Физика нейтрино (стр. 10 из 13)

Рис.5. Схема установки используемой лионской группой.

- 37 -

Под высочайшим из альпийских пиков - Монбланом - проложен туннель длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннеля рас- положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двух километров горных пород или около 4000 метров водного эквивалента. Такая мощная защита в миллионы раз ослабляет поток космических мюо- нов.

Внешняя защита - парафин - замедляет быстрые нейтроны, рождающиеся при взаимодействии мюонов с веществом или связанные с распадом естественных радиоактивных элементов. Дальше идет слой кадмия - "абсолютно черный", т.е. полностью поглощающий медленные нейтроны. Против гамма - квантов ведет борьбу защита из свинца. Сначала слой обычного свинца, но в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория. Кроме того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многие материалы оказались "зараженными" радиоактивностью. Для человека эта радиоактивность совершенно не заметна - она в сотни и тысячи раз меньше естественного фона, но для таких низкофоновых установок она может оказаться опасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный - с низким уровнем радиоактивности. Последний слой пассивной защиты - слой многократно очищенной перегонкой ртути. И, наконец, сердце установки - германиевый детектор.

Через хладопровод низкая температура от дюара с жидким азотом передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнял двоякую роль. С одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, а с другой - их источником. Дело в том, что в природном германии содержится около 7,5 % германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 с излучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарная энергия равна 2МэВ).

Для опытов был выращен уникальный по величине и чистоте кристалл объемом 68 см³. Он обладал великолепным энергетическим разрешением. В своих работах группа Фиорини приводит энергетический спектр зарегистрированных событий - многочисленные пики от различных радиоактивных элементов. Но в области 2 МэВ - там, где на равномерное распределение фоновых импульсов должен был наложиться "пик" от двух электронов с суммарной энергией 2,045 МэВ при общем времени наблюдения в 187 суток, никаких пиков не наблюдалось. Это дало возможность

- 38 -

утверждать, что если двойной безнейтринный распад и происходит, то с временем жизни, превышающим 5 * 10²¹ лет.

К каким же выводам это приводит?

Как уже отмечалось, на безнейтринный двойной

- распад может быть наложен двойной запрет: законом сохранения лептонного заряда и полной поляризацией нейтрино (двухкомпонентной теорией).

Предположим, что лептонный заряд не сохраняется, и все отличие

_е и _e только в их поляризации. Тогда существование малой массы нейтрино могло бы внести деполяризацию и обусловить малую, но не нулевую вероятность безнейтринного - распада. Какой минимальной массе соответствует Т_1/2 < 5*10²¹ лет? Теоретики оценивают ее весьма приближенно, как ~10 эВ. Это значение находиться как раз в наиболее "горячей" области (результаты группы ИТЭФ дают значения 14 - 26 эВ).

Эксперименты по поиску безнейтринного двойного

- распада продолжаются.

- 39 -

6. ЗЕМНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ НЕЙТРИНО

Мы все время говорили об искусственных, созданных руками человека источниках нейтрино. В тоже время существуют многочисленные естественные источники : нейтринное излучение земных пород, космические и солнечные нейтрино и т.п.

В глубинах Земли и на ее поверхности рассеяны радиоактивные элементы, такие, как, например, уран, торий и продукты их распада. Часть этих элементов испытывает

- распады, при которых возникает антинейтринное излучение. Оно проникает сквозь толщу пород и несет интересную информацию о содержании недр нашей планеты. Увы, регистрация земных и _e на сегодняшний день - технически невыполнимая задача. Даже оптимистические оценки величины их полного потока, сделанные на основании теплового баланса Земли, показывают, что этот поток на четыре, пять порядков меньше, чем от реактора. К тому же основная часть земных антинейтрино имеет совсем малую энергию, много ниже порога большинства обратных реакций. Если воспользоваться для их регистрации таким классическим процессом, как и _e + p n + e⁺, то понадобиться 1000 т жидкого осциллятора, чтобы земные антинейтрино вызывали хотя бы одно событие в сутки (опять-таки при оптимистических оценках). Выделить это событие из фоновых излучений пока не представляется возможным.

Землю бомбардируют и атмосферные нейтрино, точнее, нейтрино от космических лучей. Происхождение их следующее. Быстрые космические протоны, врываясь в земную атмосферу, взаимодействуют с ядрами и рождают потоки

- и К - мезонов. Последние распадаются в основном на мюоны и мюонные нейтрино. Продукты распада наследуют энергию мезонов, которая может достигать сотен гигаэлектроновольт. А чем больше энергия нейтрино, тем больше вероятность его взаимодействия с веществом, в результате которого рождается мюон.

Теперь представим себе, что огромная толща вещества поглотит все космическое излучение, все частицы, кроме нейтрино. Они проникнут сквозь это вещество и обнаружат себя потоком сопутствующих мюонов, рожденных в поверхностном слое и сумевшем выти наружу. В качестве этой толщи вещества можно использовать нашу Землю, возможно, даже

- 40 -

целиком земной шар. При этом надо регистрировать мюоны, идущие не к Земле, а из ее глубины (рис. 6).

Рис. 6. Возникновение и регистрация космических нейтрино: А – точка рождения пиона, В – точка распада пиона и рождения мюона и нейтрино, С – точка взаимодействия нейтрино с веществом и рождения мюона, D – область регистрации мюона.

Предложил исследовать космические нейтрино по потоку мюонов М.А. Марков (1960 г.). В своей книге "Нейтрино" (1964 г.) он писал:

"Все известные частицы в космических лучах, кроме нейтрино, поглощаются на пути десятка километров вещества и, таким образом, полностью экранируются планетой, если глубина, на которую помещена регистрирующая установка, конечно, достаточна, чтобы можно было пренебречь маловероятным процессом рассеяния

- мезонов большой энергии "назад", которое в принципе способно имитировать искомый эффект.

Другая, может быть, наиболее существенная особенность проявления конкретного эффекта

+ нуклон нуклон' + в условиях космического

- 41 -

эксперимента заключается в том, что регистрирующая установка собирает наблюдаемый эффект с грандиозных толщин вещества, лежащих под уста- новкой...

Третья существенная особенность космического эксперимента заключается в принципиальной возможности использования в условиях хорошего экранирования подземной установки больших площадей детектирующих устройств, порядка нескольких сотен квадратных метров. Эти перечисленные своеобразные особенности космического эксперимента, как показывают детальные оценки, делают в принципе его возможным, хотя и трудно осуществимым.

Трудность его осуществления скорее чисто психологическая: физики, работающие на ускорителях, уже привыкли к индустриальному характеру современного эксперимента..."

Призыв к экспериментаторам был услышан. Всего через год после вы- хода книги были зарегистрированы первые космические нейтрино.

Исследования проводились практически одновременно в двух глубочайших шахтах Южной Африки и Индии. Группа, работавшая под руководством Ф. Рейнеса в Южной Африке с октября 1964 г. по август 1967 г., сообщила о регистрации 40 нейтринных событий. Второй установкой (Индия) к концу 1968 г. было зарегистрировано 9 событий.