Взаимодействие нейтрино

Несмотря на косвенное доказательство существования нейтрино и антинейтрино через законы сохранения, физики решили успокоиться только после обнаружения этих частиц. Для того чтобы обнаружить нейтрино или антинейтрино, необходимо, чтобы эти частицы вступили в распознаваемое взаимодействие с другими частицами.

Например, в процессе распада нейтрона до протона испускается антинейтрон. А может ли происходить обратный процесс, то есть превращение протона в нейтрон в результате поглощения антинейтрино? Тогда в процессе поглощения антинейтрино могли бы остаться какие-либо распознаваемые следы.

К сожалению, вероятность поглощения антинейтрино очень мала. Период полураспада нейтрона до протона равен 12 мин.

Это означает, что существует 50%-ная вероятность испускания нейтроном протона за эти 12 мин. Отсюда следует, что, если антинейтрино находится в непосредственной близости от протона в течение 12 мин, существует 50%-ная вероятность поглощения его протоном.

Однако антинейтрино не может находиться в непосредственной близости от протона не то что 12 мин, а и одной миллионной доли секунды. Безмассовые частицы, такие как нейтрино, антинейтрино, фотон и гравитон, сразу же после образования начинают движение со скоростью света и продолжают двигаться с этой скоростью до самого момента поглощения. Это значит, что антинейтрино будет находиться в непосредственной близости от протона всего лишь в течение 10^–28 с, а в этом случае вероятность взаимодействия между этими частицами крайне мала. Нейтрино и антинейтрино настолько малы, что для их поглощения необходимо твердое вещество толщиной в среднем 3500 световых лет.

Ситуация с фотоном диаметрально противоположна. Фотон также перемещается со скоростью света, однако, когда ситуация с энергией требует испускания атомов фотона, испускание происходит уже спустя 10^–8. Соответственно для успешного поглощения фотона частица должна находиться в непосредственной близости от атома в течение всего лишь 10^–8. Кроме того, длина волны фотона гораздо больше, чем нейтрино (если рассматривать обе частицы в виде волн), поэтому фотону для преодоления объекта необходимо больше времени, чем нейтрино, несмотря на то что обе частицы движутся с одинаковой скоростью.

Гамма-лучи поглощаются свинцовой плитой толщиной всего лишь 3 м. Видимый свет, длина волны которого еще больше, чем у гамма-лучей, настолько медленно проникает сквозь один атом, что поглощается веществом толщиной всего в несколько атомов.

Из этого вытекает одно очень важное для астрономии следствие. В процессе ядерного синтеза гелия из водорода протоны преобразуются в нейтроны, а вместе с фотонами образуются и нейтрино.

Фотоны несут 90–95% энергии, выделяемой солнечным ядром, в то время как нейтрино обладают лишь оставшимися 5–10% энергии.

Сразу после образования фотоны поглощаются и снова испускаются солнечным веществом; это повторяется снова и снова, поэтому в среднем сформировавшемуся в ядре фотону требуется около миллиона лет для того, чтобы добраться до поверхности Солнца и улететь в космос. Солнечное вещество является великолепным изолятором, о чем свидетельствует тот факт, что температура солнечного ядра составляет 15 000 000 C°, а температура поверхности, расположенной всего лишь на расстоянии 688 000 км, равна каким-то 6000 °C.

Однако образующиеся в ядре нейтрино не поглощаются солнечным веществом. Они пронзают солнечное вещество словно вакуум и со скоростью света вылетают наружу, достигая поверхности менее чем за 3 с. Столь быстрая потеря энергии снижает температуру солнечного ядра, но незначительно.

Некоторая часть солнечных нейтрино достигает Земли и проходит сквозь нее за ¹/₁₂₅ долю секунды. Через каждый квадратный сантиметр поперечного сечения Земли (и через нас с вами тоже) проходит около 10 млрд. нейтрино. Мы подвергаемся бомбардировке день и ночь, так как даже в ночное время стоящая на пути солнечных лучей Земля не защищает нас от нейтрино. С другой стороны, проходя через нас, нейтрино не вступают во взаимодействие с нашим организмом, поэтому они безвредны.

