Нейтрино — стабильные нейтральные лептоны с полуцелым спином, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: нейтрино с энергией 1 МэВ имеют в свинце длину свободного пробега ~ 10²⁰ см (~ 100 св. лет). Также известно, что без видимых последствий каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит ~ 10¹⁴ нейтрино, испущенных Солнцем.

Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:

1. электронное нейтрино/антинейтрино

2. мюонное нейтрино/антинейтрино

3. тау – нейтрино/антинейтрино

Нейтрино появляются в бета-процессах, под которыми понимаются процессы взаимного превращения свободных или связанных в ядрах нейтронов (n) и протонов (р), обусловленные слабым взаимодействием элементарных частиц. Бета-процессы сопровождаются образованием или поглощением бета-частиц (электронов или позитронов), а также нейтрино или антинейтрино.

К бета-процессам относятся:

1) бета-распад β^--распад: n → р+е^-+v_e^-; β⁺-распад в ядре: р → n +е⁺+v_e;

2) электронный или позитронный захват: е^-+р → n+v_e или е⁺+n → р + v_e^-;

3) реакции захвата нейтрино или антинейтрино - т. н. обратный бета-распад, напр. v_e+n → е^-+р или v_e^-+р → е⁺+n. В свободном состоянии нейтрон неустойчив и распадается: n → p+е^- + v_e^-.

Рассмотрим вопрос открытия нейтрино.

Нейтрино впервые было предсказано в 1930 В.Паули в качестве объяснения экспериментов по бета-распаду ядер.

К 1930 году уже было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона. Тогда еще и структура ядра "не была" протонно-нейтронной (не был открыт нейтрон), и процесс β-распада в символах записывался так:

Я_р(m_р ) → Я_д(m_д)+ е^-.    (1)

Это означает, что процесс превращения родительского ядра Я_р с массой m_р в дочернее ядро Я_д с массой m_д сопровождается излучением электрона (хотя обычно употребляемое слово "распад" как бы подразумевает то, что дочернее ядро и электрон до распада содержались в родительском ядре; на самом деле ничего подобного нет: все дочерние частицы родились в процессе превращения). Физики не знали, почему распадается ядро, какие силы вынуждают к этому? Природа β-распада предоставляла поле исследования. Покоя не давал другой, казалось бы, более простой вопрос: как вообще (независимо от причин) природа допускает такой распад? Ведь измерение энергии вылетающих электронов показывало, что от распада к распаду величина этой энергии принимала различные значения, а незыблемые законы сохранения энергии и импульса предписывали иное: сколько бы распадов ядер определенного типа (никто не сомневался, что они все одинаковые) ни наблюдать, каждый раз энергия электронов должна быть одной и той же. Увидеть в процессе (1) с изменяющейся от распада к распаду энергией электрона противоречие закону сохранения энергии-импульса несложно. Надо лишь применить к распаду эти законы, помня о том, что элементарные частицы подчиняются механике теории относительности:

1. Полная энергия свободной движущейся частицы Е равна сумме энергии этой частицы в покое Е₀ (по Эйнштейну, она полностью определяется массой частицы m и скоростью света в вакууме с: E₀ = mc²) и кинетической энергии движения T:

Для энергии и импульса частицы р в любой момент времени и в любой системе отсчета выполняется равенство Е² - (рс)² = (mc²)².

Вспомним законы сохранения энергии и импульса: "Каким бы ни было взаимодействие, суммарная энергия всех частиц до столкновения (или распада) равна суммарной энергии всех частиц, образовавшихся после столкновения (или распада). То же самое справедливо для суммарного импульса". Из этого закона следуют три важных вывода.

1. Распад происходит только в том случае, если масса родительской частицы не меньше суммы масс продуктов распада. В случае "больше" продукты распада получат кинетическую энергию за счет энергии покоя (массы) родительской частицы.

2. Суммарная кинетическая энергия двух частиц постоянна, но при распределении этой энергии между двумя частицами почти вся кинетическая энергия достанется электрону, который в тысячи раз легче любого из ядер.

