Нейтрино (італ. neutrino, зменшувальне від neutrone, — нейтрон), електрично нейтральна елементарна частка з масою спокою багато меншої маси електрона (можливо рівною нулю), спином 1 / 2 (у одиницях постійної Планка ) і зникаюче малим, мабуть, нульовим, магнітним моментом. Н. належить до групи лептонів, а по своїх статистичних властивостях відноситься до класу ферміонів . Назва «Н.» застосовується до двох різних елементарних часток — до електронного (n e ) і до мюонного (n m ) Н. Електронним називається Н., що взаємодіє з ін. частками в парі з електроном е - (або позитроном е + ), мюонним, — Н., що взаємодіє в парі з мюоном (m - , m + ). Обидва види Н. мають відповідні античастки : електронне
і мюонне
антинейтрино. Електронні і мюонні Н. прийнято розрізняти за допомогою аддитивних лептонних квантових чисел, що зберігаються (лептонних зарядів) L e і L m , при цьому приймається, що L e = + 1, L m = 0 для n е і L e = - 1, L m = 0 для, L e = 0, L m = + 1 для n m і L e = 0, L m = — 1 для . На відміну від ін. часток, Н. володіють дивною властивістю мати строго певне значення спіральності l — проекції спину на напрям імпульсу: Н. мають льововінтовую спіральність (l = — 1 / 2 ), тобто спин направлений проти напряму руху частки, антинейтрино — правовінтовую (l = + 1 / 2 ), тобто спин направлений по напряму руху.
Н. беруть участь лише в слабкій взаємодії і гравітаційній взаємодії і не беруть участь в електромагнітній і сильній взаємодіях. З цим пов'язана украй висока проникаюча здатність Н., що дозволяє цій частці вільно проходіть крізь землю і Сонце.
Історія відкриття нейтрино
Гіпотеза Паулі. Відкриття Н. належить до найбільш яскравих і в той же час важких сторінок у фізиці 20 ст Перш ніж стати рівноправним членом сім'ї елементарних часток, Н. довгий час залишалося гіпотетичною часткою.
Вперше в експериментальній фізиці Н. виявилося в 1914, коли англійський фізик Дж. Чедвік виявив, що електрони, що випускаються при b-розпаді атомних ядер (на відміну від а-часток і g-квантів, що випускаються при ін. видах радіоактивних перетворень), мають безперервний енергетичний спектр. Це явище знаходилося в явному протиріччі з теорією квантів, що вимагала, щоб при квантових переходах між стаціонарними станами ядер виділялася дискретна порція енергії (постулат Бору). Оскільки при випусканні а-часток і g-квантів ця вимога виконувалася, виникло підозріння, що при b-розпаді порушується закон збереження енергії.
В 1930 швейцарський фізик Ст Паулі в листі учасників семінару в Тюбінгене повідомив про свою «відчайдушну спробу» «врятувати» закон збереження енергії. Паулі висловив гіпотезу про існування нової електрично нейтральної сильно проникаючої частки із спином 1 / 2 і з масою £ 0,01 мас протона, яка випускається при b-розпаді разом з електроном, що і приводить до порушення однорідності спектру b-електронів за рахунок розподілу дискретної порції енергії (відповідною переходу ядра з одного стану в інше) між обома частками. Після відкриття в 1932 важких нейтральних частки — нейтрона, італійський фізик Е. Фермі запропонував називати частку Паулі «нейтрино». У 1933 Паулі сформулював основні властивості Н. у їх сучасному вигляді. Як з'ясувалося пізніше, ця гіпотеза «врятувала» не лише закон збереження енергії, але і закони збереження імпульсу і моменту кількості руху, а також основні принципи статистики часток в квантовій механіці.
Теорія b-розпаду Фермі. Гіпотеза Паулі природним чином увійшла до теорії b-розпаду, створеної Фермі в 1934 і що дозволила описати явища електронного (b - ) і позитронного (b + ) розпадів і до-захвату. З'явилася теоретична можливість ввести два різних антинейтрино Н.:, що народжується в парі з електроном, і Н., що народжується в парі з позитроном.
