Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Теперь нейтринное событие может быть отделено от фона по следующим признакам:
1. В детекторах одновременно возникают импульсы, соответствующие по энергии аннигиляционным квантам.
2. Через определенное время в детекторах, тоже одновременно, появляются импульсы, величина которых лежит в заданном диапазоне. Они связаны с захватом нейтрона ядром кадмия.
Определенные энергии, совпадение по времени, задержка между первым и вторым событием — все эти особенности реакции (32) позволили успешно подавить фон и зарегистрировать нейтрино. В эксперименте ис-
4 А. А. Боровой
97
пользовались две водные мишени и между ними три сщштилляционных детектора. Общая масса установки, кроме внешней свинцовой защиты, превышала 10 т, а счет полезных событий составлял всего лишь 1,7 штуки за час, т. е. 40 штук в сутки! Вместе с тем полное число реакций (32) в 400 л воды должно было быть около 2000. Такое уменьшение эффекта произошло потому, что в борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино. Простой пример. Анни-гиляционный гамма-квант может потерять часть своей энергии в водной мишени, может уйти из сцинтилляцион-ного детектора, оставив в нем только часть энергии. Поскольку отбираются такие события, импульс от которых соответствует потерям энергии в детекторе 0,5 МэВ, электронная схема его не сосчитает.
Эффективность регистрации нейтрино рассчитывалась и проверялась в контрольных экспериментах. Опытов было проведено очень много. Например, для определения наиболее опасной компоненты фона — фона от реактора, между активной зоной и установкой помещалась массивная дополнительная защита. Потоки всех частиц, кроме нейтрино, ослабляются этой защитой. И если наблюдаемые события все-таки каким-либо хитрым образом имитируются ими, то число таких событий уменьшается. Результат успокоил физиков — величина эффекта осталась на уровне 40 штук в сутки. Эксперимент, вместе с контрольными опытами, длился 2085 часов, т. е. около трех месяцев чистого времени.
Точность опыта была не очень велика, но позволила утверждать, что вероятность взаимодействия нейтрино с протоном находится в согласии с предсказаниями теории Ферми. (Отметим, что именно работы Рейнеса и Коу-эна по созданию нейтринного детектора открыли путь в физику, биологию и другие науки счетчикам, содержащим большие объемы жидкого сцинтиллятора. Примером может служить один из детекторов радиоактивности человеческого тела. В таком счетчике человек помещается в трубу длиной около двух метров. Стенки трубы двойные и между ними находится слой жидкого сцинтиллятора, толщиной 15 см. Более ста фотоумножителей регистрируют световые вспышки от гамма-квантов калия-40.)
В течение 1959—1968 гг. группа физиков во главе с Рейнесом уточняла экспериментальные результаты ис-
88
следования реакции (32). Одновременно с этим была начата подготовка к другим опытам с реакторными нейтрино: поискам процесса рассеяния нейтрино на электроне ((ег)(ег')-взаимодействие) и изучения взаимодействия v с ядром атома тяжелого водорода — дейтоном. В первом случае был создан уникальный по чувствительности сцин-тилляционный детектор, о котором мы кратко расскажем на следующих страницах.
1.9. Нейтрино рассеивается на электроне
На столе лежат два томика с заголовками «Библиография нейтрино». В них собраны названия всех статей, посвященных этой частице, за промежуток времени в тридцать лет.
1930 г. Первое письмо Паули, единственная работа в этом году.
1934 г. Кроме работы Ферми по теории бета-распада, еще 20 статей. Популярность загадочной частицы растет и зта загадочность подталкивает ученых на создание самых смелых гипотез. Например — «Нейтринная теория света» (довольно много работ).
1936 г. Еще одно косвенное доказательство существования нейтрино — работа советского физика А. И. Лей-пунского. В его опыте было качественно показано, что ядра терпят отдачу при ?-распаде таким образом, что ее нельзя объяснить вылетом только одной заряженной частицы.
Обнаружение свободного нейтрино — 1953 г. Кроме янаменитой статьи Рейнеса и Коуэна еще около 60 работ.
Но вот все сильнее начинает звучать новая тема в нейтринной физике — обсуждение возможности рассеяния нейтрино на электроне. Среди 236 книг и статей 1964 г. многие касаются этого процесса. В том же году опубликована и книга академика М. А. Маркова, в которой мы читаем:
«Хотя подробный анализ возможностей, открываемых существованием (ел>)(е\>')-взаимодействия, очень напоминает дележ шкуры неубитого медведя, все же обсуждение различных порождаемых взаимодействием эффектов эвристически очень ценно.
...Хотим мы этого или не хотим, но тенденции в развитии физики слабых взаимодействий привели к тому, что детектирование пока выдуманного (е\>)(ел>')-взаимодейст-
4* 99
вия становится экспериментальной проблемой фундаментальной важности».
Реакция эта выглядит так:
V+ е- ->v'-f- є", (33)
т. е. ожидается, что налетающее нейтрино рассеивается на электроне, теряя часть своей энергии (v' — обозначает нейтрино с меньшей энергией, чем v). Если процесс обратного ?-распада (эксперимент Рейнеса и Коуэна) вытекает из самых общих физических принципов, то о существовании рассеяния нейтрино на электроне заранее известно было гораздо меньше. Конечно, физикам очень хотелось, чтобы по аналогии с электродинамикой слабые силы приводили к своеобразному комптон-эффекту, в котором роль гамма-кванта играло бы рассеивающееся нейтрино. Тогда открывалась возможность для массы интереснейших процессов (например, рождение электрон-позитронных пар летящим нейтрино), важных для физики элементарных частиц и астрофизики.
