Большая Советская энциклопедия - нейтрино

(итал. neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон)

электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), Спином ¹/2 (в единицах постоянной Планка ħ) и исчезающе малым, по-видимому, нулевым, магнитным моментом. Н. принадлежит к группе лептонов (См. Лептоны), а по своим статистическим свойствам относится к классу Фермионов. Название «Н.» применяется к двум различным элементарным частицам — к электронному (νe) и к мюонному (νμ) Н. Электронным называется Н., взаимодействующее с др. частицами в паре с электроном е^- (или позитроном е⁺), мюонным — Н., взаимодействующее в паре с мюоном (См. Мюоны) (μ^-, μ⁺). Оба вида Н. имеют соответствующие Античастицы: электронное

v̅e

и мюонное

v̅μ

антинейтрино. Электронные и мюонные Н. принято различать с помощью сохраняющихся аддитивных лептонных квантовых чисел (лептонных зарядов) Le и Lμ, при этом принимается, что Le = + 1, Lμ = 0 для νе и Le = 1, Lμ = 0 для v̅e, Le = 0, Lμ = + 1 для νμ и Le = 0, Lμ = — 1 для v̅μ. В отличие от др. частиц, Н. обладают удивительным свойством иметь строго определённое значение спиральности λ — проекции спина на направление импульса: Н. имеют левовинтовую спиральность (λ = —¹/2), т. е. спин направлен против направления движения частицы, антинейтрино — правовинтовую (λ = + ¹/2), т. е. спин направлен по направлению движения.

Н. испускаются при Бета-распаде атомных ядер, К-захвате, захвате μ^-ядрами и при распадах нестабильных элементарных частиц, главным образом пи-мезонов (См. Пи-мезоны) (π⁺, π^-), К-мезонов (См. К-мезоны) и мюонов. Источниками Н. являются также Термоядерные реакции в звёздах.

Н. принимают участие лишь в слабом взаимодействии (См. Слабые взаимодействия) 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 β-распаде атомных ядер (в отличие от α-частиц и γ-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 α-частиц и γ-квантов это требование выполнялось, возникло подозрение, что при β-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 β-распаде вместе с электроном, что и приводит к нарушению однородности спектра β-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 β-распада Ферми. Гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию β-распада, созданную Ферми в 1934 и позволившую описать явления электронного (β^-) и позитронного (β⁺) 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 β^- (β⁺)-распад есть превращение нейтрона n (протона р) внутри ядра в протон (нейтрон):

С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра β-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии β-электронов очень чувствительной к массе mν 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 β-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 β-распада — впервые рассмотрена Х. Бете и Р. Пайерлсом в 1934. Обратным β-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 β-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 ⁷Be: ядро ⁷Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает Н., превращаясь в ядро ⁷Li, ⁷Ве (е^-, νe)⁷Li; при этом, если Н. — реальная частица, ⁷Li 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 ⁷Li 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 β-распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов (См. Ядерный реактор) и больших водородсодержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате β^--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 νe 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 γ-кванта, которые производят первую сцинтилляционную вспышку; через 5—10 мксек за ней следует вторая вспышка от γ-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 σ = (11 ± 2,6)·10^-44 см². Теоретическая величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного Н. (см. ниже) равна (10—14)․10^-44 см². Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного Н.

Основные свойства нейтрино

Нейтрино и антинейтрино. Представление о Н. и антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку Н. не имеет электрического заряда, не исключено, что Н. по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей; такое Н. впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В 1946 Б. М. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения ³⁷Cl в ³⁷Ar. Из существования распада ³⁷Ar (e^-, νe)³⁷CI следует реакция

³⁷Cl + νe → ³⁷Ar + e^-. (3)

Если νe и v̅e не тождественны, то реакция

аналогичная реакции (3), при облучении ³⁷Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществленном американским учёным Р. Дейвисом в 1955—56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результат доказывает нетождественность νe и v̅e (и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа Le).

Электронные и мюонные нейтрино. После открытия мюонов, π^- и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом Н.:

В 1957 М. А. Марков, Ю. Швингер и К. Нишиджима высказали предположение, что Н., рождающееся в паре с мюоном (νμ), отлично от Н., рождающегося в паре с электроном (νе). Возможность проверки этих ассоциативных свойств Н. с помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР М. А. Марковым и Б. М. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европейском центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием Н. от распадов

π⁺ → μ + νμ, K⁺ → μ⁺ + νμ, (4)

происходит только реакция νμ + n → p + μ^-. Реакция νμ + n → р + e^- не была найдена; это означает, что Н. от реакций (4) не рождают электроны. Т. о., было доказано существование двух разных Н. — νμ и νe.

В 1964—67 в аналогичных опытах было установлено, что νμ при столкновении с ядрами рождает μ^- и не рождает μ⁺, т. е. мюонные нейтрино νμ и антинейтрино v̅μ также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число Lμ.

Спиральность и лептонные числа нейтрино. До открытия несохранения чётности в β-распаде считалось, что Н. описывается волновой функцией, являющейся решением Дирака уравнения (См. Дирака уравнение), и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) λ = —¹/2 — левое (левовинтовое) Н. νл и левое антинейтрино