Hейтрино
Краткое сожержание материала:
Размещено на
Содержание
Введение
Глава 1. История открытия Нейтрино
1.1 Теория Ферми. Гипотеза Паули
1.2 Первые эксперименты по обнаружению Нейтрино
1.3 Мюонные Hейтрино
Глава 2.Основные свойства Нейтрино
2.1 Спин и спиральность Hейтрино
2.2 Массы Hейтрино
2.3 Уравнение свободного движения Hейтрино
2.4 Нетождественность Hейтрино и антинейтрино
2.5 Типы Hейтрино
Глава 3. Взаимодействия Нейтрино
3.1 Нейтринные эксперименты
Заключение
Литература
Введение
нейтрино болометрический кристалл
Hейтрино (обознач. v) - в переводе лёгкий (не имеет массу) электрически нейтральная не имеет цвета частицы со спиновым чмслом 1/2. Hейтрино участвует в слабом и гравитац. взаимодействиях, принадлежит к классу лептопов, а по статистич. свойствам являетсяфермионом. Наблюдались Hейтрино трёх типов: электронные (ve), мюонные (vm) и т-нейтрино (vт) в соответствии с наличием трёх типов заряж. лептонов. Hейтрино каждого типа имеют античастицу - антинейтрино (). Нестабильность Hейтрино пока не обнаружена. Отличительное свойство Hейтриноэто очень сильная проникающая способность при пониженныхнапряжениях и быстроеподнятие сечения взаимодействия с увеличением энергии.
Hейтрино - часто встречается объектами, как и фотонами. Они испускаются при превращениях атомных ядер и в распадах частиц (m, p, К и т. д.); процессы, приводящие к образованию H., происходят в недрах Земли, её атмосфере, внутри Солнца и др. звёзд; при этом H. (за редким исключением) беспрепятственно выходят из источников своего возникновения. Предсказывается генерация мощных нейтринных вспышек при гравитационных коллапсах звёздных ядер. Согласно модели горячей Вселенной, космическое пространство заполнено реликтовыми H. с энергией ~10-4 эВ и плотностью 300 v/см3. Потоки высокоэнергичных H., вплоть до ~ 1021 эВ, генерируются во взаимодействиях космических лучей с межзвёздной средой. В лаб. условиях пучки H. создаются с помощью радиоактивных источников, ядерных реакторов, на ускорителях протонов высокой энергии (>> 1 ГэВ) и мезонных фабриках.
С уникальной проникающей способностью H. связано развитие таких направлений, как нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. При увеличении плотности вещества и пространств.масштабов явлений роль H. возрастает. Наблюдаемые потоки H. несут информацию о процессах, происходящих в центре Солнца и межзвёздном пространстве, о ранней Вселенной и конечных стадиях эволюции звёзд (см. Нейтринная астрофизика ).Предполагается использовать пучки H. для исследования строения Земли, поиска полезных ископаемых и т. д.
Изучение таких процессов с участием H.. как b-, m-, W-распады, v-рассеяние на нуклонах и электронах, сыграло решающую роль в построении и проверке теории электрослабого взаимодействия. Hейтрино из трудноуловимого объекта превратилось в инструмент исследования структуры др. частиц.
1. История открытия Hейтрино
1.1 Гипотеза Паули. Теория Ферми
Представление о H. было введено в 1930 В. Паули (W.Pauli) с целью разрешить парадоксы b-распада [1]. Первый из них касался "несохранения энергии". При переходе между двумя стационарными состояниями ядер вылетали электроны с произвольными энергиями вплоть до нек-рой граничной; их спектр, впервые измеренный в 1914 Дж. Чедви-ком (J.Chadwick) в распаде 21083Bi(RaE) 21084Ро + е-, оказался непрерывным. Ни потерь энергии при вылете электронов из атомов, ни эл--магн. излучения, сопутствующего электронам, не было обнаружено [калоримет-рич. эксперимент Ч. Эллиса (Ch. Ellis) и У. А. Вустера (W. A. Wooster)]. Второй парадокс состоял в нарушении Паули теоремы о связи спина со статистикой: у начального и конечного ядер в b-распаде статистика одинакова (т. к. одинаковые ат. номера А), и, следовательно, электрон должен был бы подчиняться Возе - Эйнштейна статистике. В действительности же он подчиняется Ферми - Дирака статистике, т. к. его спин равен 1/2.
В письме участникам семинара в Тюбингене (Германия) Паули высказал гипотезу о существовании новой электрически нейтральной сильно проникающей частицы ("нейтрона") со спином 1/2. В b-распаде с каждым электроном испускается такой "нейтрон", причём сумма энергий электрона и "нейтрона" постоянна. T. о. оба парадокса были разрешены. Оставался вопрос: как удерживается H. в ядре? Его решение было связано с открытием в 1932 "настоящего" нейтрона и построением в 1934 Э. Ферми (E.Fermi) теории b-распада [при этом Ферми предложил называть частицу Паули уменьшительно от "нейтрон" - "нейтрино" (итал.)]. Подобно тому, как возбуждённый атом испускает фотон, в b-распаде один из нейтронов ядра испускает пару - электрон и H. (точнее, антинейтрино), и превращается в протон:
(для b+-распада соответственно: p n + e++ + ve). В исходном ядре H. нет. Согласно теории Ферми, взаимодействие всех 4 частиц, происходит в одной точке пространства одновременно. Эта теория объяснила основные черты b-распада [форму спектра, связь граничной энергии (Q)со временем распада] и, т. о., явилась первым подтверждением гипотезы о H. Были предсказаны новые процессы с участием H.: обратный b-pacпада.
