p +® m + n m, K +® m ++ n m, (4)
происходит только реакция n m+ n ® p + m -. Реакция n m+ n ® р + e -не была найдена; это означает, что Н. от реакций (4) не рождают электроны. Т. о., было доказано существование двух разных Н. - n mи n e.
В 1964-67 в аналогичных опытах было установлено, что n
mпри столкновении с ядрами рождает m
-и не рождает m
+, т. е. мюонные нейтрино n
mи антинейтрино
также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число
L
m
.
Спиральность и лептонные числа нейтрино.До открытия несохранения чётности в b-распаде считалось, что Н. описывается волновой функцией, являющейся решением
Дирака уравнения,и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) l = -
1/
2- левое (левовинтовое) Н. n
ли левое антинейтрино
и два с l = +
1/
2- правое (правовинтовое) Н. n
пи правое антинейтрино
. Теория Н., предполагающая существование четырёх состояний, называется четырёхкомпонентной, а двух состояний - двухкомпонентной. Примером двухкомпонентного Н. является майорановское Н.
Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания Н. В 1957 Л. Д.
Ландау
и независимо пакистанский физик А. Салам, а также
Ли Цзун-дао
и
Ян Чжэнь-нин
построили двухкомпонентную теорию спирального Н., в которой Н. имеет только два состояния: Либо n
ли
, либо n
пи
, т. е. Н. и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного Н. операция пространственной инверсии
Р(операция перехода от правой системы координат к левой) и операция
зарядового сопряженияС(переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физического смысла, так как переводит реальное Н. в нефизическое состояние с неправильной спиральностью. Физический смысл имеет только произведение этих операций - так называемая
комбинированная инверсия
(CP), превращающая реальное Н. n
л(n
п) в реальное антинейтрино
с противоположной спиральностью.
В 1958 в Брукхейвене было проведено прямое измерение спиральности электронного Н., испускаемого в процессе
152Eu
m(e
-,n
e)
152Sm* (
рис. 2
), и найдено, что с вероятностью, близкой к 100%, n
eобладает левовинтовой спиральностью. Измерения спиральности мюонных Н. в распадах p
+® m
++ n
mпоказали, что n
mтоже левое. Было также установлено, что
и
имеют правую спиральность (
рис. 3
).
Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного Н. Доказательством двухкомпонентности Н. являются опыты Райнеса по измерению сечения захвата антинейтрино (см. выше): сечение, в соответствии с двухкомпонентной теорией, оказалось в 2 раза выше, чем рассчитанное по четырёхкомпонентной теории. Хотя все проведённые с Н. опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного Н., теория спирального двухкомпонентного Н. более предпочтительна, так как допускает введение лептонных чисел L eи L m, посредством которых удаётся получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, например m ±® e ± + g ,е -+ р ® n + p -+ m +, К -® p ++ е -+ m -и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и «экономной», так как из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента Н.
Помимо L eи L m, имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд ) .
Масса и магнитный момент нейтрино.Экспериментально невозможно исключить наличие у Н. очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного Н. получена из анализа формы спектра b-электронов трития: m n eЈ 60 эв(что почти в 10 4раз меньше массы электрона m e» 510 кэв) .Для мюонного Н. экспериментальный предел значительно выше: m n mЈ 1,2 Мэв.Если масса Н. не строго равна 0, Н. может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, например в реакциях
n e+ e -® n e+ e -, n m+ p ® p + p° + n m.
Эксперименты по поиску этих реакций дали следующие ограничения на величину магнитного момента:
где m в- магнетон Бора, если
Осцилляции нейтрино. В 1958 Б. М. Понтекорво высказал гипотезу, что если масса Н. не строго равна 0 и нет строгого сохранения лептонных зарядов, возможны осцилляции Н., т. е. превращение одного вида Н. в другой (аналогично
осцилляциям К-мезонов вследствие несохранения странности взаимодействиях), например
и т.д. Вопрос об осцилляциях может быть решен лишь экспериментально.
