ЗЕМНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ НЕЙТРИНО

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.

В 70-х годах в излучение космических нейтрино включилась Баксанская нейтринная обсерватория АН СССР. На Северном Кавказе, в Баксанском ущелье в скалы уходит туннель. Его общая протяженность должна составить около 4 км, а толщина горных пород над дальним концом туннеля достигнет 2 км. По ходу туннеля располагаются экспериментальные залы - огромные искусственные пещеры и помещения меньших размеров - низкофоновые камеры. В начале туннеля, на расстоянии 550 м от входа, в первом экспериментальном зале работает установка для регистрации космических нейтрино - сцинтилляционный телескоп, созданный коллективом физиков, под руководством А.Е. Чудакова. Он расположен на глубине 300 м под скалой, что в тысячи раз ослабляет поток космических частиц, попадающих в телескоп "сверху" и не позволяет полезным сигналам утонуть в море фоновых.

Площадь телескопа 16*16 м. Он размещен в четырехэтажном здании вы- сотой 11 м и содержит более 3000 отдельных детекторов. Каждый из них - это 150 - ти литровый бак с жидким сцинтиллятором. Баки расположены

- 42 -

четырьмя горизонтальными слоями (по слою на этаже) и вертикальными слоями вдоль стен дома.

Быстрая заряженная частица вызывает последовательные вспышки света в нескольких баках. Световые сигналы, преобразуются в электрические импульсы и поступают в ЭВМ, которая определяет и запоминает направление полета частицы, ее скорость и т.д. Таким образом ,можно выделить мюоны, летящие из нижней полусферы, и зарегистрировать события, связанные с космическими нейтрино, на фоне других сигналов, частота которых в миллионы раз больше.

Надо отметить, что сцинтилляционный телескоп - многоцелевой прибор. На нем ведутся самые разные исследования в области астрофизики и физики элементарных частиц, в том числе и поиски нейтрино от галактических объектов.

Поток нейтрино приходящих от звезд (кроме Солнца) очень мал. Даже от - Центавра, ближайшей к нам звезды он в 10" раз меньше, чем от Солнца. Но это в том случае, когда звезда находиться в обычном “спокойном” состоянии и энергия, уносимая нейтрино, составляет 1-2% от всей излучаемой ею энергии.

Так бывает не всегда. Порой нейтрино начинает играть ведущую роль в гигантских перестройках небесных тел. Хотя этот процесс длится недолго, но всепроникающее излучение успевает унести огромную энергию.

 Этот процесс - быстрое сжатие звезды - носит название гравитационного коллапса. Он может сопровождаться выбрасыванием в пространство части звездного вещества, гигантским увеличением светимости. Этот процесс носит название вспышки сверхновой. Понятие сверхновой звезды было введено астрономами В. Бааде и Ф. Цвирке. Так, порой неожиданно, складывается судьба ученых!

 Сжатие звезды начинается тогда, когда внутри нее термоядерные ис- точники энергии исчерпают все свои ресурсы. Еcли до этого существует равновесие между давлением нагретого газа ядра звезды и гравитационными силами, стремящимися сжать небесное тело, то после понижения температуры центральных областей равновесие нарушается. Вещество звезды устремляется к центру, она сжимается, а это вновь приводит к повышению температуры ядра. Для медленно вращающихся звезд имеющих

М  1,1M_o далее процесс сжатия идет постепенно.. Для более массивных звезд картина эволюции приобретает иной вид, а процесс сжатия приобретает взрывной характер. Очевидно, что при этом выделяющаяся энергия должна

- 43 -

каким-то образом весьма эффективно и быстро покидать ядро, понижая его температуру.

 Один из механизмов утечки энергии с помощью нейтринного излучения был придуман Г. Гамовым и М. Шенбергом и получил от них название урка-процессов (URCA process). Столь необычная для астрофизики лексики имеет два распространенных объяснения. Первое основано на том, что Г. Гамов родился и вырос в Одессе и поэтому использовал для похитителей энергии это колоритное определение. Второе, существенно более респектабельное, связано с проигрышем авторов в казино в Рио-де-Жанейро. После того как деньги перешли сначала в жетоны, а затем легко покинули физиков, им пришло в голову, что энергия посредством нейтринного излучения способна проделать такую же шутку со звездой. Казино имело звучное название "Казино де Урка".

Урка - процесс может происходить внутри звезды при огромных температурах и плотностях вещества. он состоит в захвате электронов большой энергии ядром, сопровождающимся испусканием нейтрино e^- + A (Z, N)  A (Z-1, N+1) + , затем образовавшееся ядро испытывает-распад A (Z-1, N+1)  A (Z, N) + e + . Так энергия горячего электронного газа "перекачивается" в энергию  и , которые могут унести ее из звезды. Рассматривались и многие другие механизмы охлаждения звездного ядра.

