1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 44
Текст из файла (страница 44)
(18.23) Процесс (18.21) сводится к преобразованию одного ядерз(рго нейтрона в протон по схеме (18.24) н-+р+ е + ч„ * В последние годы физики предпочитают называть т. (а также В) лептонным (барионным) чисвом, а не зарядом, поскольку Е и В в отличие от е и цвета (см. 4 124) нр выполняют функций заряда, характеризующего интенсивность соответствующего взаимодействия. В этой книге оба термина употребляются как синонимы.
е И. $-Расиад 215 а процесс (18.22) — к преобразованию одного ядерного протона в нейтрон: р л+е++ч,. (18.25) В этих схемах нейтрино ч, и антинейтрино ч,— разные частицы, так как они имеют различные по знаку лептонные заряды. Законы сохранения электрического и лептонного зарядов разрешают переносить частицу из левой части реакции в правую и наоборот с заменой ее на античастицу (алгебра частиц и античастиц, см. з 100). Это позволяет переписать процессы (18.24) и (18.25) в форме ч,+и- р+е ч,+р- и+е+ (так называемый обратный 1)-распад).
Важно заметить, что, поскольку ч,Фч„«симметричньве» процессы ч,+и+ р+е (18:28) ч,+р++ л+е+ (18.29) запрсщены законом сохранения лептонного заряда (хотя они разрешены законом сохранения электрического заряда). Вернемся теперь к опыту Рейнеса и Коуэна. Идея этого опыта заключается в экспериментальном обнаружении процессов (18.26) или (18.27) под действием свободных нейтрино, т.
е. в условиях, когда источник нейтрино находится вдали от мишени. Эффективное сечение этих процессов при энергии порядка 1 МэВ должны быть как показывают теоретические оценки, порядка 1О чч — 10 41 смз. Поэтому для проведения такого опыта необходимы очень интенсивные потоки нейтрино или антинейтрино. В настоящее время пока еще не известен удобный способ получения мощных потоков нейтрино, однако в 50-е годы в связи с развитием реахторостроения в распоряжении физиков появились мощные источники антинейтрино. Известно„ что осколки деления тяжелых ядер перегружены нейтронами и, следовательно, испытывают б -распад, который сопровождается испусканием антннейтрино. На каждый акт деления испускаются пять-шесть антинейтрино, так как образунпциеся после р -распада осколков новые ядра также оказываются В -радиоактивными до тех пор, пока обе цепочки продуктов деления не закончатся стабильными ядрами (см.
з 53, п. 1). В связи с этим с помощью ядерных реакторов большой мощности можно получить весьма интенсивные 216 Гаева 111. Радиоактивные яреераи1ения ядер Рис. 1Еа Рис. 107 потоки антинейтрнно и использовать их для наблюдения реакции (18.27). На рнс. 107 изображена схема установки Коуэна и Рейнеса для регистрации антинейтрино в реакции (18.27). Установка состоит из трех больших (1,9х1,3х0,6 м) баков-детекторов Д„Д, и Д,, разделенных двумя баками-мишенями М, и М, толщиной по 7 см. Баки-детекторы были заполнены сцинтилляционной жидкостью, и просматривались 11О фотоумножителями. В качестве наполнителя баков-мишеней использовалась вода, содержащая растворимую соль кадмия.
Для защиты от нейтронов и 7-излучения вся установка была помещена в свинцово-парафиновый ящик н погружена глубоко под землю в районе реактора. Взаимодействие антинейтрино й„вылетевшего из активной зоны ядерного реактора, с одним из протонов ядер мишени по схеме (18.27) приводит к образованию нейтрона и и позитрона е'. В результате серии последовательных соударений с протонами нейтрон замедляется, диффундирует и через некоторое время захватывается ядром кадмия, испускающим несколько 7-квантов (с общей энергией до 10 МэВ), которые регистрируются детекторами Д, и Д,, включенными в схему совпадений. Позитрон быстро тормозйтся и аннигилирует с электроном, давая два у-кванта с общей энергией около 1 МэВ, которые также регистрируются детекторами Д, и Д,. Каждый бак-мишень с двумя соседними баками-детекторами составлял независимую систему, сигналы с которой подавались на вход анализатора, где они сортировались по амплитуде и времени сдвига совпадений.
Кроме того, сигналы фотогра- 8 18. 8Распад 217 фировались с помощью трехлучевого осциллографа, каждая из пластин которого была соединена с одним из детекторов. Таким образом, реакция (18.27) должна сопровождаться появлением в установке двух импульсов, сдвинутых на время замедления и диффузии нейтрона (от 1 до 25 мкс). При этом первый импульс должен иметь характеристики, соответствующие аннигиляционным у-квантам, а второй — 7-квантам от захвата нейтрона кадмием. На рис. 108 изображена осциллограмма соответствующая попаданию антинейтрино в мишень Ма.
В результате длительной (около 1400 ч) работы установки было установлено, что детектор регистрирует за час в среднем 2,88+0,22 импульса, что соответствует сечению взаимодействия антинейтрино с протоном о=10 аз см' Достоверность полученного результата подтверждена серией контрольных и калибровочных измерений, в которых изучены характеристики аннигиляционных 7-квантов и 7-квантов от захвата нейтронов кадмием и сравнены соответственно с характеристиками первого и второго импульсов, регистрируемых установкой, проверена независимость эффекта от реакторного фона, зарегистрировано уменьшение эффекта при работе с раствором кадмиевой соли в тяжелой воде.