Взаимодействия нейтрино
Как уже говорилось, взаимодействие Н. с др. частицами осуществляется посредством слабого взаимодействия. Современная теория универсального слабого взаимодействия (обобщённая теория Ферми), разработанная американскими учёными М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом,Р. Маршаком и Е. Сударшаном, описывает все экспериментально наблюдавшиеся процессы с участием Н., а также предсказывает ещё не наблюдавшиеся, например упругое рассеяние Н. на электроне и мюоне: n e+ e ® n e+ e, n m+ m ® n m+ m. Эксперименты по рассеянию Н. на электроне по своей чувствительности близко подошли к возможности обнаружения этих процессов, однако, выделить их над уровнем фона пока не удалось.
Особый интерес представляет взаимодействие Н. при высоких энергиях. Согласно современной теории слабого взаимодействия, сечение рассеяния Н. на др. лептонах, например реакции n m+ е -® n e+ m - ,должно расти с ростом энергии пропорционально квадрату энергии в системе центра инерции (с. ц. и.) сталкивающихся частиц [или линейно в лабораторной системе (л. с.)]. Однако такой рост сечения взаимодействия в локальной теории Ферми не может происходить неограниченно, т.к. при энергиях ~300 Гэвв с. ц. и. сечение достигает своего естественного предела, определяемого так называемым условием унитарности (условием того, что суммарная вероятность всех возможных процессов при столкновении данных частиц равна 1). Можно ожидать, что при этих энергиях (если окажется справедливой современная теория) слабое взаимодействие станет «сильным» в том смысле, что сечения процессов множественного рождения лептонов станут сравнимыми с сечением двухчастичных процессов.
Экспериментально пока удалось исследовать только процессы взаимодействий Н. с сильно взаимодействующими частицами ( адронами ) .Наблюдались квазиупругие процессы типа n e(n m) + n ® p + е -(m -) и неупругие процессы, например n e(n m) + n ® n (p) + е -(m -) + Np + N'K +..., где N, N' - целые числа. Для квазиупругих процессов можно теоретически предсказать ход сечения с ростом энергии. Согласно гипотезе советских учёных С. С. Герштейна и Я. Б. Зельдовича,нуклон является носителем сохраняющегося «слабого заряда», аналогичного электрическому. Если это так, то «слабый заряд» (как и электрический) должен быть «размазан» по объёму нуклона и нуклон при взаимодействии с Н. должен вести себя как протяжённая частица. В то время как сечение квазиупругого рассеяния Н. на точечном нуклоне растет линейно с ростом энергии (в л. с.), на протяжённом нуклоне, как показывают расчёты, оно достигает постоянного значения при энергии Н. E n= 1-2 Гэв.Эксперименты подтвердили эту гипотезу при E n= 1-5 Гэв.
Для неупругих процессов ситуация более сложная. М. А. Марков высказал предположение, что полное сечение взаимодействия Н. с нуклоном, несмотря на «обрезание» сечения в каждом отдельном канале реакции, должно расти линейно с возрастанием энергии (в л. с.) из-за неограниченного роста числа возможных каналов. В рамках определённых предположений это было доказано американскими учёными С. Адлером и Дж. Бьёрксном. Как показал Р. Фейнман, такая зависимость сечения от энергии возможна, если нуклон представляет собой облако точечных частиц («партонов»). Измерения, проведённые в ЦЕРНе, согласуются с линейным ростом полного сечения в области E n= 1-10 Гэв:s n= (0,69 ± 0,05)·10 -38E n см 2(в формуле энергия E n, выражена в Гэв). Получены также данные в опытах с Н. космических лучей при энергии 10-100 Гэв:s n= (0,55 ± 0,15)·10 -38 E n см 2.Первые результаты, полученные в Национальной ускорительной лаборатории США (Батавия), не противоречат линейному росту сечения до E n~40 Гэв.Т. о., все данные согласуются с линейным ростом полного сечения взаимодействия Н. с нуклоном при E nЈ 100 Гэв.Высказывалось предположение, что сечение может линейно расти с энергией вплоть до геометрических размеров нуклона (~ 10 -26 см 2) .
Существует теория, отличная от теории Ферми, в которой слабое взаимодействие осуществляется за счёт обмена так называемым промежуточным бозоном. В этой теории сечение взаимодействия Н. как с лептонами, так и с адронами должно «обрезаться» при высоких энергиях, причём энергия «обрезания» определяется массой промежуточного бозона.
