Чому придумали нейтрино?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У минулій статті я вже обіцяв відповісти на питання про те, як фізики дізналися про існування цієї «невловимої» частинки. Боюся, що розчарую вас або, принаймні, розбуджу ваш «здоровий скептицизм», якщо скажу, що нейтрино близько 80 років тому було відкрито … теоретично. Тому я хочу відразу заспокоїти читачів: недавно нейтрино спостерігалося і експериментально.
«Теоретичне відкриття» частинки було зроблено в 1931 році швейцарським фізиком Паулі. А ім’я йому дав італійський фізик Фермі. « Нейтрино» по-італійськи означає «маленький нейтральний», ймовірно, по-нашому можна було б сказати «нейтральненький».
«Винахід» нейтрино викликаний удаваним парадоксом, виявленим при дослідженні явища бета-радіоактивності. Розглянемо, наприклад, процес бета-розпаду нейтрона, який, як нам сьогодні відомо, відбувається за схемою: нейтрон – протон + електрон + антинейтрино. Спостерігачі «донейтринних часів» думали, що розпад цей відбувається за схемою: нейтрон – протон + електрон (без електрично нейтральних частинок).
Тут-то і виходив парадокс: виміряні енергії літаючого електрона виявилися не строго визначеними, а найрізноманітнішими. У деяких випадках у продуктів реакції явно не вистачало енергії. Складалося враження, що вона кудись зникає. Труднощі були настільки серйозними, що знаменитий вчений Нільс Бор навіть пропонував відмовитися від закону збереження енергії!
А «винахідник» нейтрино міркував так: якщо характеристики бета-розпаду несумісні з принципом збереження енергії, значить цей процес неправильно описаний. У розпаді повинна брати участь неспостережна в досліді нейтральна частинка, яка забирала «зниклу» енергію. І хоча в кожному процесі виділяється строго певна сумарна енергія всіх частинок, вона розподіляється між продуктами розпаду так, що в різних випадках електрон отримує різні її порції.
Отже, нейтрино – це частинка, яка при бета-розпаді забирає частину енергії. Так припустили фізики-теоретики . І відразу ж були передбачені властивості нової частинки: вона повинна бути електрично нейтральною і надзвичайно малою за масою. Інакше її було б неважко виявити.
Після того як гіпотеза про існування нейтрино була сформульована, фізики спробували знайти й інші докази його присутності в бета-розпаді. Як відомо, при перетвореннях часток зберігається не тільки енергія, а й імпульс. Закон збереження імпульсу, ймовірно, відомий читачеві: на ньому заснований принцип дії ракет. Якщо нейтрон, який відчуває бета-розпад, нерухомий, то його імпульс дорівнює нулю. А тоді і сумарний імпульс всіх частинок – продуктів розпаду теж повинен бути рівним нулю згідно з принципом збереження імпульсу . Чи так це?
У численних дослідах, перший з яких був поставлений російським фізиком Лейпунським, було показано, що сумарний імпульс електрона і протона при бета-розпаді спокійного нейтрона не дорівнює нулю. Це підтверджує гіпотезу нейтрино: «невловима» частка забирає «зниклий» імпульс. Підводячи підсумки, можна сказати, що нейтрино було винайдено «теоретично», що властивості цієї «не спостережної» частинки були постульовані, а потім підтверджені на дослідах.
Такий стан панував у фізиці останні роки. За цей час знайшлися люди, які забули, що нейтрино цілком матеріально і в принципі доступно реєстрації, що його «неспостережність» – тимчасова, викликана лише труднощами, пов’язаними з рівнем тодішньої експериментальної техніки. Але фізики, так само як і читачі цієї статті, мають право вимагати «залізної» перевірки гіпотези нейтрино.
ЯК СПІЙМАЛИ «НЕВЛОВИМЕ»
Спіймати «невловиме» – зафіксувати ефект, викликаний самим вільним нейтрино – ось що було необхідно для остаточного доказу існування цієї дивовижної частинки. Складність завдання полягала в тому, що довжина вільного пробігу нейтрино в твердій речовині, як вже говорилося, вимірюється мільйонами мільярдів кілометрів. Іншими словами, через кілометр твердої речовини треба пропустити мільйон мільярдів нейтрино, щоб лише одному з них дати шанс викликати який-небудь ефект. Здавалося б, завдання нерозв’язне. Але вона було вирішене.