3. Если законы сохранения энергии и импульса выполняются в каждом акте распада на две частицы (для трех и более дочерних частиц это не так!), то и полные и кинетические энергии дочерних частиц не могут быть какими угодно. Они определяются только постоянными массами, и данное положение для нашего расследования наиболее важно. Сколько бы распадов ядер Я_р мы ни наблюдали, в каждом из них и дочернее ядро, и электрон унесут одни и те же энергии. Конечно, в реальном опыте измеренные от распада к распаду энергии электронов должны отличаться, но в пределах ошибки измерения.

Измерение электронной энергии в большом числе распадов одинаковых ядер обнаружило совсем не то, что ожидали увидеть физики. Электронный спектр β-распада (относительное число электронов с данной энергией) заполнил сплошь всю область энергий от нуля до максимально возможной энергии Δmc² и выглядел как плавная кривая с максимумом вместо ожидаемого для двухчастичного распада острого пика (рис.1). Энергия электронов во всех случаях была меньше, чем предписано законами сохранения. Приходилось признать, что либо над β-распадом законы сохранения не властны, либо в процессе распада энергия, грубо говоря, украдена. Именно украдена, потому что, если энергию, принадлежавшую электрону в двухчастичном распаде (еще раз напомним, что дочернее ядро не уносит заметной энергии), унесла какая-то дополнительная частица (или несколько частиц), она сделала это нелегально. Потому что все попытки обнаружить среди продуктов β-распада следы чего-либо, кроме дочернего ядра и электрона, дали отрицательный результат. В природе происходило то, что не должно происходить, если верить в строгое соблюдение законов сохранения энергии и импульса.

Законы сохранения энергии и импульса были открыты на основе анализа измерений этих величин для тел, участвующих в различных (механических, тепловых, электрических) процессах. Но теперь мы понимаем, что эти законы - всего лишь следствие более глубоких свойств симметрии пространства и времени. В 1918 году Эмми Неттер, немецкий математик, доказала, что, если время однородно, энергия замкнутой системы с неизбежностью будет оставаться неизменной, то есть и миллиарды лет назад, и сейчас, и в будущем интенсивности взаимодействия не меняются: например, два заряда всегда отталкиваются с одинаковой силой. Импульс системы неизбежно сохраняется постоянным, если однородно пространство, то есть интенсивность взаимодействия не зависит от того, где находится система: и в Солнечной системе, и в окрестности Бетельгейзе созвездия Ориона притяжение двух тел определяется одной и той же гравитационной постоянной. Более того, из теоремы Неттер следует, что всякой симметрии (равноправию) в уравнениях, описывающих взаимодействие, обязательно соответствует некоторая сохраняющаяся физическая величина.

Правда, оставалась надежда уладить проблему непрерывного спектра иным образом. Электрон мог при рассеянии на веществе просто потерять всю или долю приобретенной в распаде энергии по дороге к прибору, который ее измеряет. Проверка этой идеи быстро установила, что потери энергии есть, но не такие значительные, чтобы превратить "иглообразный пик" в "широкий холм".

В наблюдаемой картине β-распада была и вторая большая неприятность - с законом сохранения углового момента. Например, в β-распаде ¹⁴С → ¹⁴N+e^- собственные угловые моменты - спины родительского и дочернего ядер равны нулю, а спин электрона равен 1/2. Соответственно, 1/2 оказывается лишней.

Было выдвинуто достаточно много самых различных идей объяснения сложившейся ситуации, в частности Н.Бор наилучший выход видел в признании за микромиром права нарушать законы сохранения энергии и импульса в каждом отдельном акте столкновения или распада элементарных частиц. Однако единственно правильную идею выдвинул швейцарец Вольфганг Паули. В конце 1930 года на конференции физиков в Тюбингенском университете огласили письмо Паули. В нем он говорил, что "нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц... Непрерывность β-спектра станет понятной, если предположить, что при β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой "нейтрон", причем сумма энергий "нейтрона" и электрона постоянна...". Здесь стоит отметить, что употребленное здесь "нейтрон" не имеет ничего общего с известным сегодня нейтроном - просто к 1930 нейтрон еще не был открыт.