В 1973 впервые (ЦЕРН) в
пузырьковой камере
наблюдалось около сотни случаев взаимодействия n
mи
с ядрами с рождением адронов без образования мюонов, а также (1974) несколько случаев рассеяния
на электроне. Это, по-видимому, свидетельствует о существовании нового типа взаимодействия Н. с адронами и лептонами через так называемые нейтральные токи. Существование подобных взаимодействий вытекает, в частности, из объединённой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (см.
Слабые взаимодействия
)
.
Во всех перечисленных выше экспериментах Н. выступает в роли инструмента исследования структуры элементарных частиц.
Естественные источники нейтрино
Естественная радиоактивность.Любое космическое тело, в том числе Земля, содержит значительное количество радиоактивных элементов и является источником Н. Регистрация антинейтрино от Земли в принципе возможна, однако методы регистрации ещё не разработаны.
Столкновение протонов космических лучей с газом и реликтовыми фотонами может приводить к рождению заряженных p-мезонов, распад которых сопровождается испусканием Н. (или антинейтрино). В этом механизме возможна генерация Н. с энергиями вплоть до Е n= 10 20 эв.Источником таких Н. является атмосфера Земли, а также ядро и диск Галактики, где сосредоточена основная масса межзвёздного газа. Н. от столкновения протонов сверхвысоких энергий с реликтовыми фотонами испускаются во всём мировом пространстве. Существует гипотеза, что Н. сверхвысоких энергий являются причиной сверхмощных широких атмосферных ливней (см. Космические лучи ) .
Атмосфера Земли - пока единственный естественный источник, от которого удалось зарегистрировать Н. Рождаются Н. в верхних слоях атмосферы, где генерируется наибольшее число p- и К-мезонов. Впервые идея экспериментов с Н. космических лучей была высказана М. А. Марковым (1960). Было предложено регистрировать глубоко под землёй мюоны с энергией 10-100 Гэвот реакции n m+ n ® р + m -(**). Регистрируя мюоны из нижней полусферы Земли и под большими зенитными углами, можно избавиться от фона атмосферных мюонов и иметь чистые нейтринные события (**). Первые результаты получены в Индии и в Южной Африке в 1965 с помощью специальных нейтринных телескопов ( рис. 4 ). К 1973 мировая статистика насчитывала свыше сотни нейтринных событий.
Реакции термоядерного синтезахимических элементов - основной механизм генерации Н. в недрах Солнца и большей части звёзд (в период их «ядерной» эволюции).
Сверхгорячая плазмаслужит источником Н. в звёздах на завершающих этапах эволюции, а также в модели горячей Вселенной в первые доли секунды её возникновения. Возможны два вида генерации Н. Первый связан с реакциями взаимного превращения нуклонов
(так называемый урка-процесс) и может идти как на связанных нуклонах ядер при температурах Т~ 10 9К, так и на свободных нуклонах при Т³ 10 10К. Второй способ, чисто лептонный, связан с реакциями типа
а также с реакциями
(фоторождение Н.),
(нейтринная аннигиляция электрон-позитронных пар) и др., которые происходят, если существует гипотетическое рассеяние n e+ е ® n e+ e (предсказываемое теорией Ферми). Пока не удалось доказать существование n e+ е ® n e+ е - рассеяния лабораторными методами (на Н. от реакторов и ускорителей); считается, что астрофизические данные свидетельствуют в пользу существования такого процесса.
Реликтовые Н. Согласно модели горячей Вселенной, Н., испущенные в момент её возникновения, испытывают сильное красное смещение при космологическом расширении Вселенной. Такие реликтовые Н. заполняют всё мировое пространство. В наиболее реалистическом варианте модели горячей Вселенной число мюонных и электронных Н. и антинейтрино одинаково и составляет ~ 200 частиц/см 3, а средняя энергия Н. - (2-3)Ч10 -4 эв,что соответствует температуре нейтринного газа 2-3 К. Для понимания механизма развития Вселенной очень важно экспериментально установить наличие реликтовых Н. и измерить температуру нейтринного газа.
В рамках модели горячей Вселенной удаётся получить наилучшую оценку для массы мюонного Н. Согласно космологическим данным, плотность материи в расширяющейся Вселенной не может превышать 10 -28 г/см 3;отсюда следует, что максимально возможная масса мюонного Н. составляет ~ 300 эв(т. е. значительно ниже верхнего предела, установленного лабораторными методами).