В опыте Коуэна и Рейнеса впервые экспериментально доказано наличие эффекта от взаимодействия с ядром-мишенью свободного антинейтрино, возникающего в процессе распада другого ядра-источника, находящегося на большом расстоянии от ядра-мишени. Поэтому этот опыт можно считать первым прямым экспериментальным подтверждением существования нейтрино. Уточненное позднее значение сечения захвата антинейтрино протоном и=(1,1+0,26) 10 "см' согласуется с теорией б.
ОПЫТ ДЕВИСА В соответствии с введенным в э 18, п. 4 законом сохранения электронного лептонного заряда электронное нейтрино ч, не равно электронному антинейтрино й„поскольку они имеют противоположные лептонные заряды. Различие к, и й, можно доказать экспериментально, если попытаться использовать Мощный поток реакторных антинейтрино для регистрации реакции (18.28). Глава 141. Радиоактивные нревраиеенил лдер При 9,жч, эта попытка должна увенчаться успехом [реакция (18.26)1, нри ч,~ч,— наоборот (реакция (18.28)). Теоретические оценки эффективного сечения для разрешенного процесса (18.26) дают значения порядка 10 44 — 10 ' смз. Как мы видели на примере опыта Рейнеса и Коуэна, регистрация столь малого эффекта чрезвычайно трудна.
Если же надо доказать невозможносп процесса (18.28), т. е. подтвердить отсутствие м~фекта на уровне еще меньшего сечения (например, ег-10 4 см'), то чувствительность эксперимента должна быть повышена, по крайней мере, на порядок. Дополнительная трудность экспериментального изучения реакций (18.26) и (18.28) связана с отсутствием нейтронной мишени, в связи с чем этн реакции надо исследовать на ядерных нейтронах.
Идея опыта по доказательству различия 9, и ч, высказана в 1946 г. Б.М. Понтекорво, который предложил использовать реакцию 9,+ДС1 еое +14Аг. (18.30) Если процесс (18.28) возможен, то один из нейтронов ядра 1 7С! перейдет в протон по схеме 9, + и — Р + е, в результате чего ядро з12С! преобразуется в ядро ДАг. Выбор процесса (18.30) связан с относительно большим сечением «з, =9,2 10 44 сма (для 9,жч,'), сравнительно низкой пороговой энергией Е„";"=0,814 МэВ, а также химической инертностью аргона, которая делает возможным выделение нич. тожно малого количества ДАг из огромного объема мишени.
Опыт по доказательству невозможности процесса (18.30) впервые поставлен в 1955 г. Девнсом и повторен им же в последующие годы с последовательным улучшением условий эксперимента. В качестве хлорной мишени в опыте Девиса использован четыреххлористый углерод (объемом от 4000 л в первых опытах до 117000 л в последующих). Период полураспада зв7Аг равен 34 дням. Поэтому для накопления возможно большего количества Д Аг облучение продолжалось около двух месяцев. Выделение атомов з1в7А1 было сделано методом носителя, в качестве которого исполь зовался 1 см' неактивного изотопа аргона ~13Аг. Радиоактивность зв7Аг имеет характер е-захвата, который с вероятностью 0,8 сопровождается испусканием электронов Оже с энергией 2,8 кэВ.
Регистрация столь мягких электроног. возможна только при условии введения выделенных атомов 1вАг внутрь счетчика Гейгера. Для уменьшения фона счетчик 219 у 18. ~3-Распад был окружен системой охранных счетчиков, включенных в схему антисовпадений, и специальной защитой. Эти меры позволили довести фон счетчика до нескольких импульсов в сутки. Пересчет результатов последнего опыта Девиса на сечение процесса (18.30) дал значение сг„,„(0,25.10 4а смя, которое почти в 40 раз меньше теоретического, вычисленного в предположении, что йу,жн,. Таким образом, отрицательный результат опыта Девиса экспериментально доказывает различие тг, и й,.
Небольшой эффект (18.31) можно объяснить реакцией (18.26) от космических нейтрино. В 1962 г. было доказано, что кроме электронных нейтрино и антинейтрино существуют также мюонные нейтрино (нк) и анти нейтрино ч„, которые тоже отличаются друг от друга (н„Ф 0„) и от и, и 0,. Испусканием этих частиц сопровождается распад як-мезонов: я'-+11'+н„; (18.32) я -+(т +9„ (18.33) (подробнее о свойствах чу„тг„н„и нк см.
9 103 и 105). Наконец, в 1975 г. были обйаружеиы т-лептоны, распад которых сопровождается испусканием третьего вида нейтрино и антинейтрино: т к +т4; т' х'+ту, и др. (см. 9 107). б. МАССА ЭЛЕКТРОННОГО НЕЙТРИНО И АНТИНЕЙТРИНО В соответствии с формулой (18.20) энергетический баланс р-распада выглядит так: Еа = Т, + Т„+ т „са + Т„,. (18.35) Если пренебречь очень малой величиной Т,„то Еах Т,+ Т„+т„са, (18.36) или Е 7 маке+т с? (18.37) Последнее соотношение можно использовать для грубой оценки массы нейтрино (антинейтрино)".
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
