Применение нейтрино (стр. 1 из 3)

Алексей -Левин

Для передачи информации на борт субмарины в подводном положении используются диапазоны ОНЧ (очень низкие частоты, единицы кГц, у поверхности, до 50 бит/с) и КНЧ (крайне низкие частоты, десятки Гц, на глубине, 1 бит в минуту). По оценке Патрика Хьюбера из Виргинского политехнического института (Virginia Tech), использование нейтрино позволит повысить скорость передачи информации до 1-100 бит/с даже на больших глубинах. Для приема информации нужно будет оснастить подлодку детекторами мюонов или сверхчувствительными фотодетекторами

Впервые возможность передачи информации с помощью нейтрино высказал в 1967 году физик Мечислав Суботович в польском научном журнале Postepy Techniki Jadrowej ("Шаги ядерной техники"). В том же году вышел роман Станислава Лема "Голос неба", в основе сюжета которого лежит возможность нейтринной связи. Группа исследователей из Военно-морской исследовательской лаборатории, опубликовавших в 1977 году в журнале Science статью "Связь с помощью нейтринных лучей" (Telecommunication with Neutrino Beams), преследовала более приземленные цели. Точнее, подводные, а именно - обеспечить связь с атомными подводными лодками на боевом дежурстве. Правда, уровень технологий того времени не позволял реализовать подобную систему на практике. Но с тех пор эта идея регулярно всплывает на страницах научных журналов, хотя возможности современных мюонных накопительных колец для генерации нейтринных пучков по-прежнему недостаточны для уверенной коммуникации. Возможно, что в будущем таким способом можно будет достичь скорости передачи информации от 1 до 100 бит в секунду.

В последние годы обсуждаются и более экзотические проекты. Например, сфокусированным нейтринным лучом просвечивать толщу Земли в поисках бункеров с ядерным оружием (и даже дезактивировать его запасы). Утверждается, что для выполнения первой задачи потребуются пучки с энергией частиц в 10 ТэВ, для второй - порядка 1 ПэВ (1015 эВ). Стоит ли упоминать, что и получение, и нацеливание таких пучков пока находятся далеко за пределами современных технологий. Физик-теоретик из Fermilab Стивен Парк рассказал о нескольких совсем уж фантастических нейтринных технологиях: "Если мы захотим связаться с цивилизациями по другую сторону нашей Галактики, то эту возможность нам могут предоставить только нейтринные пучки. Есть применения и на Земле: с помощью нейтринного телефона можно было бы передавать сообщения из США и Европы в Китай, Японию и Австралию на 15-20 миллисекунд быстрее, чем по обычным каналам, - напрямую через толщу Земли, а не по кабелям или спутниковой связи. Финансовые брокеры, имей они в своем эксклюзивном распоряжении подобную связь, могли бы делать огромные деньги!"

БЛИЖЕ К РЕАЛЬНОСТИ

Хотя еще недавно казалось невероятным, что нейтрино могут найти практическое применение, сейчас эта идея уже не выглядит столь фантастически. В конце XX века появились детекторы, измеряющие с точностью до 1, 5% плотность мощных нейтринных потоков с энергий частиц порядка нескольких МэВ. Сердечники тепловыделяющих элементов обычно изготовляют из смеси урана-235 и урана-238, которые в ходе цепных реакций деления испускают нейтроны и антинейтрино. Ядра урана-238 поглощают нейтроны и превращаются в ядра плутония-239, которые в свою очередь тоже вступают в цепную реакцию и опять-таки становятся источниками антинейтрино. Поскольку интенсивность выработки антинейтрино различными изотопами неодинакова, темпы генерации этих частиц изменяются стечением времени. Непрерывный мониторинг плотности нейтринного потока дает возможность судить о режиме работы реактора и концентрации различных изотопов в его активном ядре.

Одна из возможных конструкций "Фабрики нейтрино" [Neutrino Factory] - каскад ускорителей, разгоняющих протоны до энергий порядка нескольких ГэВ и направляющих их на ртутную мишень для получения пионов, которые затем распадаются на мюоны. Их разгоняют с помощью другого каскада ускорителей до энергий в десятки ГэВ и направляют в накопительные кольца, где при распаде мюонов получают коллимированные нейтринные пучки.

