Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из эксперимента Neutrino )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В Коуэн-Reines Neutrino эксперимент был проведен Вашингтонского университета в Сент - Луисе выпускником Клайд Л. Коуэн и Технологический институт Стивенса и Нью - Йоркского университета выпускник Райнес в 1956 году эксперимент подтвердил существование нейтрино . В 1930-х годах предполагалось, что нейтрино, субатомные частицы без электрического заряда и очень малой массы, являются важной частицей в процессах бета-распада . Такие частицы без массы и заряда обнаружить невозможно. В эксперименте использовался огромный поток (гипотетического) электрона.антинейтрино, исходящие от ближайшего ядерного реактора, и детектор, состоящий из больших резервуаров с водой. Наблюдалось взаимодействие нейтрино с протонами воды, что впервые подтвердило существование и основные свойства этой частицы.

Фон [ править ]

В течение 1910-х и 1920-х годов наблюдения электронов в результате ядерного бета-распада показали, что их энергия имеет непрерывное распределение. Если бы в процессе участвовали только атомное ядро ​​и электрон, энергия электрона имела бы единственный узкий пик, а не непрерывный энергетический спектр. Наблюдался только полученный электрон, поэтому его изменяющаяся энергия предполагала, что энергия не может сохраняться. [1] Это затруднительное положение и другие факторы побудили Вольфганга Паули попытаться решить проблему, постулируя существование нейтрино в 1930 году. Если фундаментальный принцип сохранения энергииЧтобы сохранить, бета-распад должен был быть трехчастичным, а не двухчастичным. Поэтому, помимо электрона, Паули предположил, что еще одна частица испускается из атомного ядра в бета-распаде. Эта частица, нейтрино, имела очень маленькую массу и не имела электрического заряда; его не наблюдали, но он нес в себе недостающую энергию.

Предложение Паули было разработано в предложенную теорию для беты - распада по Энрико Ферми в 1933 году [2] [3] Теория утверждает , что процесс распада беты состоит из четырех фермионов непосредственно взаимодействующих друг с другом. Благодаря этому взаимодействию нейтрон распадается непосредственно на электрон , предполагаемое нейтрино (позже определенное как антинейтрино ) и протон . [4] Теория, которая оказалась удивительно успешной, основывалась на существовании гипотетического нейтрино. Ферми первым представил свою «предварительную» теорию бета-распада в журнал Nature., который отверг его, «потому что он содержал предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя [5] ».

Одна из проблем с гипотезой нейтрино и теорией Ферми заключалась в том, что нейтрино, по-видимому, настолько слабо взаимодействует с другим веществом, что его никогда нельзя будет наблюдать. В статье 1934 года Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могут легко проходить через Землю без взаимодействия с какой-либо материей. [6] [7]

Возможность эксперимента [ править ]

Путем обратного бета-распада предсказанное нейтрино, точнее электронный антинейтрино ( ), должно взаимодействовать с протоном (
п
), чтобы произвести нейтрон (
п
) и позитрон ( ),

Вероятность возникновения этой реакции была мала. Вероятность возникновения любой данной реакции пропорциональна ее поперечному сечению . Коуэн и Райнс предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно6 × 10 −44  см 2 . Обычная единица измерения поперечного сечения в ядерной физике - сарай , который1 × 10 −24  см 2 и на 20 порядков больше.

Несмотря на низкую вероятность взаимодействия нейтрино, сигнатуры взаимодействия уникальны, что делает возможным обнаружение редких взаимодействий. Позитрон , то антиматерия двойник электрона , быстро взаимодействует с любым близлежащим электроном , и они аннигилируют друг с другом. Два результирующих совпадающих гамма-луча (
γ
) обнаруживаются. Нейтрон может быть обнаружен по его захвату соответствующим ядром, испускающим третий гамма-луч. Совпадение событий аннигиляции позитронов и захвата нейтронов дает уникальную сигнатуру взаимодействия антинейтрино.

Молекула воды состоит из кислорода и двух атомов водорода , и большинство атомов водорода воды имеет один протон для ядра. Эти протоны могут служить мишенями для антинейтрино, так что простая вода может служить основным детектирующим 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 протоны прочно связаны внутри ядер.

Настройка [ править ]

Учитывая небольшую вероятность взаимодействия одиночного нейтрино с протоном, нейтрино можно было наблюдать только с помощью огромного потока нейтрино. Начиная с 1951 года, Коуэн и Райнес, оба тогдашние ученые из Лос-Аламоса, штат Нью-Мексико , первоначально думали, что нейтринные вспышки в результате испытаний атомного оружия , которые тогда происходили, могут обеспечить требуемый поток. [8] В конечном итоге они использовали ядерный реактор в качестве источника нейтрино, как посоветовал руководитель физического подразделения Лос-Аламоса Дж. М. Б. Келлогг. Реактор имел нейтринный поток5 × 10 13 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр [9], что намного превышает любой поток, достижимый от других радиоактивных источников. Был использован детектор, состоящий из двух резервуаров с водой, предлагающих огромное количество потенциальных целей в протонах воды.

В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействовали с протонами в воде, рождались нейтроны и позитроны . Два гамма-излучения, создаваемые аннигиляцией позитронов, были обнаружены путем размещения резервуаров с водой между резервуарами, заполненными жидким сцинтиллятором . Материал сцинтиллятора излучает вспышки света в ответ на гамма-лучи, и эти световые вспышки регистрируются фотоумножителями .

