Войти
Нейтринный эксперимент Коуэна-Райнса был проведен Вашингтонский университет в Сент-Луисе выпускник Клайд Л. Коуэн и Технологический институт Стивенса и выпускник Нью-Йоркского университета Фредерик Райнс в 1956 году. Эксперимент подтвердил существование нейтрино. Предполагалось, что нейтрино, субатомные частицы без электрического заряда и очень малой массы, являются важной частицей в процессах бета-распада в 1930-х годах. Без массы и заряда такие частицы оказалось невозможно обнаружить. В эксперименте использовался огромный поток (гипотетических) электронных антинейтрино, исходящих от ближайшего ядерного реактора, и детектор, состоящий из больших резервуаров с водой. Наблюдалось взаимодействие нейтрино с протонами воды, что впервые подтвердило существование и основные свойства этой частицы.
В течение 1910-х и 1920-х годов наблюдения электронов в результате ядерного бета-распада показали, что их энергия имеет непрерывное распределение. Если бы в процессе участвовали только атомное ядро и электрон, энергия электрона имела бы единственный узкий пик, а не непрерывный энергетический спектр. Наблюдался только полученный электрон, поэтому его изменяющаяся энергия предполагала, что энергия не может сохраняться. Это затруднение и другие факторы побудили Вольфганга Паули попытаться разрешить проблему, постулируя существование нейтрино в 1930 году. Если фундаментальный принцип сохранения энергии должен был быть сохранен, бета-распад должно было быть трехчастным, а не двухчастичным распадом. Поэтому, помимо электрона, Паули предположил, что еще одна частица испускалась из атомного ядра в бета-распаде. Эта частица, нейтрино, имела очень маленькую массу и не имела электрического заряда; его не наблюдали, но он нес в себе недостающую энергию.
Предложение Паули было развито в предложенную теорию бета-распада Энрико Ферми в 1933 году. Теория утверждает, что процесс бета-распада состоит из четырех фермионов напрямую взаимодействуют друг с другом. В результате этого взаимодействия нейтрон распадается непосредственно на электрон, предполагаемое нейтрино (позже определенное как антинейтрино ) и протон. Теория, которая оказалась удивительно успешной, основывалась на существовании гипотетического нейтрино. Ферми первым представил свою «предварительную» теорию бета-распада в журнал Nature, который отверг ее, «потому что она содержала предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя».
Одна из проблем с гипотезой нейтрино и теорией Ферми заключалась в том, что нейтрино, по-видимому, настолько слабо взаимодействует с другим веществом, что его никогда нельзя будет наблюдать. В статье 1934 года Рудольф Пайерлс и Ганс Бете подсчитали, что нейтрино могут легко проходить через Землю без взаимодействия с какой-либо материей.
По обратному бета-распаду, предсказанному нейтрино, точнее, электронному антинейтрино (
Вероятность возникновения этой реакции была мала. Вероятность возникновения любой данной реакции пропорциональна ее поперечному сечению. Коуэн и Рейнс предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно 6 × 10 см. Обычной единицей измерения поперечного сечения в ядерной физике является сарай, который имеет размер 1 × 10 см и на 20 порядков больше.
Несмотря на низкую вероятность взаимодействия нейтрино, сигнатуры взаимодействия уникальны, что делает возможным обнаружение редких взаимодействий. позитрон, антивещество, аналог электрона, быстро взаимодействует с любым ближайшим электроном, и они аннигилируют друг друга. Два результирующих совпадающих гамма-луча (. γ.) обнаруживаются. Нейтрон может быть обнаружен путем его захвата соответствующим ядром, испускающего третий гамма-луч. Совпадение событий аннигиляции позитронов и захвата нейтронов дает уникальную сигнатуру взаимодействия антинейтрино.
A молекула воды состоит из кислорода и двух атомов водорода, и большинство атомов водорода воды имеют один протон в качестве ядра. Эти протоны могут служить мишенями для антинейтрино, так что простая вода может служить основным детектирующим материалом. Атомы водорода настолько слабо связаны в воде, что их можно рассматривать как свободные протоны для нейтринного взаимодействия. Механизм взаимодействия нейтрино с более тяжелыми ядрами, имеющими несколько протонов и нейтронов, более сложен, поскольку составляющие протоны прочно связаны внутри ядер.
