Открытие нейтрино. 
История нейтринной физики

Все вышеперечисленные доказательства показывали лишь образование нейтрино в точке распада. То есть они лишь доказывают выполнение законов сохранения при возможном существовании нейтрино. Для того, чтобы с полной уверенностью говорить о существовании нейтрино, необходимо было детектировать нейтрино в свободном состоянии — на некотором расстоянии от места его рождения. Такое экспериментальное подтверждение существования теоретически предсказанной частицы произошло лишь спустя 23 года после предположения Паули, когда Фредерику Райнесу (Frederick Reines) и Клайду Коэну (Clyde Cowan) удалось запечатлеть результаты взаимодействия нейтрино, используя ядерный реактор деления в качестве источника частиц и сцинтилляционный детектор — в качестве детектора.

Рис. 4. Фред Райнес и Клайд Коэн в центре управления хэнфодского эксперимента «Project Poltergeist» (1953)

В 1953 году ученые впервые попытались продемонстрировать существование нейтрино, до тех пор считавшегося чисто гипотетической частицей. Учитывая ее «призрачные» свойства, эксперимент был назван «Проект Полтергейст» .

Как уже было сказано, сложность этой задачи объяснялась колоссальной проникающей способностью, которой как ожидалась обладает нейтрино. Например средний пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет примерно 1015 км. Для того чтобы представить величину проникающей способности нейтрино достаточно вспомнить, что расстояние от Земли до Солнца равно примерно 150 млн. км, т. е. 1,5×108 км. Тогда мы получаем, что нейтрино могут беспрепятственно проникать сквозь свинцовую плиту, толщина которой в миллионы раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Для сравнения также можно привести еще одну величину — расстояние от Солнца до центра нашей Галактики — около 1016 км.

При этом для надежного экспериментального подтверждения существования нейтрино физикам требовалось зафиксировать хотя бы несколько сотен частиц. И все же эта, казалось бы, неразрешимая задача была решена. Очевидно, что пропускать одно нейтрино сквозь астрономическую толщину вещества, чтобы оно с большой вероятностью прореагировало, нереально. Был реализован другой вариант — пропускать астрономическое число нейтрино через метровую толщину жидкого или твердого вещества. Такой эксперимент стал возможен благодаря использованию появившихся за десятилетие до этого ядерных реакторов (первый реактор был создан вышеупомянутым Энрико Ферми в 1942 г. в Чикаго, США).

Как известно, ядерные реакторы — это устройства, имеющие огромное значение в науке и практике, в которых совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. И если справедлива гипотеза о существовании нейтрино, то в распадах таких ядер нейтроны должны испытывать превращения в протоны с образованием электрона и антинейтрино.

То есть мощные реакторы должны быть интенсивными источниками антинейтрино. Например атомный реактор мощностью 300 тысяч киловатт каждую секунду испускает около 5*1019 антинейтрино. Но даже при такой плотности потока нейтрино задача все равно остается очень трудной.

Однако регистрация отдельных событий, вызванных антинейтрино, возможна. Реакцией, позволяющей такую регистрацию, является обратный бета-распад. В частности, в своем эксперименте Райнес и Коэн решили использовать реакцию взаимодействия антинейтрино с протоном:

Вероятность этого процесса можно было рассчитать, и, регистрируя продукты реакции в эксперименте, одновременно проверить гипотезу существования нейтрино.

Выбор именно этой реакции Райнес объяснял ее простотой. Важным фактором было то, что в 1949 году Л. Херфордом (Lieselott Herforth) и Х. Колманном (Hartmut Kallmann) была открыта и описана сцинтилляция в органических жидкостях. И именно такой сцинтиллятор мог быть использован для построения большого детектора, который был необходим в данном эксперименте. Нужно отметить, что в то время большим считался детектор объемом порядка 1 л.

Как уже было сказано, вторым (помимо потока нейтрино) необходимым для регистрации нейтрино компонентом был большой водородсодержащий детектор. Объем используемого в данном эксперименте детектора составил 300 л, которые просматривались 90 ФЭУ, разделенные на 2 группы по 45 ФЭУ каждая, для регистрации совпадающего сигнала. Возникающие в результате реакции с протонами позитроны регистрировались по аннигиляционным г-квантам, образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени.