В теорії Фермі b - (b + ) -распад є перетворення нейтрона n (протона р) усередині ядра в протон (нейтрон):
За допомогою теорії Фермі була розрахована форма спектру b-електронів, що виявилася поблизу верхнього кордону енергії b-електронів дуже чутливою до маси m n Н. Сравненіє теоретичної форми спектру з експериментальною показало, що маса Н. багато менше маси електрона (і, можливо, дорівнює нулю). Теорія Фермі пояснила всі основні межі b-розпаду, і її успіх привів фізиків до визнання Н. Однако сумніву в існуванні цієї частки ще залишалися.
Експерименти по виявленню нейтрино. Відомі дві можливості експериментального виявлення Н. Первая — спостереження зворотного b-розпаду — вперше розглянута Х. Беті і Р. Пайерлсом в 1934. Зворотним b-розпадом називаються реакції (існування яких виходить з теорії Фермі):
що відбуваються як на вільних, так і на зв'язаних в ядрах нуклонах. Оцінка вірогідності (перетини) поглинання Н. дала вражаючий результат: у твердій речовині Н. з енергією, характерною для b-розпаду, повинно пройті відстань порядка сотні світлових років, перш ніж буде захоплено ядром. У 30—40-х рр. виявити таку частку здавалося взагалі неможливим.
Інша дорога — спостереження віддачі ядра у момент випускання Н. — вперше розглянутий радянським фізиком А. І. Лейпунським. У 1938 А. І. Аліханов і А. І. Аліханьян запропонували використовувати для цієї мети реакцію до-захвату в 7 Ве: ядро 7 Ве захоплює електрон з до-оболонки атома і випускає Н., перетворюючись на ядро 7 Li, 7 Ве (е - , n e ) 7 Li; при цьому, якщо Н. — реальна частка, 7 Li отримує імпульс, рівний і протилежний по знаку імпульсу Н. Первий успішний досвід з цією реакцією був виконаний американським фізиком Дж. Алленом в 1942. Виявилось, що енергія віддачі іонів 7 Li узгоджується з теоретичним значенням (у припущенні нульової маси Н.). Подальші досліди з більшою точністю підтвердили цей результат. Існування Н. стало експериментальним фактом. У фізиці з'явилася нова частка, всі властивості якої були визначені з непрямих експериментів.
Виявлення вільного Н. в процесі зворотного b-розпаду стало можливим після створення потужних ядерних реакторів і великих водородсодержащих сцинтиляційних детекторів. У реакторі в результаті b - -распада уламків ділення урану випускаються антинейтрино з енергією до 10 Мев, в середньому 6 часток на 1 ділення. Потік антинейтрино від потужного реактора складає (поблизу реактора) біля 10 13 часток на 1 см 2 в 1 сек.
Експеримент по прямому детектуванню n e вперше був здійснений у 1953 в США Ф. Райнесом і К. Коуеном на реакторі в Хенфорде. Реєструвалася реакція (2'') на водні, що входить до складу сцинтиляційної рідини з добавкою солі кадмію, що сильно поглинає нейтрони. За допомогою техніки запізнілих збігів удалося виділити з фону характерний ланцюжок подій, антинейтрино, що викликаються: позитрон, що народжується в реакції (2''), анігілюючи з електроном, випускає два g-кванті, які виробляють перший сцинтиляційний спалах; через 5—10 мксек за нею слідує другий спалах від g-квантів, випущених ядром кадмію в результаті захвату нейтрона, що утворився в реакції (2'') і сповільнився у водородсодержащей рідині. У 1956—59 досвід був повторений в кращих умовах ( мал. 1 ). Було отримано перетин s = (11 ± 2,6)·10 -44 см 2 . Теоретична величина перетину (усередненого по спектру антинейтрино) в припущенні двокомпонентного Н. (див. нижчий) рівна (10—14)×10 -44 см 2 . Ці досліди остаточно підтвердили існування вільного Н.