Нейтронизация вещества,т. е. превращение протонов в нейтроны по схеме р + е -® n + n e, может служить мощным источником Н., когда звезда по каким-либо причинам теряет гравитационную устойчивость и коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду.При этом огромное число Н., равное по порядку величины числу протонов в звезде (~ 10 57), испускается за сотые доли сек.Если коллапсирует горячая звезда, нейтронизация происходит совместно с процессами, характерными для горячей плазмы. Такая ситуация возможна при взрывах сверхновых и при коллапсе гравитационном.
О возможности регистрации Н. от Солнца и др. звёзд см. Нейтринная астрономия.
Развитие науки о Н. за последние четверть века убедительно доказало, что Н. из гипотетической частицы превратилось в мощный инструмент исследования микро- и макромира.
Лит.:Аллен Дж., Нейтрино, пер. с англ., М., 1960; Алиханов А. И., Слабые взаимодействия. Новейшие исследования b-распада, М., 1960; Теоретическая физика 20 века, М., 1962; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Понтекорво Б. М., Нейтрино и его роль в астрофизике, «Успехи физических наук», 1963, т. 79, в. 1, с. 3; Марков М. А., Нейтрино, М., 1964; Железных И. М., Подземные нейтринные эксперименты, «Успехи физических наук». 1966, т. 89, в. 3, с. 513; Ли Ц. и Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Березинский В. С., Нейтрино, М., 1973.
Г. Т. Зацепим, Ю. С. Копысов.
Рис. 1. Схема опыта Ф. Райнеса и К. Коуэна (1958) на реакторе в Саванна-Ривер, США: 1 - жидкий сцинтилляционный детектор (1400 л) для регистрации антинейтрино; 2 - сцинтилляционный детектор для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1; 3 - две группы фотоумножителей, включенные на совпадение; 4 - электронная аппаратура; 5 - двухлучевой осциллограф; 6 - свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.
Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков М. Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Суньяра по измерению спиральности нейтрино. Радиоактивный препарат 152E um(J p= 0 -) 1 (где J - спин, p - чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро 152Sm*(1 -) испускает g-квант [превращаясь в ядро 152Sm(0 +)], который, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах 152Sm(0+) 3. Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm после испускания g-кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и g-квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае g-квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор Nal 4 считает число g-квантов N +и N -, рассеянных при направлениях магнитного поля по и против движения нейтрино. Теоретическое значение (N -- N +)/2(N -+ N +) = +0,025 для левовинтовой и -0,025 для правовинтовых спиральностей нейтрино; экспериментальное значение равно +0,017 ± 0,003, что согласуется со 100%-ной левовинтовой спиральностью нейтрино, если учесть все возможные эффекты деполяризации g-квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания g-квантов.)
Рис. 4. а - схема нейтринного телескопа, установленного в шахте Южной Индии на глубине около 2300 м: 1 - пластические сцинтилляционные элементы, площадью 1 м 2, каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями 2; регистрируются четырёхкратные совпадения между парой фотоумножителей на одной стороне и любой парой - на другой; между сцинтилляторами установлено неск. слоев неоновых трубок 3 для фотографирования следов заряженных частиц, образованных нейтрино; 4 свинцовые поглотители толщиной 2,5 см; б - случай неупругого взаимодействия нейтрино, пришедшего из нижней полусферы Земли; 5, 6 - следы, оставленные, по-видимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении n mс нуклоном.
Рис. 3. При отражении в зеркале (пространственной инверсии) левое нейтрино n лпереходит в несуществующее состояние правого нейтрино n п(а). Реальное состояние получается при одновременном (с отражением) переходе от частицы к античастице, при этом n лпереходит в правое антинейтрино n п(б).
Нейтрон
Нейтро'н(англ. neutron, от лат. neuter - ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрическим зарядом) элементарная частица со спином
1/
2(в единицах постоянной Планка
) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из протонов и Н. построены все
ядра атомные.Магнитный момент Н. равен примерно двум ядерным
магнетонам
и отрицателен, т. е. направлен противоположно механическому, спиновому, моменту количества движения. Н. относятся к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и входят в группу барионов, т. е. обладают особой внутренней характеристикой -
барионным зарядом,равным, как и у протона (р), + 1. Н. были открыты в 1932 английским физиком Дж.