Детектирование осуществлялось с помощью сцинтиллятора — вещества, способного испускать вспышку света (сцинтилляцию), когда сквозь него проходит частица. В качестве протонной мишени использовался жидкий растворенный в сцинтилляторе пропионат кадмия C3H5CdO2.

В эксперименте предполагалось использовать реактор в Хэнфорде (Hanford) (Вашингтон, США). На расстоянии 10 метров от реактора ожидаемый поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр составлял примерно 1013 частиц в секунду. Такой поток антинейтрино, бомбардирующих тонну водородосодержащего вещества (источник протонов), по расчету должен вызывать примерно 100 реакций обратного бета-распада в час.

О сложности выполненного эксперимента можно судить по следующим фактам. Всего было проведено 2 серии экспериментов. Расчетная интенсивность событий должна была составлять ~0,2 событиямин. В первой серии нейтрино на ректоре в Хэнфорде не удалось обнаружить из-за высокого фона порядка 0,4±0,2 событиямин, существующего при выключенном детекторе. Этот сигнал был вызван, как выяснилось впоследствии после проведения подземных испытании в лаборатории в Лос-Аламосе, космическими лучами.

Рис. 5. Схема детектора в опыте Райнеса и Коэна по регистрации антинейтрино. Обозначения на схеме:

• 1. — два жидких сцинтилляционных детектора (1400 л каждый) для регистрации антинейтрино;
• 2. — сцинтилляционный детектор (также 1400 л) для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1;
• 3. — две водяные мишени объемом 200 л каждая
• 4. — две группы фотоумножителей, включенные на совпадение;
• 5. — третья группа фотоумножителей, включенная на антисовпадения;
• 6. — электронная аппаратура;
• 7. — двулучевой осциллограф;
• 8. — свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

Для второй серии экспериментов был произведен ряд усовершенствований установки. В качестве водородосодержащего вещества — протонной мишенииспользовались два бака по 200 л каждый, заполненные раствором хлористого кадмия в воде (CdCl2+H2O). Образующиеся в результате аннигиляции гамма-кванты вызывали световые вспышки в жидком сцинтилляторе, который представлял собой 3 емкости по 1200 л каждая, расположенных по обе стороны от двух протонных мишеней. Световые вспышки регистрировали 100 фотоумножителей.

Кроме того, для отсечения космических лучей использовался 3-й сцинтилляционный детектор, работающий по схеме антисовпадений — в случае попадания в него частицы извне происходило выключение установки на некоторое время.

Во второй серии экспериментов, длившихся в течение 100 дней на атомном реакторе в Саванна-Ривер (Savannah River) (Южная Каролина, США), была улучшена техника детектирования за счет схемы антисовпадений, усилена защита детектора от фонового излучения — детектор находился в 12 м. под землей и в 11 м. от реактора. В результате было зарегистрировано 567 событий, отношения полезного сигнала к суммарному случайному фону составляло 4 к 1.

В процессе эксперимента ученые последовательно доказали следующее:

• ?регистрируются именно реакторные антинейтрино;
• ?связанный с реактором сигнал согласовывается с теоретическими предсказаниями;
• ?первый импульс сигнала совпадений обусловлен позитронной аннигиляцией;
• ?второй импульс обусловлен захватом нейтрона;
• ?величина захвата нейтрино зависит от количества протонов в мишени;
• ?с помощью используемой схемы детектирования исключается регистрация частиц, отличных от нейтрино.

В частности, для доказательства первого утверждения был измерен и сравнен счет при включенном и при выключенном реакторе.

Для величины сечения реакции захвата антинейтрино протоном, зная указанную выше оценку потока нейтрино от реактора и высчитав чувствительность детектора при его калибровке радиоактивным источником, было получено значение находящееся в хорошем согласии с предварительными теоретическими оценками.

Все эти факты позволили утверждать, что результатом опытов Райнеса и Коэна является доказательство взаимодействия антинейтрино с протоном, что приводит к образованию в конечном состоянии нейтрона и позитрона.

Подготовка и выполнение этого уникального эксперимента потребовали более пяти лет. Годом открытия нейтрино считается 1956 г. Сложность и важность данного эксперимента подчеркивает то, что за участие в этих исследованиях и последующие эксперименты Фредерик Райнес был удостоен в 1995 году Нобелевской премии.