Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Хотя погоня за нейтрино началась сразу же после того, как Паули открыл зту частицу «на кончике своего пера», ждать ее результатов пришлось двадцать лет. За это время методы ядерной физики совершенно преобразились.
Во-первых, были созданы мощные источники нейтринного излучения. И мы о них будем вкратце говорить. Во-вторых, появились чувствительные детекторы, содержащие большое количество вещества — несколько кубометров. Об этом мы поговорим более подробно. Наконец, экспериментаторы изобрели методы подавления фона. Ведь другие частицы, попадая в нейтринный детектор, тоже регистрируются. Из примера, который был приведен выше, видно, что его чувствительность к гамма-из-лучепию на 19—20 порядков больше, чем к нейтрино. И нужные реакции вполне могут остаться незамеченными среди массы других процессов. Потребовалась многолетняя работа для того, чтобы научиться выделять нейтринные события Среди фоновых по их специфическим особенностям. Поэтому нам не избежать знакомства с источниками фона в нейтринных экспериментах. Начнем по порядку.
1.2. Ядерные реакторы — источники нектр«.но
Первые попытки зарегистрировать нейтрино делались при помощи источников, которые обладали естественней радиоактивностью. Опытов было сделано много. Часто в них использовались огромные (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 г радия, и число нейтрино, излучаемых им во есє стороны, составляло приблизительно 1U11 частиц в секунду. Ионизации Намиас не обнаружив. Из эксперимента следовало, что пробег частицы до взаимодействия с атомами воздуха больше, чем миллион километров, и, значит, ее возможный магнитный момент на мнсго порядков меньше, чем у электрона.
2 декабря 1972 г. под руководством Э. Ферми в Америке был пущен первый ядерный реактор. В Советском Союзе запуск реактора был осуществлен 25 декабря 1946 г. Руководил работами Игорь Васильевич Курчатов. Наступила новая эра в физике и технике и она, конечно, коснулась нейтрино.
В реакторе, после захвата нейтрона, ядро урана-235 (или плутония-239) делится на два осколка. Образовавшиеся осколки сначала излучают нейтроны, потом гамма-кванты и процессы эти идут за очень короткие времена. Потом приходит черед бета-распадов.
В среднем каждый из осколков претерпевает ?-pac-пад три раза и, следовательно, при одном делении излучается шесть нейтрино. Их энергии простираются от О до 10 МэВ, но относительное число частиц с большой энергией очень мало. Если мощность реактора составляет U000 МВт (не особенно много по современным масштабам), то в окружающее пространство каждую секунду испускаются N = 2•1O20 нейтрино. Около 50 МВт мощности 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 более сильным «обогревать Вселенную».
На детектор, расположенный на расстоянии Il с= 10-=-15 м от активной зоны реактора, падает поток
83
нейтрино, равный ~1013 частиц через 1 см2 с секунду *). Расположить детектор ближе очень трудно из-за необходимости защиты от других видов излучения реактора.
Физики получили в свои руки мощный источник нейтрино. Теперь дело было за детекторами. Их развитие шло непрерывно и для обнаружения v были испробованы самые разные типы таких приборов, пока не стало ясно, что успехов следует ожидать от сцинтилляционного метода.
1.3. Немного истории
В темной комнате сидит человек. Он склонился над небольшим прибором, наблюдая через лупу вспышки света па экранчике из сернистого цинка. Таким способом он считает альфа-частицы от радиоактивного препарата, расположенного в нескольких миллиметрах от экрана. Свет, вызываемый одной частицей, столь слаб, что исследователю приходится часами просиживать в темноте, чтобы приучить глаза хорошо различать его.
Это первый из детекторов элементарных частиц, носящий название спинтарископа Крукса. Именно с его помощью открыто атомное ядро. Конечно, такой прибор был пригоден только для счета редких событий, самое большее,— двух в секунду. Невозможно было и вести наблюдение достаточно долго. Резерфорд вспоминал, что он не мог выдержать больше, чем две минуты, потом глаза начинали слезиться от напряжения и приходилось отдыхать. Чемпионом лаборатории в этом виде спорта считался Гейгер. Но он пренебрег своими чемпионскими лаврами и изобрел газоразрядный счетчик — счетчик Гейгера, надолго вытеснивший из практики метод вспышек, названный сцинтилляционпым **).
В 1944 г. Керраи и Бейкер приспособили для счета сцинтилляций электронный прибор фотоумножитель (ФЭУ), регистрирующий световые вспышки. Фотоумно-
*) Здесь вступает в действие закон обратных квадратов расстоя" ний. Поскольку нейтрино ничем не задерживаются, то их поток h через 1 см2 в 1 с
h__N - 2 • 1020 Ч10.з
4лЯ* — 4л (1500)2 — ° 1и '
**) Сцинтилляция (англ.) искрение, вспышка света.
84
житель обладал несомненными преимуществами по сравнению с человеком — быстротой, надежностью и большей чувствительностью. Свет от каждой из частиц преобразовывался в электрический импульс и затем специальная электронная аппаратура считала эти импульсы. С этого момента возрожденный метод сцинтилляций начал свое триумфальное шествие в ядерной физике и физике элементарных частиц.
