г.). «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука . 124 (3212): 103–4. Бибкод : 1956Sci...124..103C . дои : 10.1126/science.124.3212.103 . ПМИД 17796274 .

[15] Зима, Клаус (2000). Нейтринная физика . Издательство Кембриджского университета . п. 38 и след. ISBN 978-0-521-65003-8 .
Этот источник воспроизводит статью 1956 года.

[BargerMarfatia2012-16] Баргер, Вернон; Марфатия, Дэнни; Виснант, Керри Льюис (2012). Физика нейтрино . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-12853-5 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]