Физики из Ливерморской национальной лаборатории и лаборатории "Сандиа" разработали три опытных образца компактных детекторов антинейтрино. Их испытали на южнокалифорнийской ядерной электростанции San Onofre Nuclear Generating Station (SONGS). Эти счетчики регистрировали реакцию обратного бета-распада, с помощью которой группа Коуэна и Рейнеса впервые экспериментально подтвердила гипотезу Паули. Первый детектор SONGS1 вступил в действие в конце 2003 года. Он был заполнен веществом с высокой концентрацией водорода, к которому был добавлен гадолиний, выполняющий ту же роль, что и кадмий в эксперименте Коуэна и Рейнеса. Рожденные обратным бета-распадом позитроны аннигилировали с электронами, а сопутствующие нейтроны поглощал гадолиний. Эти реакции влекли за собой парные вспышки гамма-лучей. Эти вспышки генерировались с интервалом в 30 микросекунд и регистрировались с помощью фотоумножителей. Из 1017 антинейтрино, ежедневно пронизывавших детектор, с протонами сцинтиллирующей жидкости сталкивалось всего 4000, и лишь 400 из них оставляли надежные "подписи". Установленные в 2007 году детекторы SONGS2 и SONGS3 тоже содержали гадолиний, однако в первом работал сцинтиллятор из твердого полимера, а во втором в этом качестве использовалась сверхчистая вода. Летом 2008 года детекторы демонтировали, и ученые взялись за анализ полученных результатов. В настоящее время создатели этих установок вместе с сотрудниками Чикагского университета разрабатывают нейтринные счетчики следующего поколения на аргоне и германии. Два таких детектора планируется установить уже в нынешнем году.

НЕИТРИНО пришло в физику почти на год раньше дираковского АНТИЭЛЕКТРОНА и совсем другим путем. Поль Дирак сделал вывод о существовании электрона с положительным зарядом, пытаясь найти разумную интерпретацию парадоксальных решений своего уравнения. А нейтрино как чисто теоретическое допущение было придумано другим великим физиком без всякого формально-математического обоснования, в каком-то смысле - просто от отчаяния.

ЧАСТИЦА-ПРИЗРАК

Примерно сто лет назад физиков стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада вроде бы должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые, по всей видимости, тоже не сохранялись.

В принципе, эту аномалию можно объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже знаменитый профессор теоретической физики швейцарского Федерального технологического института (ЕТН) в Цюрихе. В качестве "крайнего средства" (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии и углового момента Паули допустил, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином. Эти гипотетические лептоны он предложил называть нейтронами. Согласно его гипотезе, именно они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, поэтому в каждом акте бета-распада сумма энергий этой частицы и электрона должна быть постоянной.

Нейтринные обсерватории стремятся упрятать глубоко под землю, под воду или под лед. Километровые стены и крыша хорошо отсеивают различные помехи, но для всепроникающих нейтрино даже тысячи километров породы не создают значительного препятствия. Японская обсерватория Super Kamiokande расположена на глубине 1000 м в старой цинковой шахте Моцуми в 180 км от Токио. Детектор обсерватории - стальной "стакан" с 50 000 т сверхчистой воды и набором из почти 13 000 вот таких сверхчувствительных фотоэлектронных умножителей, отслеживающих черенковское излучение от торможения порожденных нейтрино мюонов в воде.

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ГЛАЗА

Паули понимал, что его идея очень уязвима для критики. Впервые он сообщил о ней в письме от 4 декабря 1930 года, адресованном специалистам по радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, особо подчеркнув, что не счел возможным публиковать свою гипотезу в научном журнале. Неформальный характер этого послания выражен даже в обращении "Дорогие радиоактивные дамы и господа!". Признавая, что его предположение выглядит "почти невероятным", Паули все же попросил коллег подумать, как обнаружить гипотетическую частицу в эксперименте.

РОЖДЕНИЕ НЕЙТРИНО

Лингвистическое нововведение Паули скоро поменяло адресата - нейтроном назвали нейтральный аналог протона, открытый в 1932 году Джеймсом Чедвиком. А вот сама идея оказалась исключительно плодотворной. В 1933-1934 годах итальянец Энрико Ферми разработал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми окрестил нейтрино. При этом он совершенно по-новому объяснил ее появление. Если Паули считал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино рождается одновременно с превращением одного из внутриядерных нейтронов в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают в окружающее пространство. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю (откуда следует, что оно обладает световой скоростью) и что для его возникновения не нужны посредники в виде каких-либо вспомогательных частиц. Теория Ферми описывает еще один тип бета-распада, при котором возникают ядра с уменьшенным на единицу атомным номером. Она объясняет этот распад превращением протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его существование. Поскольку позитрон - античастица электрона, естественно предположить, что нейтрино тоже обладает античастицей. Принято считать, что при электронном бета-распаде возникают антинейтрино, а при позитронном - нейтрино (в соответствии с положением теории Дирака, согласно которому частицы и античастицы всегда рождаются парами). В начале 1950-х была сформулирована концепция, которая приписывает каждому лептону число 1, а антилептону число - 1. При обоих типах бета-распада эти числа (их называют также лептонными зарядами) сохраняются: сначала лептонов нет вовсе, а затем рождаются лептон и антилептон (электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино), и поэтому лептонное число и до, и после распада остается нулевым.