РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРИНО

 2. РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРИНО.

Какие еще требовались доказательства существования нейтрино, чтобы оно стало полноправным членом семейства элементарных частиц; таким же, как электрон, протон или - квант? Ведь казалось, что опыты, проведенные А.И. Лейпунским (1936), Дж. Алленом (1942) подтвердили, что в - распаде участвует "нечто", уносящее энергию и импульс. Хотя их результаты и согласовывались с гипотезой Паули и теорией Ферми, все это были лишь косвенные свидетельства. "Нейтрино" все еще могло оказаться просто удобной игрой слов, скрывающей за собой нарушение законов сохранения в слабом взаимодействии. Однозначное доказательство мог дать эксперимент, в котором эта частица была бы зарегистрирована вдали от точки своего рождения. Найти недостающую энергию в другом месте и означало доказать вещественность, физическую реальность частицы, переносящей ее.

Выполнить такой эксперимент представлялось необычайно трудным. Ведь теория предполагала, что у нейтрино ничего нет - нет массы, заряда, магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитным процессам.

Если же ничего этого нет, то нейтрино - "чистый" представитель слабых сил, без всяких электромагнитных свойств. Оно может себя обнаружить, только если путем слабого взаимодействия передаст часть энергии заряженным частицам и уже те будут зарегистрированы.

В 1934 г. было предложено использовать для обнаружения нейтрино (более точно антинейтрино) реакцию, при которой оно взаимодействует с водородом ( с протонами) и рождает нейтрон и позитрон.

 + p  n + e⁺, (4)

Этот процесс обратен ^--распаду свободного нейтрона. Реакция эта по многим признакам была очень привлекательна.

Во-первых, она обязана была происходить, что не было заранее известно о других процессах с участием нейтрино.

Во-вторых, теория Ферми предсказывала, что в потоке нейтрино не- больших энергий, например излучаемых при -распаде ядер, вероятность этого процесса гораздо больше, чем любого другого.

- 10 -

В-третьих, две частицы, которые вылетают в результате реакции, об- ладают достаточной энергией и можно надеяться на их регистрацию.

Кроме того, эта реакция имеет энергетический порог. Это означает, что она идет только в том случае, если энергия нейтрино превышает 1,8 МэВ. Рассчитать этот порог нетрудно: к разнице масс протона и нейтрона 1,3 МэВ надо прибавить массу покоя образующегося позитрона 0,5 МэВ. Получаем 1,8 МэВ.

Можно оценить вероятность данного процесса. Если считать, что мы обладаем источником, излучающим поток нейтрино с энергией 3 МэВ, и этот поток падает на мишень, например 1 м³ воды (в воде достаточно большая концентрация протонов), то из 10¹⁸ частиц прореагирует лишь одна. Все познается в сравнении, из 100 -квантов той же энергии с водой провзаимодействуют 99. Эти цифры трудно назвать обнадеживающими.

Первые попытки обнаружить взаимодействие нейтрино с веществом де- лались при помощи источников, которые обладали естественной радиоак -тивностью. Опытов было сделано много. Часто в них использовались ог- ромнве (по тем временам) активности. В 1935 г. Намиас пытался определить число ионов, которые рождает нейтрино в воздухе. (А вдруг у частицы есть магнитный момент?). Он работал с источником, содержащим 5 грамм радия, и число нейтрино, излучаемых им во все стороны, составляло приблизительно 10¹¹ частиц в секунду. Ионизации Намиас не обнаружил. Из эксперимента следовало, что пробег частицы до взаимодействия с атомами воздуха больше, чем миллион километров, и, значит, ее возможный магнитный момент на несколько порядков меньше, чем у электрона.

2 декабря 1942 года под руководством Энрико Ферми в Америке был пущен первый ядерный реактор. В Советском Союзе запуск реактора был осуществлен 25 декабря 1946 года. Руководил работами Игорь Васильевич Курчатов. В физике и технике наступала новая эра и она, конечно, коснулась нейтрино.

Создание ядерных реакторов дало в руки физиков очень мощные ис- кусcтвенные источники нейтрино. В реакторе ядро ²³⁵U (или ²³⁹Pl) после захвата нейтрона делится на два осколка. Образовавшиеся осколки сначала излучают нейтроны и - кванты, а затем приходит черед - распада.

В среднем каждый из осколков претерпевает - распад три раза, следо- вательно, при одном делении шесть нейтронов превращаются в шесть про- тонов, шесть электронов и излучают шесть нейтрино.

- 11 -

Их энергии простираются от 0 до 10 МэВ, но число частиц с большой энергией крайне мало. Если мощность реактора составляет 1000 МВт, что не

особенно много по современным масштабам, то в окружающее пространство, каждую секунду испускается N = 2 *10²⁰ нейтрино. Около 50 МВт уносится этим излучением, для которого стены, защита, бетонные плиты, да и сам земной шар - абсолютно прозрачны, так что выражение "обогревать улицу" здесь вполне уместно заменить на "обогревать Вселенную".

На детектор, расположенный на расстоянии 10-15 м от центра активной зоны, падает поток нейтрино, равный ~ 3 * 10¹³/см²  *с. Расположить детектор ближе очень трудно из-за необходимости защиты от других видов излучения.

