Нейтринный эксперимент Коуэна – Райнса - Cowan–Reines neutrino experiment

В Нейтринный эксперимент Коуэна – Райнса проводился Вашингтонский университет в Сент-Луисе выпускник Клайд Л. Коуэн и Технологический институт Стивенса и Нью-Йоркский университет выпускник Фредерик Райнес в 1956 г. Эксперимент подтвердил существование нейтрино. Нейтрино, субатомные частицы без электрический заряд и очень малой массой, как предполагалось, является важной частицей в бета-распад процессы в 1930-е гг. Без массы и заряда такие частицы оказалось невозможно обнаружить. В эксперименте использовался огромный поток (гипотетического) электрона. антинейтрино исходящий от ближайшего ядерного реактора и детектора, состоящего из больших резервуаров с водой. Наблюдалось взаимодействие нейтрино с протонами воды, что впервые подтвердило существование и основные свойства этой частицы.

Задний план

В 1910-1920-х годах наблюдения электронов из ядерной бета-распад 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 привели к Вольфганг Паули попытаться решить проблему, постулируя существование нейтрино в 1930 году. Если фундаментальный принцип энергосбережение Чтобы сохранить, бета-распад должен был быть трехчастичным, а не двухчастичным. Поэтому, помимо электрона, Паули предположил, что еще одна частица испускается из ядра атома 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 развито в теория бета-распада от Энрико Ферми в 1933 г.[2][3] Теория утверждает, что процесс бета-распада состоит из четырех фермионы напрямую взаимодействуют друг с другом. Благодаря этому взаимодействию нейтрон распадается прямо на электрон, предполагаемыйнейтрино (позже определено как антинейтрино ) и протон.[4] Теория, которая оказалась чрезвычайно успешной, основывалась на существовании гипотетического нейтрино. Ферми первым представил в журнал свою "предварительную" теорию бета-распада. Природа, 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 г. Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могут легко проходить через Землю без взаимодействия с какой-либо материей.[6][7]

Возможность эксперимента

От обратный бета-распад предсказанное нейтрино, вернее электронный антинейтрино (), должен взаимодействовать с протон (
п
) произвести нейтрон (
п
) и позитрон (),

Вероятность возникновения этой реакции была мала. Вероятность возникновения любой данной реакции пропорциональна ее вероятности. поперечное сечение. Коуэн и Райнс предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно 6×10−44 см2. Обычной единицей для сечения в ядерной физике является сарай, который 1×10−24 см2 и на 20 порядков больше.

Несмотря на низкую вероятность взаимодействия нейтрино, сигнатуры взаимодействия уникальны, что делает возможным обнаружение редких взаимодействий. В позитрон, то антивещество аналог электрон, быстро взаимодействует с любыми поблизости электрон, И они уничтожать друг друга. Два результирующих совпадения гамма лучи (
γ
) обнаруживаются. Нейтрон может быть обнаружен путем его захвата соответствующим ядром, испускающего третий гамма-луч. Совпадение событий аннигиляции позитронов и захвата нейтронов дает уникальную сигнатуру взаимодействия антинейтрино.

А молекула воды состоит из кислорода и двух атомы водорода, и большинство атомов водорода воды имеют один протон в качестве 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.

Настроить

Учитывая небольшую вероятность взаимодействия одиночного нейтрино с протоном, нейтрино можно было наблюдать только с использованием огромного потока нейтрино. Начиная с 1951 года, Коуэн и Райнс, оба тогдашние ученые в Лос-Аламос, Нью-Мексико, изначально думали, что нейтринные всплески из испытания атомного оружия происходившие тогда могли обеспечить необходимый поток.[8] В конце концов они использовали ядерного реактора в качестве источника нейтрино, как посоветовал руководитель физического отдела Лос-Аламоса Дж. Келлогг. Реактор имел нейтринный поток 5×1013 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр,[9] намного выше, чем любой поток, достижимый от других радиоактивный источники. 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 протоны в воде, нейтроны и позитроны были созданы. Два гамма-излучения, создаваемые аннигиляцией позитронов, были обнаружены путем размещения резервуаров с водой между резервуарами, заполненными жидкостью. сцинтиллятор. Материал сцинтиллятора испускает вспышки света в ответ на гамма-лучи, и эти световые вспышки обнаруживаются фотоумножитель трубки.