В данном случае существенен тот факт, что постепенное сжатие ядра может перерасти в процесс, идущий с огромной скоростью и сопровождающийся гигантским всплеском нейтринного излучения. В течение очень короткого времени это излучение способно вырываться из глубин звезды, но со стремительным ростом плотности звездного вещества оно становиться непрозрачным даже для нейтрино. И последние попадают в космическое пространство только из внешних слоев. По расчетам астрофизиков, за несколько десятков секунд, звезда излучает ~ 10⁵⁸ нейтрино всех сортов _е , _{e ,} ,  , , . Средняя энергия нейтрино составляет 10-15 МэВ, а их поток на поверхности Земли, при коллапсе звезды в центре нашей галактики, равен 10¹²/см² за время 10-30 с. Эти оценки остаются справедливыми для всех современных моделей развития гравитационного коллапса.

Вспышки сверхновых в нашей галактике не такое уж редкое явление. По разным оценкам продолжительность времени между ними колеблется от 15

- 44 -

до нескольких десятков лет. Коллапсы, не сопровождающиеся сбросом оболочки звезды, как при вспышке сверхновой, должны происходить чаще.

Регистрация нейтрино от гравитационного коллапса - вполне реальная задача. Наиболее удобный метод детектирования - использование реакции (4)

 + p  n + e⁺. В этом случае полное число полезных событий в 100 т водородсодержащего жидкого сцинтиллятора составит несколько десятков.

Для уменьшения фона необходимо разместить установку глубоко под Землей, использовав тот факт, что продолжительность серии нейтринных сигналов составляет всего несколько десятков секунд и, наконец, регистрировать нейтрино одновременно несколькими детекторами, расположенными в нескольких местах.

Эта программа осуществляется. Так, в СССР, кроме сцинтилляционного телескопа в Баксанской нейтринной лаборатории, на "прием" этих нейтрино настроен и детектор, расположенный в соляной шахте, недалеко от г. Артемовска. Его чувствительная часть состоит из 100 т жидкого сцинтиллятора, в котором галактические _е могут регистрироваться по реакции (4).

Опыты по регистрации солнечных нейтрино обнаружили еще один сюрприз, еще одну загадку, к сожалению, пока не разгаданную, но вызывающую к жизни многочисленные и интересные гипотезы.

Нейтрино рождается в недрах звезды, где при огромных давлениях идут термоядерные реакции синтеза тяжелых ядер из легких. Основным процессом является "горение" водорода и образование из него гелия. Как пример, может быть приведен так называемый водородный цикл:

1. Два протона превращаются в ядро тяжелого изотопа водорода - дейтон

р + р d + e⁺ + _е.

Похожие работы

Проблема солнечных нейтрино

Скачать

47694

1

5

... экспериментах с применением галлия (SAGE и GALLEX), чувствительных к мягким солнечным нейтрино, дефицит подтвердился на уровне около 60% SSM. Этот дефицит, известный под названием "проблемы солнечных нейтрино", по всей видимости, связан с nе-осцилляциями, хотя убедительных доказательств еще нет. Такими доказательствами могли бы стать: 1) искажение энергетического спектра солнечных нейтрино, 2) ...

Нейтринные осцилляции

Скачать

40012

4

7

... словами, основное состояние почти чистое  если плотность вещества мала, и почти чистое  если плотность вещества неограниченно возрастает. В 1985 году важную теоретическую работу, относящуюся к нейтринным осцилляциям, опубликовали С.П. Михеев и А.Ю. Смирнов. Они показали, что в веществе с плавно меняющейся плотностью (в частности, на Солнце) может в принципе, иметь место практически полный ...

Глобальная история Вселенной (физика)

Скачать

170230

0

35

... частицы отталкиваются от антимассивных». Если бы они притягивались, то массивные частицы соединились бы с антимассивными, превратившись в нейтральную массу и разрушив всю космическую картину Вселенной. То же самое происходит с фотонами и антифотонами – они взаимоотталкиваемы, но когда они оказываются вместе, их электромагнитные заряды нейтрализуются. Электроны притягиваются позитронами, а ...

Моделирование в физике элементарных частиц

Скачать

101982

6

13

... и искомыми величинами. Последовательность действий, которые надо выполнить, чтобы от исходных данных перейти к искомым величинам, называют алгоритмом. 2.  Историческое развитие моделей элементарных частиц 2.1 Три этапа в развитии физики элементарных частиц Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932гг (Элементарные частицы - "атомы Демокрита" на более глубоком уровне) Когда греческий ...