Дополнительное обнаружение нейтрона от нейтринного взаимодействия обеспечило второй уровень уверенности. Коуэн и Райнс обнаружили нейтроны путем растворения хлорида кадмия CdCl 2 в резервуаре. Кадмий является высокоэффективным поглотителем нейтронов и испускает гамма-излучение, когда поглощает нейтрон.


п
 + 108CD → 109 кв.м.CD → 109
CD
 +
γ

Расположение было таким, что после события взаимодействия нейтрино были бы обнаружены два гамма-излучения от аннигиляции позитронов, а затем гамма-излучение от поглощения нейтронов кадмием через несколько микросекунд .

В эксперименте, который разработали Коуэн и Райнс, использовались два резервуара с общим объемом около 200 литров воды с около 40 кг растворенного CdCl 2 . Резервуары для воды были зажаты между тремя слоями сцинтиллятора, которые содержали 110 пятидюймовых (127 мм) фотоумножительных трубок.

Результаты [ править ]

Клайд Коуэн проводит нейтринный эксперимент около 1956 года.

Предварительный эксперимент был проведен в 1953 году на заводе Хэнфорд в штате Вашингтон , но в конце 1955 года эксперимент был перенесен на завод в Саванна-Ривер около Эйкена, Южная Каролина . Участок реки Саванна лучше защищал от космических лучей . Это защищенное место находилось в 11 м от реактора и в 12 м под землей.

После нескольких месяцев сбора данных накопленные данные показали около трех взаимодействий нейтрино в детекторе в час. Чтобы быть абсолютно уверенными в том, что они наблюдали нейтринные события из схемы обнаружения, описанной выше, Коуэн и Райнс остановили реактор, чтобы показать, что существует разница в скорости обнаруженных событий.

Они предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно 6 × 10 -44  см 2, а их измеренное поперечное сечение составляло6,3 × 10 −44  см 2 . Результаты были опубликованы в журнале Science от 20 июля 1956 года . [10] [11]

Наследие [ править ]

Клайд Коуэн умер в 1974 году в возрасте 54 лет. В 1995 году Фредерик Райнс был удостоен Нобелевской премии за свои работы по физике нейтрино . [7]

Основная стратегия использования массивных детекторов , часто на водной основе, для исследования нейтрино использовалась в нескольких последующих экспериментах [7], включая детектор Ирвина-Мичигана-Брукхейвена , Камиоканде , нейтринную обсерваторию Садбери и эксперимент Homestake . Хоумстейк Эксперимент - это современный эксперимент, который обнаружил нейтрино от ядерного синтеза в ядре Солнца. Обсерватории, подобные этим, зарегистрировали нейтринные всплески от сверхновой SN 1987A в 1987 году, когда зародилась нейтринная астрономия . Через наблюдения солнечных нейтриноНейтринная обсерватория Садбери смогла продемонстрировать процесс осцилляции нейтрино . Осцилляции нейтрино показывают, что нейтрино не являются безмассовыми, что является серьезным достижением в физике элементарных частиц. [12]

См. Также [ править ]

  • Список нейтринных экспериментов
  • Субатомные частицы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Stuewer, Roger H. (1983). «Ядерная электронная гипотеза». В Ши, Уильям Р. (ред.). Отто Хан и рост ядерной физики . Дордрехт, Голландия: Издательство Д. Риделя. С. 19–67. ISBN 978-90-277-1584-5.
  2. ^ Ян, CN (2012). «Теория β-распада Ферми». Информационный бюллетень по физике Азиатско-Тихоокеанского региона . 1 (1): 27–30. DOI : 10.1142 / s2251158x12000045 .
  3. Перейти ↑ Griffiths, D. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). стр.  314 -315. ISBN 978-3-527-40601-2.
  4. Перейти ↑ Feynman, RP (1962). Теория фундаментальных процессов . WA Бенджамин . Главы 6 и 7.
  5. Перейти ↑ Pais, Abraham (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. Bibcode : 1934Natur.133..689B . DOI : 10.1038 / 133689b0 . S2CID 4098234 . 
  7. ^ a b c "Нобелевская премия по физике 1995" . Нобелевский фонд . Проверено 24 августа 2018 .
  8. ^ "Эксперименты Рейнса-Коуэна: Обнаружение полтергейста" (PDF) . Лос-Аламосская наука . 25 : 3. 1997.
  9. ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-60386-3.
  10. ^ CL Cowan Jr .; Ф. Рейнес; Ф. Б. Харрисон; HW Kruse; А.Д. Макгуайр (20 июля 1956 г.). «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука . 124 (3212): 103–4. Bibcode : 1956Sci ... 124..103C . DOI : 10.1126 / science.124.3212.103 . PMID 17796274 . 
  11. ^ Зима, Клаус (2000). Физика нейтрино . Издательство Кембриджского университета . п. 38ff. ISBN 978-0-521-65003-8.
    Этот источник воспроизводит статью 1956 года.
  12. ^ Баргер, Вернон; Марфатия, Дэнни; Уиснант, Керри Льюис (2012). Физика нейтрино . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-12853-5.

Внешние ссылки [ править ]

  • Эксперимент Коуэна и Райнеса с нейтрино
  • Распад нейтрона
  • Бета-распад
  • Электронные нейтрино и антинейтрино
  • Эксперименты Cowan & Reines: полтергейст, Хэнфорд, река Саванна
  • Нейтрино с доктором Клайдом Л. Коуэном (Лекция об эксперименте, получившем Нобелевскую премию)