Учитывая небольшую вероятность взаимодействия одиночного нейтрино с протоном, нейтрино можно было наблюдать только с использованием огромного потока нейтрино. Начиная с 1951 года, Коуэн и Райнес, оба тогдашние ученые из Лос-Аламоса, Нью-Мексико, первоначально думали, что нейтринные вспышки в результате испытаний атомного оружия, которые тогда происходили, могут обеспечить требуемый поток. В конечном итоге они использовали ядерный реактор в качестве источника нейтрино, как посоветовал руководитель физического отдела Лос-Аламоса Дж. Келлогг. Реактор имел поток нейтрино 5 × 10 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр, что намного превышало любой поток, достижимый от других радиоактивных источников. Был использован детектор, состоящий из двух резервуаров с водой, предлагающих огромное количество потенциальных целей в протонах воды.
В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействовали с протонами в воде, были созданы нейтроны и позитроны. Два гамма-излучения, создаваемые аннигиляцией позитронов, были обнаружены путем размещения резервуаров с водой между резервуарами, заполненными жидкостью сцинтиллятором. Материал сцинтиллятора испускает вспышки света в ответ на гамма-лучи, и эти световые вспышки обнаруживаются трубками фотоумножителя .
Дополнительное обнаружение нейтрона от нейтринного взаимодействия обеспечило второй уровень уверенности. Коуэн и Райнс обнаружили нейтроны путем растворения хлорида кадмия, CdCl 2 в резервуаре. Кадмий является высокоэффективным поглотителем нейтронов и испускает гамма-излучение, когда поглощает нейтрон.
Расположение было таким, что после события взаимодействия нейтрино были бы обнаружены два гамма-кванта от аннигиляции позитронов, а затем гамма-излучение от поглощения нейтрона кадмием через несколько микросекунд.
В эксперименте, который разработали Коуэн и Райнс, использовались два резервуара с общим объемом около 200 литров воды с около 40 кг растворенного CdCl 2. Резервуары для воды были зажаты между тремя слоями сцинтиллятора 5, которые содержали 110 пятидюймовых (127 мм) фотоумножителей.
Клайд Коуэн проводил нейтринный эксперимент около 1956 г. Предварительный эксперимент был проведен в 1953 г. на Хэнфордской площадке в штате Вашингтон, но в в конце 1955 г. эксперимент был перенесен на завод Savannah River Plant рядом с Айкеном, Южная Каролина. Участок реки Саванна лучше защищался от космических лучей. Это защищенное место находилось в 11 м от реактора и в 12 м под землей.
После нескольких месяцев сбора данных накопленные данные показали около трех нейтринных взаимодействий в детекторе в час. Чтобы быть абсолютно уверенными в том, что они наблюдали события нейтрино из схемы обнаружения, описанной выше, Коуэн и Райнс остановили реактор, чтобы показать, что существует разница в частоте регистрируемых событий.
Они предсказали, что поперечное сечение реакции будет примерно 6 × 10 см, и их измеренное поперечное сечение было 6,3 × 10 см. Результаты были опубликованы в выпуске журнала Science.
от 20 июля 1956 года. Клайд Коуэн умер в 1974 году в возрасте 54 лет. В 1995 году Фредерик Рейнс был удостоен чести. с Нобелевской премией за работу по нейтрино физике.
. Основной стратегией использования массивных детекторов, часто на водной основе, для исследования нейтрино было использовались в нескольких последующих экспериментах, включая детектор Ирвин-Мичиган-Брукхейвен, Камиоканде, Нейтринная обсерватория Садбери и Эксперимент Хоумстейк. Хоумстейк Эксперимент - это современный эксперимент, который обнаружил нейтрино от ядерного синтеза в ядре Солнца. Обсерватории, подобные этим, зарегистрировали нейтринные всплески от сверхновой SN 1987A в 1987 году, когда появилась нейтринная астрономия. Наблюдения за солнечными нейтрино Нейтринная обсерватория Садбери смогла продемонстрировать процесс осцилляции нейтрино. Осцилляции нейтрино показывают, что нейтрино не являются безмассовыми, что является глубоким достижением в физике элементарных частиц.