Допоміг бурхливий розвиток нейтронної фізики, пов’язаний з відкриттям і технічним освоєнням атомної енергії. Відомо, яке величезне значення в науці і практиці мають ядерні реактори – пристрої, у яких вчиняється ділення ядер урану нейтронами. У кожному акті поділу утворюється кілька бета-радіоактивних ядер. І якщо справедлива гіпотеза про існування нейтрино, то в розпадах таких ядер нейтрони повинні відчувати перетворення згідно знайомої нам схеми: нейтрон – протон + електрон + антинейтрино.
Тому потужні реактори повинні бути інтенсивними джерелами антинейтрино. Як приклад розглянемо атомний реактор потужністю 300 тисяч кіловат. Повний потік енергії антинейтрино від нього складе десятки тисяч кіловат. Дуже багато! І все ж вловити «прослизаючі» частинки вкрай важко.
Про спробу зафіксувати нагрівання речовини не може бути й мови. Калориметричні вимірювання тут неможливі. Для того щоб, скажімо, половина енергії, перенесеної цим потоком частинок, звільнялася у вигляді тепла, необхідний поглинач масою 10 в 60 ступені тонн, що незмірно перевищує масу Сонця.
Зате реєстрація окремих подій, викликаних антинейтрино, можлива! Яким же способом? Фізики передбачили цікавий ядерний процес, який, безсумнівно, може бути викликаний нейтрино і антинейтрино, якщо вони існують, – процес зворотний бета-розпаду.
Уявіть собі, що антинейтрино зустрічається з протоном – ядром атома водню. Що станеться при цьому ? Теорія стверджує: будуть випадки, коли антинейтрино і протон перетворяться на позитрон і нейтрон: антинейтрино + протон нейтрон + позитрон. Вірогідність цього процесу, якщо він правильно описаний, можна добре розрахувати. А реєструючи його в експерименті, можна одночасно перевірити гіпотезу існування нейтрино. Зрозуміло, для експерименту необхідний дуже потужне джерело «невловимих» часток. Але згадуваний нами реактор потужністю в 300 тисяч кіловат цілком придатний для цієї мети.
Кожну секунду такий реактор випускає близько 5.10 в 19 ступені, тобто більше 10 мільярдів мільярдів антинейтрино! На відстані 10 метрів від реактора через кожен квадратний сантиметр очікуваний потік антинейтрино складе приблизно 10 в 13 ступені частинок в секунду. Такий потік антинейтрино, бомбардують тонною водородомісткої речовини (інакше кажучи, запас протонів), який з розрахунку повинен кожну годину викликати близько 100 перетворень протонів на нейтрони.
І це передбачення збулося. Воно підтвердилося в блискучому досліді, виконаному в 1957 році американськими фізиками Райнсом і Коуеном. «Невловима» частка була, нарешті, спіймана.
Кілька слів про постановку експерименту. Потік антинейтрино прямував у величезний «сцинтиляційний» лічильник – цистерну з водородомісткою речовиною, здатною випромінювати спалах світла («Сцинтиляцій»), коли через нього проходила електрично заряджена частинка. Кожен такий спалах реєстрували фотоелементи. Явища відбувалися в наступному порядку.
Як тільки протон, якому випала доля зустріти антинейтрино, перетворювався на нейтрон і позитрон, останній давав спалах і реєструвався фотоелементами. А через деякий час нейтрон сповільнювався. І коли він ставав зовсім повільним, захоплювався одним з ядер атомів речовини лічильника. При цьому народжувалися кванти електромагнітного випромінювання, які реєструвалися в тому ж сцинтиляторі.
Як бачите, кожна взаємодія антинейтрино з протоном спричиняла два спалахи світла. Один з них фіксувався відразу ж, а інший – з деякою затримкою. Дослід був надзвичайно важким. Досить сказати, що обсяг сцинтилятора приблизно в тисячу разів перевищував звичайний обсяг подібних пристроїв, що використовуються в дослідницьких роботах з ядерної фізики. Довелося використовувати більш ста фотопомножувачів. Необхідність величезної величини сцинтилятора викликана тим, що завдяки «інертності» антинейтрино менший обсяг приладу привів би до дуже незначного числа реєстрованих подій. Для підготовки та виконання цього унікального експерименту потрібно більше п’яти років!
Автор: Б. Понтекорво.