и электронный захват:
1.2 Первые эксперименты по обнаружению Нейтрино
Несмотря на успех теории Ферми, требовались качественно новые подтверждения реальности H. как частицы. Кроме энергии H. должно уносить импульс. Первые эксперименты, проведённые в 1936 А. И. Лейпунским, дали лишь слабые указания на неколлинеарность импульсов электрона и конечного ядра в b-распаде. В 1938 А. И. Алиханов и А. И. Алиханян предложили исследовать отдачу ядра 7Li в реакции K-захвата: 7Be + е- 7Li + ve, в к-рой импульс7Li должен быть равен по величине и противоположен по направлению импульсу ve. Эксперимент был осуществлён Дж. Алленом (J.Allen) в 1942, и его результаты оказались в согласии с предсказаниями [2].
Решающим доказательством того, что H.- физ. частица, является обнаружение её взаимодействий на нек-ром расстоянии от точки рождения. Эксперименты по поиску ионизации воздуха под действием H. не принесли положит. результата [Чедвик и др., 1933, M. Ha-миас (M. E. Nahmias), 1934]. Лишь через 23 года после формулировки гипотезы Паули успех был достигнут на пути регистрации обратного b-распада (2). Ещё в 1934 X. Бете (H. A. Bethe) и P.Пайерлс (R.Pei-erls), используя теорию Ферми, оценили вероятность этого процесса, к-рая оказалась исключительно малой. Она соответствует тому, что H. с энергией 3 - 10 МэВ должно пройти в среднем расстояние в 100 световых лет в веществе с плотностью воды, прежде чем испытает взаимодействие. Регистрация столь редких событий стала возможной лишь после создания ядерных реакторов, являющихся мощными источниками антинейтрино, и больших водородсодержащих сцинтилляц. детекторов. Эксперимент был осуществлён Ф. Райнсом (F.Reines) и К. Коуэном (С. L. Cowan) в 1953-56 [3] (рис. 1).
Рис.1.Схема установки Райнса - Коуэна (1956-57): 1 - мишени; 2 - сцинтилляционные детекторы; 3 - ФЭУ
Реакция (2) происходила под действием от реактора на протонах, содержащихся в воде, в к-рой была растворена соль CdCl2. Регистрировались оба продукта реакции -е+ и n. Позитрон практически мгновенно тормозился и аннигилировал с электроном среды, давая первую сцинтилляц. вспышку. Нейтрон, рассеиваясь на водороде, замедлялся в течение 5-10 мкс и затем захватывался ядром кадмия; образовавшееся возбуждённое ядро Cd* испускало g-кванты с энергиями 3-10 МэВ, к-рые, попадая в детекторы, давали вторую сцинтилляц. вспышку. Характерная цепочка событий - две вспышки с интервалом 5 -10 мкс позволяла с помощью техники запаздывающих совпадений достаточно надёжно выделить сигнал из фона. Измеренное сечение реакции (2) находилось в согласии с предсказанием.
1.3 Мюонные Hейтрино
Представление о мюонных H., отличающихся от электронных H., испускаемых при b-распаде, возникло в связи с изучением распадов мюона, p- и К-мезонов. Было установлено, что распады этих частиц сопровождаются вылетом H.:
На нетождественность vm и ve, т. е. частиц, к-рые рождаются вместе с мюонами и электронами, указывало отсутствие каналов распада m еg, m ее+е-и др. Идею о двух типах H. сформулировали в 1957 M. А. Марков, Ю. Швингер (J.Schwinger), К.Нишид-жима (К. Nishijima) и др. [4], а её проверка [предложенная Б. M.Понтекорво и независимо от него M. Шварцем (M.Schwartz)] была осуществлена в экспериментах на ускорителях в Брукхейвене, США [1962, Л. M.Ледерман (L. M. Lederman), M.Шварц, Дж. Стейн-бергер (J.Steinberger)] и в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), Швейцария (1964). Было показано, что во взаимодействиях H. от распадов (5) и (6) с ядрами мишени рождаются мюоны: vm + np + m-и не происходит генерации электронов. Так были открыты мюонные Hейтрино т-нейтрино. В 1975 в Станфорде (США) на встречных е+е--пучках группойфизиков во главе с M. Л. Перлом (M. L. Perl) в реакции е+ + е- t++ т- был открыт новый, тяжёлый лептон с массой ок. 1,8 ГэВ - т-лептон (см. Тау-лептон)[6].
Рис .1. Объединение двойных нейтринных звё...