В 1933 году Паули подвел итог своим размышлениям. 22 октября на Сольвеевском конгрессе он говорил: "...Я предложил следующую интерпретацию β-распада: законы сохранения имеют силу; эмиссия β-частицы происходит вместе с испусканием чрезвычайно проникающих нейтральных частиц, которые еще не наблюдались... Естественно, мы предполагаем не только сохранение энергии, но и сохранение импульса и углового момента... во всех элементарных процессах". "Что касается свойств этих нейтральных частиц, то, во-первых, из атомных весов мы заключаем, что массы нейтральных частиц не могут быть существенно больше массы электрона. Для того чтобы отличить их от тяжелого нейтрона, Энрико Ферми предложил имя "нейтрино". Возможно, присущая нейтрино масса равна нулю, так что, подобно фотону, оно распространяется со скоростью света. Тем не менее проникающая способность нейтрино должна быть много больше проникающей способности фотона с той же энергией. Мне кажется допустимым, что нейтрино обладает спином 1/2..., хотя эксперимент и не дает прямых доказательств этой гипотез".

 

В эксперименте группы Ц. Ву с β-распадом ⁶⁰Co было показано, что в реакциях c участием нейтрино (слабых взаимодействиях) нарушается зеркальная симметрия (закон сохранения четности). Оказалось, что в мире элементарных частиц правое и левое не условные названия, а внутреннее свойство частиц. Интересно, что это фундаментальное открытие могло бы состояться на 30-40 лет раньше, если бы не теоретическое предубеждение в нерушимости право-левосимметричного мира. Ведь все нужное для опыта оборудование было в распоряжении экспериментаторов еще в 30-е годы.

В 1962 году Леон Ледерман экспериментально доказал, что электронное нейтрино, рождаемое в паре с позитроном, отличается от мюонного, которое рождается в паре с мюоном. А когда в 1975 году М. Перл открыл третий заряженный лептон t^±, стало ясно, что существует и третье нейтрино - таонное nt. И все они имеют соответствующие античастицы. Чтобы объяснить появление всех этих видов нейтрино, пришлось ввести еще одну квантовую характеристику - так называемое лептонное число. Оказалось, что при любом взаимодействии сумма всех лептонных чисел до взаимодействия и после него должна сохраняться. Казалось бы, выведен еще один фундаментальный закон, определяющий, какие реакции могут идти, а какие нет. Однако все оказалось не так просто. В 1958 году, работая в Дубне, Бруно Понтекорво (автор идеи опыта Р.Дэвиса) заметил, что никакой принцип, кроме закона сохранения лептонного числа, не запрещает нейтрино одного типа (аромата) самопроизвольно превратиться в нейтрино иного аромата. А если вдруг электронное нейтрино превратится в мюонное, то о сохранении лептонного заряда нейтрино надо прочно забыть. Причем возможно это только в том случае, если частица представляет собой квантово-механи ческую "смесь" других частиц. Экспериментально такое явление было обнаружено для К⁰-мезона: он в вакууме, без какого-либо взаимодействия, на лету, самопроизвольно превращается в анти-К⁰. Называется это явление осцилляцией - периодическим превращением частицы из одного вида в другой.

14 июня 1956 года он получил телеграмму от руководителя американской экспериментальной группы Фредерика Рейнеса: "Счастливы сообщить Вам, что мы определенно детектировали нейтрино, эффективное сечение взаимодействия равно (0,94±0,13)10^-43 см².

Команда Рейнеса получила первый положительный результат еще в 1953 году, но три года группа тщательно проверяла собственное открытие на более совершенном детекторе и более мощном источнике.

Для регистрации результата взаимодействия гипотетического нейтрино с протоном была выбрана реакция "обратного" β-распада. По правилам квантовой механики, если существует реакция с рождением нейтрино, то должна существовать (если не запрещена законами сохранения) и "обратная" реакция с его поглощением и превращением протона в нейтрон с выделением позитрона. Таким образом, если при включенном источнике искомых нейтрино установка (большая "протонная" мишень с детектором) "сообщает" о появлении пар (позитрон и нейтрон), а при выключенном источнике "молчит", логично полагать, что виновником такого события стало взаимодействие нейтрино с протоном.