Чедвиком,который установил, что обнаруженное немецкими физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, возникающее при бомбардировке атомных ядер (в частности, бериллия) a-частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.
Н. устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный Н. - нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон (е
-) и электронное антинейтрино
:
среднее время жизни Н. t » 16 мин.В веществе свободные Н. существуют ещё меньше (в плотных веществах единицы - сотни мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные Н. возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций (см. Нейтронные источники ) .В свою очередь, свободный Н. способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых; исчезая, Н. вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват Н., приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Большая эффективность Н. в осуществлении ядерных реакций, своеобразие взаимодействия с веществом совсем медленных Н. (резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т.п.) делают Н. исключительно важным орудием исследования в ядерной физике и физике твёрдого тела. В практических приложениях Н. играют ключевую роль в ядерной энергетике производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов (искусственная радиоактивность), а также широко используются в химическом анализе ( активационный анализ ) и в геологической разведке ( нейтронный каротаж ) .
В зависимости от энергии Н. принята их условная классификация: ультрахолодные Н. (до 10 -7 эв) ,очень холодные (10 -7-10 -4эв), холодные (10 -4-5Ч10 -3 эв) ,тепловые (5Ч10 -3-0,5 эв), резонансные (0,5-10 4 эв) ,промежуточные (10 4-10 5 эв) ,быстрые (10 5-10 8 эв) ,высокоэнергичные (10 8-10 10 эв) и релятивистские (³ 10 10эв); все Н. с энергией до 10 5 эвобъединяют общим названием медленные нейтроны.
О методах регистрации Н. см. Нейтронные детекторы.
Основные характеристики нейтронов
Масса. Наиболее точно определяемой величиной является разность масс Н. и протона: m n- m р= (1,29344 ± 0,00007) Мэв,измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энергетических единицах)
m n= (939,5527 ± 0,0052) Мэв;
это соответствует m n» 1,6·10 -24 г,или m n» 1840 m е,где m е-масса электрона.
Спин и статистика.Значение 1/ 2для спина Н. подтверждается большой совокупностью фактов. Непосредственно спин был измерен в опытах по расщеплению пучка очень медленных Н. в неоднородном магнитном поле. В общем случае пучок должен расщепиться на 2 J + 1 отдельных пучков, где J- спин Н. В опыте наблюдалось расщепление на 2 пучка, откуда следует, что J= 1/ 2. Как частица с полуцелым спином, Н. подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом); независимо это было установлено на основе экспериментальных данных по строению атомных ядер (см. Ядерные оболочки ) .
Электрический заряд нейтрона Q= 0. Прямые измерения Qпо отклонению пучка Н. в сильном электрическом поле показывают, что, по крайней мере, Q< 10 -17 e,где е -элементарный электрический заряд, а косвенные измерения (по электрической нейтральности макроскопических объёмов газа) дают оценку Q< 2·10 -22 е.
Другие квантовые числа нейтрона. По своим свойствам Н. очень близок протону: n и р имеют почти равные массы, один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга, например в процессах бета-распада;они одинаковым образом проявляют себя в процессах, вызванных сильным взаимодействие,в частности ядерные силы,действующие между парами р-р, n-p и n-n, одинаковы (если частицы находятся соответственно в одинаковых состояниях). Такое глубокое сходство позволяет рассматривать Н. и протон как одну частицу - нуклон, которая может находиться в двух разных состояниях, отличающихся электрическим зарядом Q.Нуклон в состоянии с Q= + 1 есть протон, с Q= 0 -Н. Соответственно, нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) некоторая внутренняя характеристика - изотонический спин I, равный 1/ 2, «проекция» которого может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2 I+ 1 = 2 значения: + 1/ 2и - 1/ 2. Т. о., n и р образуют изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность ) :нуклон в состоянии с проекцией изотопического спина на ось квантования + 1/ 2является протоном, а с проекцией - 1/ 2- Н. Как компоненты изотопического дублета, Н. и протон, согласно современной систематике элементарных частиц, имеют одинаковые квантовые числа: барионный заряд