Существует возможность образования нейтрино и антинейтрино без участия протонов и нейтронов. Например, электронно-позитронная пара может образоваться из фотонов гамма-лучей, после чего электрон и позитрон вступают во взаимодействие и образуют нейтрино и антинейтрино:

e^– + e+ ? ?⁰ + ?^–. (Уравнение 14.3)

В этой реакции энергия, заряд, количество движения, угловой момент, а также электронное число сохраняются. Общее электронное число электрона и позитрона равно 0, как и у нейтрино и антинейтрино.

Вероятность такого электронно-позитронного взаимодействия чрезвычайно мала даже при температуре солнечного ядра, поэтому его нельзя принимать за важный источник нейтрино. Впрочем, в ходе образования звезды ядро становится все горячее и горячее и вероятность преобразования фотонов в нейтроны через электронно-позитронную пару растет.

Подсчитано, что при температуре 6 000 000 000 °С преобразование фотонов в нейтроны идет настолько интенсивно, что нейтроны несут большую часть энергии ядра такой звезды. Нейтроны тут же покидают ядро, унося с собой столько энергии, что ядро взрывается. При этом выделяется огромное количество энергии. Предполагается, что именно в результате этого звезды взрываются, образуя сверхновые.

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с другой частицей крайне мала, конечно же не означает, что такое взаимодействие невозможно. Необходимая для поглощения нейтрино толщина твердого материала в 3500 световых лет — это лишь усредненное значение. Для некоторых нейтрино требуется гораздо больше вещества, а для некоторых — гораздо меньше. Существует некоторая, пусть чрезвычайно малая, но не равная нулю вероятность того, что нейтрино поглотит вещество толщиной всего лишь в километр, а то и в несколько сантиметров.

В 1953 году американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес провели серию экспериментов, целью которых было доказать возможность такого взаимодействия. В качестве мишени для протонов они использовали огромные резервуары с водой (в воде много атомов водорода, ядра которых состоят из одного протона), поместив их на пути потока антинейтрино, испускаемых от термоядерного реактора. (Антинейтрино образовывались в результате быстрого преобразования нейтронов в протоны внутри ядер продуктов деления.)

Если согласно формуле, обратной формуле 14.1, для образования нейтрона антинейтрино должен присоединиться к протону, протон должен одновременно присоединить и электрон. Именно необходимость присоединения двух частиц одновременно сводит вероятность такой реакции практически до нуля. Однако поглощение электрона эквивалентно испусканию позитрона, и поэтому вероятное взаимодействие нейтрино и протона приобретает следующий вид:

?^– + p⁺ ? e⁺ + n⁰. (Уравнение 14.4)

В ходе такой реакции барионное число сохраняется, так как вместо протона (+1) появляется нейтрон (+1). Сохраняется и электронное число — антинейтрино (–1) заменяется позитроном (–1).

Коуэн и Райнес подсчитали, что в используемой ими водной мишени взаимодействия антинейтрино и протона должны происходить 3 раза в час. Неудобство заключалось в том, что одновременно происходило и огромное количество других явлений, связанных с космическими лучами, паразитными радиоактивными излучениями и т. п. Вначале эти нежелательные явления происходили в несколько раз чаще, чем искомые реакции антинейтрино. Со временем их количество удалось сократить до допустимого предела с помощью мощного экранирования, отсеивающего большую часть поступающих извне субатомных частиц, но конечно же не представляющего преграды для антинейтрино.

Оставалось лишь точно и с максимальной долей уверенности зафиксировать взаимодействие антинейтрино. В процессе этого взаимодействия образуются позитрон и нейтрон. Позитрон сразу же вступает в реакцию с электроном, сопровождающуюся испусканием в противоположных направлениях гамма-лучей известного запаса энергии.

Образующийся в результате взаимодействия нейтрон через несколько миллионных долей секунды поглощается атомами кадмия (кадмий в форме соединения хлорида кадмия добавляется в воду как раз в целях поглощения нейтронов), после чего атом кадмия, приведенный лишним нейтроном в возбужденное состояние, испускает гамма-луч (а иногда и три гамма-луча) известной частоты. Именно эта цепочка событий — испускание двух гамма-лучей определенной частоты, а затем испускание еще одного гамма-луча определенной частоты — и является признаком существования антинейтрино. Насколько известно, никакая другая частица не вызывает аналогичной цепочки событий.

В 1956 году по этой характерной схеме гамма-излучения удалось обнаружить существование нейтрона. Предположение, сделанное Паули еще 25 лет назад, наконец-то подтвердилось.