Основні властивості нейтрино
Нейтрино і антинейтрино. Представлення о Н. і антинейтрино виникло чисто теоретично. Проте доказ того, що ці частки дійсно різні, не може бути отримано в рамках самої теорії. Оскільки Н. не має електричного заряду, не виключено, що Н. по своїх властивостях тотожне антинейтрино, тобто є істинно нейтральною часткою; таке Н. вперше було розглянуто італійським фізиком Е. Майорана і тому називалося «майорановським». У 1946 Би. М. Понтекорво запропонував для експериментального вирішення цієї проблеми використовувати реакцію перетворення 37 Cl у 37 Ar. З існування розпаду 37 Ar (e - , n e ) 37 CI слідує реакція
37 Cl + n e ® 37 Ar + e - . (3)
Якщо n e і не тотожні, то реакція
аналогічна реакції (3), при опроміненні 37 Cl пучком антинейтрино від реактора не повинна спостерігатися. У експерименті, здійсненому американським ученим Р. Дейвісом в 1955—56 на чотирихлористому вуглеці, реакцію (*) не удалося виявити. Цей результат доводить нетотожність n e і (і, отже, є основою для введення лептонного числа L e , що зберігається ).
Електронні і мюонні нейтрино. Після відкриття мюонів, p - і до-мезонів було встановлене, що розпад цих часток також супроводиться вильотом Н.:
В 1957 М. А. Марков, Ю.Швінгер і До.Нішиджіма висловили припущення, що Н., що народжується в парі з мюоном (n m ), відмінно від Н., що народжується в парі з електроном (n е ). Можливість перевірки цих асоціативних властивостей Н. за допомогою прискорювачів високої енергії розглядалася в СРСР М. А. Марковим і Б. М. Понтекорво. Успішні досліди були здійснені в 1962 на прискорювачі Брукхейвенськом в США і в 1964 в Європейському центрі ядерних досліджень (у ЦЕРНе). Було показано, що під дією Н. від розпадів
p + ® m + n m , K + ® m + + n m , (4)
відбувається лише реакція n m + n ® p + m - . Реакція n m + n ® р + e - не була знайдена; це означає, що Н. від реакцій (4) не народжують електрони. Т. о., було доведено існування два різних Н. — n m і n e .
В 1964—67 в аналогічних дослідах було встановлено, що n m при зіткненні з ядрами народжує m - і не народжує m + , тобто мюонні нейтрино n m і антинейтрино також не тотожні і необхідно ввести ще одне лептонне число L m , що зберігається .
Спіральність і лептонні числа нейтрино. До відкриття незбереження парності в b-розпаді вважалося, що Н. описується хвилевою функцією, що є вирішенням Дираку рівняння, і має чотири стани, відповідні чотирьом не-залежним рішенням: два з проекцією спину на імпульс (спіральністю) l = — 1 / 2 — ліве (льововінтовоє) Н. n л і ліве антинейтрино і два з l = + 1 / 2 — праве (правовінтовоє) Н. n п і праве антинейтрино . Теорія Н., що передбачає існування чотирьох станів, називається чотирьохкомпонентною, а двох станів — двокомпонентною. Прикладом двокомпонентного Н. є майорановськоє Н.
Виявлення в 1956 незбережень парності відкрило нову теоретичну можливість опису Н. У 1957 Л. Д. Ландау і незалежно пакистанський фізик А. Салам, а також Лі Цзун-дао і Ян Чжень-нін побудували двокомпонентну теорію спірального Н., у якій Н. має лише два стани: Або n л і, або n п і, тобто Н. і антинейтрино мають протилежні значення спіральності. Для спірального двокомпонентного Н. операція просторової інверсії Р (операція переходу від правої системи координат до лівої) і операція зарядового сполучення З (перехід від частки до античастки) кожна окремо не має фізичного сенсу, оскільки переводить реальне Н. у нефізичний стан з неправильною спіральністю. Фізичний сенс має лише твір цих операцій — так звана комбінована інверсія (CP), що перетворює реальне Н. n л (n п ) в реальне антинейтрино
з протилежною спіральністю.
В 1958 в Брукхейвене було проведено прямий вимір спіральності електронного Н., що випускається в процесі 152 Eu m (e - ,n e ) 152 Sm* ( мал. 2 ), і знайдено, що з вірогідністю, близькою до 100%, n e володіє льововінтової спіральністю. Виміри спіральності мюонних Н. у розпадах p + ® m + + n m показали, що n m теж ліве. Було також встановлено, що і мають праву спіральність ( мал. 3 ).