Мишень с большим числом протонов создать легко: годится любая водородсодержащая жидкость (ядро атома водорода и есть протон), например вода, в каждом кубическом сантиметре которой содержится около 10²⁴ протонов. Зарегистрировать позитрон тоже не сложно. Родившись, он почти мгновенно растратит свою энергию на электромагнитные столкновения с веществом детектора, остановится и в покое аннигилирует с первым попавшимся электроном вещества мишени. В процессе аннигиляции родятся два γ-кванта, каждый из которых будет уловлен одним из многочисленных фотоумножителей детектора.

На нейтрон тоже можно придумать ловушку. Ядра кадмия, например, "с удовольствием" поглощают нейтроны, а рожденное ядро его изотопа излучит каскад γ-квантов. Если в воде мишени растворить соль кадмия, то родившийся в β-распаде нейтрон, попутешествовав в растворе некоторое время, встретит ядро кадмия, поглотится и испустит несколько (в среднем три)
γ-кванта. Уловленные фотоумножителями, они и будут свидетельствовать о появлении нейтрона.

Огромная трудность эксперимента заключается в том, что в детектор попадает очень много "безродных" γ-квантов, не имеющих никакого отношения к искомой реакции. Их источники - космические лучи, радиоактивные элементы материала мишени и детектора. Ложные срабатывания детектора физики называют фоном. В опытах, где число искомых событий мало, необходимо надежно защитить детектор от фона. А помогают сделать это характеристики сигнала от истинного нейтринного события. Они должны быть так же неповторимы, как отпечатки пальцев, чтобы среди моря случайных (фоновых) γ-квантов и нейтронов можно было узнать "истинный нейтринный портрет". В нашем случае два γ-кванта от аннигиляции электрона с позитроном в покое имеют энергию, равную сумме масс электрона и позитрона, и делят ее ровно пополам, разлетаясь в противоположные стороны, - так велит закон сохранения энергии и импульса. Три γ-кванта от захвата нейтрона кадмием тоже имеют известные энергии, но появятся только спустя некоторое (измеренное в других опытах) время, необходимое для того, чтобы нейтрон замедлился до подходящей для захвата кадмием энергии.

Таким образом, искомое нейтринное событие должно выглядеть так:

1. Счетчики фиксируют два одновременных g-кванта с энергиями 0,511 эВ (эта энергия соответствует энергии массы покоя электрона или позитрона) в противоположных направлениях,

2. После этого счетчики γ-квантов запираются, чтобы "чужаки" не мешали, и вновь открываются только через несколько тысячных долей секунды (на время путешествия нейтрона до поглощения кадмием), чтобы зафиксировать сигнал от трех γ-квантов с определенными энергиями.

Эксперимент был выполнен на ядерном реакторе, который облучал мишень потоком около 10¹³ нейтрино на квадратный сантиметр за секунду. Мишенью служил 400-литровый бак с растворенным в чистейшей воде хлористым кадмием CdCl₂, а детектором - сотня фотоэлектронных умножителей, покрывающих всю поверхность "бочки" Рейнеса. В тысячах приходящих сигналов можно было распознать 40 событий протон-нейтринных взаимодействий в сутки. Эксперимент 1956 года длился около трех месяцев.

Параллельно с группой Ф. Рейнеса поимкой нейтрино занималась группа Р. Дэвиса. Идею их опыта еще в 1946 году предложил Бруно Понтекорво. Его идея состояла в следующем. Известен вариант реакции β-распада: захват ядром изотопа аргона ³⁷Ar собственного орбитального электрона (К-захват) с испусканием нейтрино ³⁷Аr + e^- → ³⁷Cl+n. Должна быть и обратная реакция захвата нейтрино изотопом ³⁷Cl с образованием аргона ³⁷Ar. Фиксация "беспричинного" образования атомов аргона в чисто хлорной мишени, облученной потоком нейтрино из реактора, означало бы фиксацию самого нейтрино. Однако в 1956 году Р. Дэвис опубликовал результат: реакция не идет. Если этот факт объединить с открытием нейтрино Рейнесом, то вывод будет единственным: нейтрино из К-захвата и реакторное нейтрино из β-распада различны. Они соотносятся как частица и античастица.