Дополнительное обнаружение нейтрона от нейтринного взаимодействия обеспечило второй уровень уверенности. Коуэн и Райнс обнаружили нейтроны путем растворения хлорид кадмия, CdCl2, в баке. Кадмий является высокоэффективным поглотителем нейтронов и испускает гамма-излучение при поглощении нейтрона.


п
 + 108
Компакт диск
 → 109 кв.м.
Компакт диск
 → 109
Компакт диск
 +
γ

Расположение было таким, что после события взаимодействия нейтрино были бы зарегистрированы два гамма-кванта от аннигиляции позитрона, а затем гамма-излучение от поглощения нейтрона кадмием через несколько секунд. микросекунды позже.

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 сцинтиллятор слои, содержащие 110 пятидюймовых (127 мм) фотоумножитель трубки.

Результаты

Клайд Коуэн проводит нейтринный эксперимент около 1956

Предварительный эксперимент был проведен в 1953 г. Хэнфорд сайт в Штат Вашингтон, но в конце 1955 г. эксперимент переместился в Завод Саванна Ривер около Айкен, Южная Каролина. Участок реки Саванна лучше защищался от космические лучи. 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 уверенным, что они видели нейтрино событий из схемы обнаружения, описанной выше, Коуэн и Райнс остановили реактор, чтобы показать, что существует разница в частоте обнаруженных событий.

Они предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно 6×10−44 см2 и их измеренное поперечное сечение было 6.3×10−44 см2. Результаты были опубликованы в выпуске журнала от 20 июля 1956 г. Наука.[10][11]

Наследие

Клайд Коуэн умер в 1974 году в возрасте 54 лет. В 1995 году Фредерик Райнес был удостоен Нобелевская премия за его работу над нейтрино физика.[7]

Основная стратегия использования массовых детекторы, часто на водной основе, для исследования нейтрино использовались в нескольких последующих экспериментах,[7] в том числе Ирвин – Мичиган – Брукхейвен детектор Камиоканде, то Нейтринная обсерватория Садбери и Хоумстейк Эксперимент. Хоумстейк Эксперимент - это современный эксперимент, который обнаружил нейтрино от ядерного синтеза в солнечном ядре. Обсерватории, подобные этим, зарегистрировали всплески нейтрино от сверхновая звезда SN 1987A в 1987 г. рождение нейтринная астрономия. Наблюдая за солнечные нейтрино, Нейтринная обсерватория Садбери смогла продемонстрировать процесс осцилляция нейтрино. Осцилляции нейтрино показывают, что нейтрино не являются безмассовыми, что является серьезным достижением в физике элементарных частиц.[12]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Стювер, Роджер Х. (1983). «Ядерная электронная гипотеза». В Ши, Уильям Р. (ред.). Отто Хан и рост ядерной физики. Дордрехт, Голландия: издательство D. Riedel Publishing Company. С. 19–67. ISBN  978-90-277-1584-5.
  2. ^ Ян, К. Н. (2012). "Теория β-распада Ферми". Информационный бюллетень по физике Азиатско-Тихоокеанского региона. 1 (1): 27–30. Дои:10.1142 / с2251158x12000045.
  3. ^ Гриффитс, Д. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). стр.314 –315. ISBN  978-3-527-40601-2.
  4. ^ Фейнман, Р.П. (1962). Теория фундаментальных процессов. В. А. Бенджамин. Главы 6 и 7.
  5. ^ Паис, Авраам (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:1934Натура.133..689Б. Дои:10.1038 / 133689b0. S2CID  4098234.
  7. ^ а б c «Нобелевская премия по физике 1995 г.». Нобелевский фонд. Получено 2018-08-24.
  8. ^ "Эксперименты Райнса-Коуэна: обнаружение полтергейста" (PDF). Лос-Аламос Сайенс. 25: 3. 1997.
  9. ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы. Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-60386-3.
  10. ^ C. L Cowan Jr .; Ф. Рейнес; Ф. Б. Харрисон; Х. В. Крузе; А. Д. Макгуайр (20 июля 1956 г.). «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука. 124 (3212): 103–4. Bibcode:1956 г., наука ... 124..103C. Дои: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