Цих дослідів, проте, недостатньо для підтвердження теорії двокомпонентного Н. Доказом двухкомпонентності Н. є досліди Райнеса по виміру перетину захвату антинейтрино (див. вищий): перетин, відповідно до двокомпонентної теорії, виявився в 2 рази вище, ніж розраховане по чотирьохкомпонентній теорії. Хоча всі проведені з Н. досліди не дозволяють виключити майорановський варіант двокомпонентного Н., теорія спірального двокомпонентного Н. переважніша, оскільки допускає введення лептонних чисел L e і L m , за допомогою яких удається отримати всі необхідні заборони в процесах за участю лептонів, наприклад m ± ® e ± + g, е - + р ® n + p - + m + , К - ® p + + е - + m - і ін. Спіральна двокомпонентна теорія є логічно стрункішою і «економнішою», оскільки з неї природно витікає рівність нулю маси і магнітного моменту Н.
Помімо L e і L m , є і ін. способи введення лептонних чисел (див. Лептонний заряд ) .
Маса і магнітний момент нейтрино. Експериментально неможливо виключити наявність в Н. дуже малої маси. Найкраща оцінка верхньої межі маси електронного Н. отримана з аналізу форми спектру b-електронів тритію: m n e £ 60 ев (що майже в 10 4 раз менше маси електрона m e » 510 кев ) . Для мюонного Н. експериментальна межа значно вища: m n m £ 1,2 Мев. Якщо маса Н. не строго рівна 0, Н. може мати магнітний момент і, отже, брати участь в процесах електромагнітної взаємодії, наприклад в реакціях
n e + e - ® n e + e - , n m + p ® p + p° + n m .
Експерименти по пошуку цих реакцій дали наступні обмеження на величину магнітного моменту:
Осциляції нейтрино . У 1958 Б. М. Понтекорво висловив гіпотезу, що якщо маса Н. не строго рівна 0 і немає строгого збереження лептонних зарядів, можливі осциляції Н., тобто перетворення одного вигляду Н. у іншій (аналогічно
осциляціям до-мезонів унаслідок незбереження дивацтва взаємодіях), наприклад
і т.д. Питання про осциляції може бути вирішений лише експериментально.
Взаємодії нейтрино
Як вже говорилося, взаємодія Н. з ін. частками здійснюється за допомогою слабкої взаємодії. Сучасна теорія універсальної слабкої взаємодії (узагальнена теорія Фермі), розроблена американськими вченими М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом, Р. Маршаком і Е. Сударшаном, описує всі процеси, що експериментально спостерігалися, за участю Н., а також передбачає ті, що ще не спостерігалися, наприклад пружне розсіяння Н. на електроні і мюоні: n e + e ® n e + e, n m + m ® n m + m. Експерименти по розсіянню Н. на електроні по своїй чутливості близько підійшли до можливості виявлення цих процесів, проте, виділити їх над рівнем фону доки не удалося.
Особливий інтерес представляє взаємодія Н. при високих енергіях. Згідно сучасної теорії слабкої взаємодії, перетин розсіяння Н. на ін. лептонах, наприклад реакції n m + е - ® n e + m - , повинне зростати із зростанням енергії пропорційно квадрату енергії в системі центру інерції (с. ц. і.) часток, що стикаються [або лінійно в лабораторній системі (л. с.)]. Проте таке зростання переріза взаємодії в локальній теорії Фермі не може відбуватися необмежено, т.к. прі енергіях ~300 Гев в с. ц. і. перетин досягає своєї природної межі, визначуваної так званою умовою унітарності (умовою того, що сумарна вірогідність всіх можливих процесів при зіткненні даних часток дорівнює 1). Можна чекати, що при цих енергіях (якщо виявиться справедливою сучасна теорія) слабка взаємодія стане «сильною» в тому сенсі, що перетини процесів множинного народження лептонів стануть порівнянними з перетином двочасткових процесів.
Експериментально доки удалося досліджувати лише процеси взаємодій Н. з сильно взаємодіючими частками (адронами ) . Спостерігалися квазіпружні процеси типа n e (n m ) + n ® p + е - (m - ) і непружні процеси, наприклад n e (n m ) + n ® n (p) + е - (m - ) + Np + N''K +..., де N, N'' — цілі числа. Для квазіпружних процесів можна теоретично передбачити хід перетину із зростанням енергії. Згідно з гіпотезою радянських учених С. С. Герштейна і Я. Б. Зельдовіча, нуклон є носієм «слабкого заряду», що зберігається, аналогічного електричному. Якщо це так, то «слабкий заряд» (як і електричний) має «розмазати» за об'ємом нуклона і нуклон при взаємодії з Н. повинен поводитися як протяжна частка. Тоді як перетин квазіпружного розсіяння Н. на точковому нуклоні зростає лінійно із зростанням енергії (у л. с.), на протяжному нуклоні, як показують розрахунки, воно досягає постійного значення при енергії Н. E n = 1—2 Гев. Експерименти підтвердили цю гіпотезу при E n = 1—5 Гев.