 Не следует думать, что строительство ядерных реакторов сразу же поставило вопрос о регистрации нейтрино. "В 1946 г. нейтрино рассмат -ривалось, вообще говоря, как недетектируемые частицы. Многие уважаемые физики придерживались того мнения, что даже сам вопрос о детектировании свободных нейтрино просто бессмысленен (и не только из-за временных трудностей) так же, как, скажем бессмысленен вопрос, бывает ли в сосуде давление, меньшее, чем 10^-50 атмосферы", - пишет Б. Понтекорво.

Именно он обратил внимание на "нейтринные возможности" реактора. Впервые зарегистрировали нейтрино вдали от места его рождения амери- канские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн в опытах 1953-1954 гг., при этом источником нейтрино служил ядерный реактор в Лос-Аламосе.

Хотя погоня за нейтрино началась сразу же после того, как Паули открыл его "на кончике своего пера", ждать результатов пришлось двадцать лет. За это время методы ядерной физики совершенно преобразились.

Были созданы мощные источники нейтринного излучения, появились чувствительные детекторы, содержащие большое количество вещества, экспериментаторам удалось изобрести методы подавления фона. Проблема фона в нейтринной физике стоит очень остро, ведь другие частицы, попадая в нейтринный детектор, тоже регистрируются. Поэтому нужные реакции вполне могут оказаться незамеченными среди массы других процессов. Потребовалась многолетняя работа тля того, чтобы научиться выделять нейтринные события среди фоновых по их специфическим особенностям.

Перед рассмотрением устройства нейтринных детекторов необходимо остановиться на истории появления счетчиков элементарных частиц и проблеме фона при регистрации событий.

- 12 -

Первым детектором элементарных частиц был спинтарископ Крукса. Он представлял собой экранчик из сернистого цинка. При прохождении через экран частицы наблюдается очень слабая вспышка света, причем световое пятнышко столь мало, что его приходиться разглядывать через лупу.

Именно с помощью этого прибора проводил свои опыты Резерфорд. Он вспоминал, что он не мог выдержать более трех минут наблюдений, потом глаза начинали слезиться от напряжения, и приходилось отдыхать. Чемпионом в лаборатории считался Ганс Гейгер. Однако он пренебрег своим чемпионским званием и, совместно с Мюллером, изобрел газоразрядный счетчик, надолго вытеснивший из практики метод вспышек, названный сцинтилляционным.

В 1944 году Керран и Бейкер использовали для счета сцинтилляций фотоэлектронный умножитель, регистрирующий световые вспышки. Свет от каждой частицы преобразовывался в электрический импульс, и затем их количество подсчитывалось. С этого момента метод сцинтилляций начал свое победное шествие в ядерной физике и физике элементарных частиц.

В 1947 году Кальман заменил экран сернистого цинка прозрачным для собственного излучения кристаллом нафталина. Теперь свет шел не с по- верхности, а из всего объема кристалла. Стало возможным регистрировать не только короткопробежные - частицы, но и - и - излучение. За короткое время было разработано множество видов сцинтилляторов.

Для регистрации нейтрино, как правило используют жидкие сцинтилл- торы. Поскольку выращивать кристаллы, органические и неорганические, - сложное и дорогое дело. А их требуется очень много. Другое дело жидкости, хотя и с ними было много трудностей. В жидких сцинтилляторах сам растворитель ( толуол, бензол, декалин и т.п.) обычно обладает очень слабыми сцинтилляционными свойствами и в него необходимо ввести специальные добавки - активаторы, которые "перехватывают" энергию от молекул растворителя и эффективно превращают ее в свет.

Отработка таких сложных по составу растворов заняла много времени. Кроме того, все компоненты жидкого сцинтиллятора должны были иметь высочайшую химическую чистоту.

Но кроме трудностей с получением сцинтилляторов существовала еще одна проблема - проблема фона. Точность любого измерения малой актив- ности всегда зависит от того насколько сильно удастся подавить фон.

А чтобы его подавить, необходимо знать природу, свойства фоновых час-

- 13 -

тиц. Можно вспомнить достаточно много случаев, когда неучтенный фон принимался за эффект, которого на самом деле не существовало. Это приводило к ошибочным результатам измерений.

Первая составляющая фона связана с космическим излучением. Оно бы- ло обнаружено по разрядке электроскопов и доставляло множество непри- ятностей физикам, занимавшимся в XIX веке опытами по электричеству.

Неуловимый вредитель стал для физиков верным союзником. До созда- ния ускорителей элементарных частиц космические лучи являлись единс- твенным источником излучения большой энергии. Опыты с ними позволили понять многие закономерности микромира и обнаружить новые элементарные частицы: позитрон, - и  - мезоны. Интереснейшее явление - космические ливни - были объяснены отечественными физиками Д.В. Скобельцыным, Л.Д. Ландау, И.Е. Таммом и др.

Потоки частиц из космоса падают на границу земной атмосферы. Те из них, которые обладают достаточной энергией и могут избежать глубокой ловушки - магнитного поля Земли, устремляются к поверхности нашей планеты. И во взаимодействии с ядрами кислорода и азота рождают новые частицы.

