Предпосылки к открытию нейтрино

Евразийский Национальный университет имени Л.Н. Гумилева

Физико-технический факультет

Международная кафедра ядерной физики, новых материалов и технологий

СРС

«Нейтринное излучение»

Выполнила: студентка группы ЯФ-42

Жарлгапова Аида

Проверил: Жумадилов К.Ш.

Астана, 2015

Нейтрино – это стабильная элементарная частица, относящаяся по своим статистическим свойствам к фермионам, т.е. частицам с полуцелым спином, и входящая в группу лептонов. Основные характеристики нейтрино перечислены в Таблице 1, а отношение нейтрино к различным типам взаимодействий – в Таблице 2.

Таблица 1. Основные общие характеристики нейтрино

Характеристика	Значение
Спин J	1/2
Четность P	не определена
Электрический заряд Q
Время жизни t	(стабильно)
Барионный заряд B

Таблица 2. Отношение нейтрино к различным типам взаимодействий

Взаимодействие	Участие	Примечание
Сильное	-	как и все лептоны
Электромагнитное	-	из-за отсутствия заряда
Слабое	+
Гравитационное	*	т.к. масса равна нулю

Нужно отметить, что для нейтрино, как и для всех лептонов, четность не указывается. Это связано с тем, что лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, которые, как известно, не сохраняют четность. А, следовательно, по отношению к этим взаимодействиям понятие внутренней четности не имеет смысла.

Важной особенностью нейтрино является слабое взаимодействие с веществом. Сечение взаимодействия нейтрино в зависимости от его энергии лежит в пределах от см² до см^2.. Поэтому пробег нейтрино низких энергий (порядка 1 МэВ) в твердой среде составляет .

Известно три типа или аромата нейтрино. Это электронные, мюонные и тау нейтрино. Различные типы нейтрино имеют разные лептонные заряды: . Для нейтрино справедлив закон сохранения лептонного заряда. Характеристики различных ароматов нейтрино представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики различных ароматов нейтрино

Характеристика
Лептонный заряд
Лептонный заряд
Лептонный заряд
Масса mc2	< 3 эВ	< 190 кэВ	<18,2 МэВ

Предпосылки к открытию нейтрино

Существование нейтрино было доказано только в середине ХХ века. Этому факту предшествовал целый ряд наблюдений, вопросов и открытий.

В конце ХIХ века Анри Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана - самого тяжелого по тем временам элемента. Несколько позже стало ясно, что оно состоит из трех видов, разительно не похожих друг на друга и названных альфа-, бета- и гамма-лучами. Открытие нейтрино связано с бета-излучением.

В начале ХХ века при изучении -распада радиоактивных ядер появилась проблема - нарушение законов сохранения энергии, импульса и момента импульса.

К этому времени было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказалась -частица Беккереля. Такой процесс получил название -распада - спонтанного превращения ядра (A,Z) в ядро-изобар (A,Z+1) в результате испускания электрона. Тогда еще структура ядра "не была" протонно-нейтронной (т.к. не был открыт нейтрон), и процесс -распада записывался так:

, где X₁ – распадающееся ядро, X₂ – образовавшееся ядро.

В 1914, когда английский физик Джеймс Чедвик обнаружил, что энергии электронов, испускаемых при -распаде атомных ядер (в отличие от -частиц и -квантов, испускаемых при других видах радиоактивных превращений), не строго определенные, а лежат в широком диапазоне значений. В большинстве случаев энергия была меньше той, какую они должны были теоретически иметь. Создавалось впечатление, что энергия куда-то исчезает, т.е. происходит нарушение закона сохранения энергии. В то время даже Нильс Бор готов был признать, что законы сохранения в микромире могут не выполняться. Он утверждал, что не существует «ни экспериментальных, ни теоретических» доказательств, которые бы подтверждали справедливость закона сохранения энергии при -распаде.

Рис.1. Спектр электронов -распада

Таким образом, было выяснено, что при -распаде электроны имеют непрерывный энергетический спектр в диапазоне от 0 до , где – энергия, выделяющаяся в реакции. А такое возможно только в случае образования 3-х частиц в процессе распада. Именно непрерывность спектра электронов, образующихся при распаде, и натолкнула Вольфганга Паули в 1930 году на предположение, что при -распаде одновременно с электроном рождается какая-то частица с полуцелым спином и очень малой массой, которая и уносит недостающую часть энергии. В своем знаменитом письме к Тюбингемскому научному конгрессу он написал: «Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому что, если бы нейтрино существовало, оно было бы давно открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает. Поэтому мы должны серьезным образом обсуждать любой путь к спасению».

Незамеченной эта частица остается потому, что не имеет массы покоя и электрического заряда и поэтому не участвует в кулоновских и сильных взаимодействиях, иными словами, не может производить те эффекты, по которым обычно регистрируют частицы. Именно эта частица могла уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить эту частицу экспериментально. Однако ее свойства, предсказанные Паули, делали обнаружение этой частицы чрезвычайно трудной задачей из-за ее слабого взаимодействия с веществом.

Таким образом, на тот момент предполагалось 2 возможных решения проблемы бета-распада:

1. невыполнение закона сохранения энергии в единичном акте бета-распада

2. выполнение закона сохранения энергии и испускание некой неизвестной частицы в бета-распаде - нейтрино.

Дальнейшая история нейтрино тесно связана с гипотезой о протонно-нейтринной структуре ядра и теорией -распада.

Сразу после открытия нейтрона в 1932 г. Чедвиком Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10^-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~10¹⁴ г/см³. Новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали сильным взаимодействием. Однако данная модель не давала ответ на следующий вопрос: «Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер?»

Ответ на этот вопрос был дан в 1934 г. итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории -распада. Ферми использовал гипотезу Паули в своей теории. Он предложил называть частицу, охарактеризованную Паули, "нейтрино", что буквально означает "нейтрончик", по аналогии с тяжелой нейтральной частицей – нейтроном. Паули предположил, что -распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса -распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия, которое было названо слабым. В своей теории Паули сформулировал основные свойства нейтрино в их современном виде. Он представил процесс ядерного -распада как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, выполняются соответствующие законы сохранения) на три частицы – протон, электрон и нейтрино:

Рис. 3. Схема -распада нейтрона через испускание виртуального W^--бозона

С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра -электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии -электронов очень чувствительной к массе нейтрино. Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса нейтрино много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты -распада, и её успех привёл физиков к признанию нейтрино.

Как выяснилось позже, гипотеза Паули "спасла" не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике.

После того как гипотеза о существовании нейтрино была сформулирована, физики попытались найти и другие доказательства его существования.