Для непружних процесів ситуація складніша. М. А. Марков висловив припущення, що повний переріз взаємодії Н. з нуклоном, не дивлячись на «обрізання» перетину в кожному окремому каналі реакції, повинно зростати лінійно із зростанням енергії (у л. с.) із-за необмеженого зростання числа можливих каналів. В рамках певних припущень це було доведено американськими ученими С. Адлером і Дж. Бьерксном. Як показав Р. Фейнман, така залежність перетину від енергії можлива, якщо нуклоном є хмара точкових часток («партонов»). Виміри, проведені в ЦЕРНе, узгоджуються з лінійним зростанням повного переріза в області E n = 1—10 Гев: s n = (0,69 ± 0,05)·10 -38 E n см 2 (у формулі енергія E n , виражена в Гев). Отримані також дані в дослідах з Н. космічних променів при енергії 10—100 Гев: s n = (0,55 ± 0,15)·10 -38 E n см 2 . Перші результати, отримані в Національній прискорювальній лабораторії США (Батавія), не протіворечат лінійному зростанню перетину до E n ~40 Гев. Т. о., всі дані узгоджуються з лінійним зростанням повного переріза взаємодії Н. з нуклоном при E n £ 100 Гев. Висловлювалося припущення, що перетин може лінійно зростати з енергією аж до геометричних розмірів нуклона (~ 10 -26 см 2 ) .
Існує теорія, відмінна від теорії Фермі, в якій слабка взаємодія здійснюється за рахунок обміну так званим проміжним бозоном. У цій теорії переріз взаємодії Н. як з лептонами, так і з адронами повинно «обрізуватися» при високих енергіях, причому енергія «обрізання» визначається масою проміжного бозона.
В 1973 вперше (ЦЕРН) в бульбашковій камері спостерігалася близько сотні випадків взаємодії n m і з ядрами з народженням адронів без утворення мюонів, а також (1974) декілька випадків розсіяння на електроні. Це, мабуть, свідчить про існування нового типа взаємодії Н. з адронами і лептонами через так звані нейтральні струми. Існування подібних взаємодій витікає, зокрема, з об'єднаної теорії слабких і електромагнітних взаємодій (див. Слабкі взаємодії ) .
У всіх перерахованих вище експериментах Н. виступає в ролі інструменту дослідження структури елементарних часток.
Природні джерела нейтрино
Природна радіоактивність. Будь-яке космічне тіло, у тому числі Земля містить значну кількість радіоактивних елементів і є джерелом Н. Регистрация антинейтрино від Землі в принципі можлива, проте методи реєстрації ще не розроблені.
Зіткнення протонів космічних променів з газом і реліктовими фотонами може приводити до народження заряджених p-мезонів, розпад яких супроводиться випусканням Н. (або антинейтрино). У цьому механізмі можлива генерація Н. з енергіями аж до Е n = 10 20 ев. Джерелом таких Н. є атмосфера Землі, а також ядро і диск Галактики, де зосереджена основна маса міжзоряного газу. Н. від зіткнення протонів надвисоких енергій з реліктовими фотонами випускаються у всьому світовому просторі. Існує гіпотеза, що Н. надвисоких енергій є причиною надпотужних широких атмосферних злив (див. Космічні промені ) .
Атмосфера Землі — доки єдине природне джерело, від якого удалося зареєструвати Н. Рождаются Н. у верхніх шарах атмосфери, де генерується найбільше число p- і до-мезонів. Вперше ідея експериментів з Н. космічних променів була висловлена М. А. Марковим (1960). Було запропоновано реєструвати глибоко під землею мюони з енергією 10—100 Гев від реакції n m + n ® р + m - (**). Реєструючи мюони з нижньої півсфери Землі і під великими зенітними кутами, можна позбавитися від фону атмосферних мюонів і мати чисті події нейтрино (**). Перші результати отримані в Індії і в Південній Африці в 1965 за допомогою спеціальних телескопів нейтрино ( мал. 4 ). До 1973 світова статистика налічувала понад сотню подій нейтрино.
Реакції термоядерного синтезу хімічних елементів — основний механізм генерації Н. у надрах Сонця і більшої частини зірок (в період їх «ядерної» еволюції).
Надгаряча плазма служить джерелом Н. у зірках на завершуючих етапах еволюції, а також в моделі гарячої Вселеної в перші долі секунди її виникнення. Можливі два види генерації Н. Первий пов'язаний з реакціями взаємного перетворення нуклонів
(так званий урка-процес) і може йти як на зв'язаних нуклонах ядер при температурах Т ~ 10 9 До, так і на вільних нуклонах при Т ³ 10 10 К. Второй спосіб, чисто лептонний, пов'язаний з реакціями типа
а також з реакціями
(фотонародження Н.),
(анігіляція нейтрино позитронних для електрона пар) і ін., які відбуваються, якщо існує гіпотетичне розсіяння n e + е ® n e + e (що передбачається теорією Фермі). Поки не удалося довести існування n e + е ® n e + е — розсіяння лабораторними методами (на Н. від реакторів і прискорювачів); вважається, що астрофізичні дані свідчать на користь існування такого процесу.
Реліктові моделі Н. Согласно гарячіше Вселеною, Н., випущені у момент її виникнення, випробовують сильне червоний зсув при космологічному розширенні Всесвіту. Такі реліктові Н. заповнюють весь світовий простір. У найбільш реалістичному варіанті моделі гарячіше Вселеною число мюонних і електронних Н. і антинейтрино однакове і складає ~ 200 частіц/см 3 , а середня енергія Н. — (2—3)×10 -4 ев, що відповідає температурі газу нейтрино 2—3 К. Для розуміння механізму розвитку Всесвіту дуже поважно експериментально встановити наявність реліктових Н. і виміряти температуру газу нейтрино.
В рамках моделі гарячіше Вселеною удається отримати найкращу оцінку для маси мюонного Н. Згідно з космологічними даними, щільність матерії у Всесвіті, що розширюється, не може перевищувати 10 -28 г/см 3 ; звідси слідує, що максимально можлива маса мюонного Н. складає ~ 300 ев (тобто значно нижче за верхню межу, встановлену лабораторними методами).
Нейтронізация речовини, тобто перетворення протонів на нейтрони за схемою р + е - ® n + n e , може служити потужним джерелом Н., коли зірка по яких-небудь причинах втрачає гравітаційну стійкість і коллапсируєт, перетворюючись на нейтронну зірку . При цьому величезне число Н., рівне по порядку величини числу протонів в зірці (~ 10 57 ), випускається за соті долі сек. Якщо коллапсируєт гаряча зірка, нейтронізация відбувається спільно з процесами характерними для гарячої плазми. Така ситуація можлива при вибухах найновіших і при колапсі гравітаційному .
Про можливість реєстрації Н. від Сонця і ін. зірок див.(дивися) Астрономія нейтрино .
Розвиток науки о Н. за останніх чверть століття переконливо довело що Н. з гіпотетичної частки перетворилося на потужний інструмент дослідження мікро- і макросвіту.
Літ.: Аллен Дж., Нейтрино, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1960; Аліханов А. І., Слабкі взаємодії. Новітні дослідження b-розпаду, М., 1960; Теоретична фізика 20 століть, М., 1962; Окунь Л. Би., Слабка взаємодія елементарних часток, М., 1963; Понтекорво Б. М., Нейтрино і його роль в астрофізиці, «Успіхи фізичних наук» 1963, т. 79, ст 1, с. 3; М. Маркова А., Нейтрино, М., 1964; Залізних І. М., Підземні експерименти нейтрино, «Успіхи фізичних наук». 1966, т. 89, ст 3, с. 513; Лі Ц. і Ву Ц., Слабкі взаємодії, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Бугаїв Е. Ст, Котів Ю. Д., Розенталь І. Л., Космічні мюони і нейтрино, М., 1970; Березінський Ст С., Нейтрино, М., 1973.
