Большая Советская Энциклопедия (НЕ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ"

и мюонное

антинейтрино. Электронные и мюонные Н. принято различать с помощью сохраняющихся аддитивных лептонных квантовых чисел (лептонных зарядов) L_e и L_m , при этом принимается, что L_e = + 1, L_m = 0 для n_е и L_e = - 1, L_m = 0 для

, L_e = 0, L_m = + 1 для n_m и L_e = 0, L_m = — 1 для . В отличие от др. частиц, Н. обладают удивительным свойством иметь строго определённое значение спиральности l — проекции спина на направление импульса: Н. имеют левовинтовую спиральность (l = —¹ /₂ ), т. е. спин направлен против направления движения частицы, антинейтрино — правовинтовую (l = + ¹ /₂ ), т. е. спин направлен по направлению движения.

  Н. испускаются при бета-распаде атомных ядер, К-захвате , захвате m^- ядрами и при распадах нестабильных элементарных частиц, главным образом пи-мезонов (p⁺ , p^- ), К-мезонов и мюонов. Источниками Н. являются также термоядерные реакции в звёздах.

  Н. принимают участие лишь в слабом взаимодействии и гравитационном взаимодействии и не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях. С этим связана крайне высокая проникающая способность Н., позволяющая этой частице свободно проходить сквозь Землю и Солнце.

  История открытия нейтрино

  Гипотеза Паули. Открытие Н. принадлежит к числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в физике 20 в. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, Н. долгое время оставалось гипотетической частицей.

  Впервые в экспериментальной физике Н. проявилось в 1914, когда английский физик Дж. Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при b-распаде атомных ядер (в отличие от a-частиц и g-квантов, испускаемых при др. видах радиоактивных превращений), имеют непрерывный энергетический спектр. Это явление находилось в явном противоречии с теорией квантов, требовавшей, чтобы при квантовых переходах между стационарными состояниями ядер выделялась дискретная порция энергии (постулат Бора). Поскольку при испускании a-частиц и g-квантов это требование выполнялось, возникло подозрение, что при b-распаде нарушается закон сохранения энергии.

  В 1930 швейцарский физик В. Паули в письме участникам семинара в Тюбингене сообщил о своей «отчаянной попытке» «спасти» закон сохранения энергии. Паули высказал гипотезу о существовании новой электрически нейтральной сильно проникающей частицы со спином ¹ /₂ и с массой £ 0,01 массы протона, которая испускается при b-распаде вместе с электроном, что и приводит к нарушению однородности спектра b-электронов за счёт распределения дискретной порции энергии (соответствующей переходу ядра из одного состояния в другое) между обеими частицами. После открытия в 1932 тяжёлой нейтральной частицы — нейтрона , итальянский физик Э. Ферми предложил называть частицу Паули «нейтрино». В 1933 Паули сформулировал основные свойства Н. в их современном виде. Как выяснилось позже, эта гипотеза «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике.

  Теория b-распада Ферми. Гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию b-распада, созданную Ферми в 1934 и позволившую описать явления электронного (b^- ) и позитронного (b⁺ ) распадов и К-захвата. Появилась теоретическая возможность ввести два разных Н.: антинейтрино, рождающееся в паре с электроном, и Н., рождающееся в паре с позитроном.

  В теории Ферми b^- (b⁺ )-распад есть превращение нейтрона n (протона р) внутри ядра в протон (нейтрон):

С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра b-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии b-электронов очень чувствительной к массе m_n Н. Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса Н. много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты b-распада, и её успех привёл физиков к признанию Н. Однако сомнения в существовании этой частицы ещё оставались.

  Эксперименты по обнаружению нейтрино. Известны две возможности экспериментального обнаружения Н. Первая — наблюдение обратного b-распада — впервые рассмотрена Х. Бете и Р. Пайерлсом в 1934. Обратным b-распадом называются реакции (существование которых следует из теории Ферми):

происходящие как на свободных, так и на связанных в ядрах нуклонах. Оценка вероятности (сечения) поглощения Н. дала поразительный результат: в твёрдом веществе Н. с энергией, характерной для b-распада, должно пройти расстояние порядка сотен световых лет, прежде чем будет захвачено ядром. В 30—40-х гг. обнаружить такую частицу казалось вообще невозможным.

  Другой путь — наблюдение отдачи ядра в момент испускания Н. — впервые рассмотрен советским физиком А. И. Лейпунским. В 1938 А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили использовать для этой цели реакцию К-захвата в ⁷ Be: ядро ⁷ Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает Н., превращаясь в ядро ⁷ Li, ⁷ Ве (е^- , n_e )⁷ Li; при этом, если Н. — реальная частица, ⁷ Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу Н. Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942. Оказалось, что энергия отдачи ионов ⁷ Li согласуется с теоретическим значением (в предположении нулевой массы Н.). Последующие опыты с большей точностью подтвердили этот результат. Существование Н. стало экспериментальным фактом. В физике появилась новая частица, все свойства которой были определены из косвенных экспериментов.

  Обнаружение свободного Н. в процессе обратного b-распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов и больших водородсодержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате b^- -распада осколков деления урана испускаются антинейтрино с энергией до 10 Мэв, в среднем 6 частиц на 1 деление. Поток антинейтрино от мощного реактора составляет (вблизи реактора) около 10¹³ частиц на 1 см² в 1 сек.

  Эксперимент по прямому детектированию n_e впервые был осуществлен в 1953 в США Ф. Райнесом и К. Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Регистрировалась реакция (2') на водороде, входящем в состав сцинтилляционной жидкости с добавкой соли кадмия, сильно поглощающего нейтроны. С помощью техники запаздывающих совпадений удалось выделить из фона характерную цепочку событий, вызываемых антинейтрино: позитрон, рождающийся в реакции (2'), аннигилируя с электроном, испускает два g-кванта, которые производят первую сцинтилляционную вспышку; через 5—10 мксек за ней следует вторая вспышка от g-квантов, испущенных ядром кадмия в результате захвата нейтрона, образовавшегося в реакции (2') и замедлившегося в водородсодержащей жидкости. В 1956—59 опыт был повторен в лучших условиях (рис. 1 ). Было получено сечение s = (11 ± 2,6)·10^-44см² . Теоретическая величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного Н. (см. ниже) равна (10—14)×10^-44см² . Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного Н.