Предпосылки к открытию нейтрино

Существование нейтрино было доказано только в середине ХХ века. Этому факту предшествовал целый ряд наблюдений, вопросов и открытий.

В конце ХIХ века Анри Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана — самого тяжелого по тем временам элемента. Несколько позже стало ясно, что оно состоит из трех видов, разительно не похожих друг на друга и названных альфа-, бетаи гамма-лучами. Это событие положило начало истории физики частиц, частью которой является физика нейтрино. Открытие нейтрино связано с бета-излучением.

В начале ХХ века при изучении бета-распада радиоактивных ядер появилась проблема — нарушение законов сохранения энергии, импульса и момента импульса, сохранявшихся во всех других процессах и считавшихся фундаментальными.

К этому времени было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказалась бета-частица Беккереля. Такой процесс получил название бета-распада — спонтанного превращения атомного ядра в ядро-изобар с на единицу большим зарядом, в результате испускания электрона. Тогда еще не была известна протонно-нейтронная структура ядра (так как не был открыт нейтрон).

В 1914, когда английский физик Джеймс Чедвик обнаружил, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде атомных ядер (в отличие от альфа-частиц и гамма-квантов, испускаемых при других видах радиоактивных превращений), не строго определенные, а лежат в широком диапазоне значений. В большинстве случаев энергия была меньше той, какую они должны были теоретически иметь. Создавалось впечатление, что энергия куда-то исчезает, то есть происходит нарушение закона сохранения энергии. В то время даже Нильс Бор готов был признать, что законы сохранения в микромире могут не выполняться. Он утверждал, что не существует «ни экспериментальных, ни теоретических» доказательств, которые бы подтверждали справедливость закона сохранения энергии при бета-распаде.

нейротино опыт райнес Таким образом, было выяснено, что при бета-распаде электроны имеют непрерывный энергетический спектр в диапазоне от 0 до энергии, выделяющейся в реакции. А такое возможно только в случае образования 3-х частиц в процессе распада. Именно непрерывность спектра электронов, образующихся при распаде, и натолкнула Вольфганга Паули в 1930 году на предположение, что при бета-распаде одновременно с электроном рождается какая-то частица с полуцелым спином и очень малой массой, которая и уносит недостающую часть энергии. В своем знаменитом письме к Тюбингемскому научному конгрессу он написал: «…имея в виду … непрерывный в-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти „обменную статистику“ и закон сохранения энергии. Именно имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть „нейтронами“ и которые обладают спином Ѕ… Масса „нейтрона“ по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный в-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при в-распаде вместе с электроном испускается ещё и „нейтрон“, таким образом, что сумма энергий „нейтрона“ и электрона остаётся постоянной. Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь…».

Рис. 2. Вольфганг Паули

Паули предположил, что незамеченной эта частица остается потому, что не имеет электрического заряда и поэтому не участвует в кулоновских и сильных взаимодействиях, иными словами, не может производить те эффекты, по которым обычно регистрируют частицы. Именно эта частица могла уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить эту частицу экспериментально. Однако ее свойства, предсказанные Паули, делали её обнаружение чрезвычайно трудной задачей из-за слабого взаимодействия частицы с веществом.

Таким образом, на тот момент предполагалось 2 возможных решения проблемы бета-распада:

• 1. Невыполнение закона сохранения энергии в единичном акте бета-распада
• 2. Выполнение закона сохранения энергии и испускание некой неизвестной частицы в бета-распаде — нейтрино.

Дальнейшая история нейтрино тесно связана с гипотезой о протонно-нейтринной структуре ядра и теорией бета-распада.

Сразу после открытия нейтрона в 1932 г. Чедвиком, Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10−13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~1014 г/см3. Новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали сильным взаимодействием. Однако данная модель не давала ответ на следующий вопрос: «Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер?».

Ответ на этот вопрос был дан в 1934 году итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории бета-распада. Ферми использовал в своей теории гипотезу Паули. Он предложил называть частицу, охарактеризованную Паули, «нейтрино», что по-итальянски буквально означает «нейтрончик», по аналогии с тяжелой нейтральной частицей — нейтроном. Паули предположил, что бета-распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса бета-распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия, которое было названо слабым. В своей теории Паули сформулировал основные свойства нейтрино в их современном виде. Он представил процесс ядерного бета-распада как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, выполняются соответствующие законы сохранения) на три частицы — протон, электрон и нейтрино:

Рис. 3. Схема бета-распада нейтрона через испускание виртуального W—бозона

С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра бета-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии бета-электронов очень чувствительной к массе нейтрино. Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса нейтрино много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты бета-распада, и её успех привёл физиков к признанию нейтрино.

Как выяснилось позже, гипотеза Паули «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике.

После того как гипотеза о существовании нейтрино была сформулирована, необходимо было найти экспериментальные подтверждения.