При этом в лаборатории регистрируются три компоненты излучения: электроны, позитроны и - кванты - это мягкая компонента; частицы, ко- торые участвуют в ядерном взаимодействии - нуклоны, -мезоны - ядерная компонента; наконец, положительные и отрицательные -мезоны - жесткая компонента. Для устранения каждой из компонент необходима определенная защита. Мягкая - поглощается слоем свинца толщиной в 10-15 см ( пассивная защита). Избавиться от ядерной компоненты труднее – для ее поглощения требуется 2-3 м железа или 15-20 м воды. Поэтому, если представляется такая возможность, детекторы помещают в подземное помещение. Остаются мюоны больших энергий, глубоко проникающие под землю.

Борьба с ними ведется с помощью активной защиты. Установку стараются окружить, особенно сверху, либо баками с жидкими сцинтиллятором, либо пластинами из сцинтилляционной пластмассы, либо газовыми или черенковскими счетчиками. Мезоны, попавшие в основной детектор, с большой вероятностью проходят через детекторы активной защиты и регистрируются в них. Электронная схема следит за тем, когда импульсы от основного детектора и защитных совпадут по времени, и относит такое событие к фоновым. Полностью подавить мезонный фон не

- 14 -

удается, так как эффективность регистрации активной защиты не может быть 100%, но удается уменьшить его в сотни и тысячи раз.

Вторая компонента фона - естественная радиоактивность. Естественные радиоактивные элементы находятся в рассеянном состоянии во всех

материалах установки, защиты, в воздухе и в самих экспериментаторах. В природе существует три семейства элементов, обладающих естественной радиоактивностью: урана-радия, тория и актиния. Каждое семейство - это ряд атомов, претерпевающих последовательный распад и превращающихся в другие элементы, члены ряда. Есть еще отдельные радиоактивные изотопы, создаваемые в атмосфере космическим излучением м не входящие в эти семейства. Наконец, есть очень неприятный для ряда экспериментов изотоп ⁴⁰К. Больше всего калия содержится в стеклах, в ФЭУ, в сопротивлениях делителя ФЭУ.

Органические сцинтилляторы содержат значительно меньше радиоактив- ных загрязнений, чем неорганические кристаллы. Чаще всего их фон связан с внешней радиацией.

Третий вид фона связан с самим источником нейтрино. При делении осколков урана в активной зоне реактора излучают самые разные частицы. Из них сквозь биологическую защиту проникают быстрые -кванты и нейтроны. Если считать, что в защищенных помещениях реактора число быстрых нейтронов в сто раз меньше предельно допустимой для персонала нормы, то вероятность их регистрации в детекторе с органическим сцинтиллятором все еще в миллион раз больше, чем для нейтрино. Это преимущество должно быть скомпенсировано дополнительной защитой. Ведь фон, связанный с работой реактора, - один из самых неприятных. Его нельзя измерить отдельно от эффекта, выключив реактор, как это делается для других видов фона. Он возникает одновременно с нейтрино и поэтому должен быть учтен особенно тщательно.

Как уже отмечалось, впервые зафиксировать нейтрино вдали от места его рождения удалось американским физикам Рейнесу и Коуэну в 1953 году.

Для обнаружения нейтрино, а точнее антинейтрино, была использована реакция  + p  n + e⁺.

Схема установки представлена на рис.1. Принцип регистрации заклю- чался в следующем. Нейтрино, летящее от реактора, попадает в мишень - пластиковый бак, наполненный двумястами литрами воды. В воде растворена соль кадмия CdCl₃. При взаимодействии нейтрино с водородом (р) образуются нейтрон и позитрон. Последний практически мгновенно замед-

- 15 -

ляется, аннигилирует с электроном среды, и два -кванта, каждый с энергией 0,5 МэВ, разлетаются в противоположные стороны. Мишень была сделана достаточно тонкой, чтобы вылетавшие из нее кванты попадали в баки с жидким сцинтиллятором, установленные по обе стороны от мишени.

Рис. 1. Схема опыта Рейнеса и Коуэна. А - точка поглощения нейтрино и появления позитрона и нейтрона. В- точка аннигиляции позитрона, С – точка захвата нейтрона атомом кадмия.

Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняя поверхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света от сцинтилляции собиралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, который "просматривают" бак. Для выравнивания светового потока, ФЭУ отделены от сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистый растворитель (без сцинтилляционных добавок).

Первое известие о регистрации нейтрино подают одновременно заре- гистрированные в детекторах анигиляционные -кванты с определенной энергией. Несмотря на то, что детектор был защищен свинцом и бетоном, число фоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени, все еще в десятки раз превышало ожидаемый эффект.

- 16 -

Поэтому пришлось прибегнуть к "услугам" нейтрона. Он быстро замед- ляется в воде - за несколько миллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и был введен в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и в результате этого процесс излучает несколько энергичных - квантов. Последние, также попадают в сцинтилляционные детекторы и регистрируются.

Теперь нейтринное событие может быть отделено от фона по следующим признакам: