Физика нейтрино (стр. 12 из 13)
- 45 -
Конечный результат состоит в превращении четырех протонов в одно ядро гелия-4, выделении энергии (~ 25 МэВ) и испускании нейтрино с граничной энергией спектра ~ 0,4 МэВ. Поток этих мягких нейтрино на Земле составляет ~6 * 1010
е /см2*с, около 95% полного потока. В спектре солнечных нейтрино лишь малая часть е имеет энергию, большую 1 МэВ. Среди них особенно частицы, возникающие в термоядерных реакциях, в которых синтезируются ядра атома бора-8. При 
- распаде этих ядер граничная энергия е достигает ~ 15 МэВ, но в полном потоке нейтрино на Земле они составляют всего 10-4 часть.Мягкий спектр - отсюда и малая вероятность взаимодействия с веществом (даже по нейтринным меркам), и невозможность использовать большинство обратных реакций из-за их нечувствительности к солнечным нейтрино (высокий энергетический порог) - вот трудности, возникающие перед экспериментаторами. Но вместе с тем нейтрино – единственная частица, для которой звездное вещество прозрачно. Они несут информацию о состоянии материи во внутренних областях Солнца и о процессах, происходящих там.
Опыты по регистрации солнечных нейтрино были выполнены группой исследователей, возглавляемой Р. Дэвисом. Измерения продолжались более 15 лет - своеобразный рекорд для экспериментальной физики Дэвис и его сотрудники использовали хлор - аргоновый метод Б.М. Понтекорво, тот самый, с помощью которого было доказано различие нейтрино и антинейтрино. Солнечные нейтрино должны вызывать реакцию ( ведь это именно
е, а не 
e ! ) е + 37Cl 
37 Ar + e-.Ее порог составляет 0,8 Мэв. Ожидалось, что в 1 т вещества (C2Cl4) образуется 1 атом аргона в год, при этом 80% всех событий в детекторе будут вызваны нейтрино испущенными при распаде бора-8. Из этой оценки очевидна огромная масса мишени и необходимость самых интенсивных мер для борьбы с фоновыми процессами.
Поэтому Дэвис расположил свою аппаратуру на глубине, эквивалентной по массе вещества почти 4,5 км воды, в золотой шахте штата Южная Дакота. В подземном зале была установлена в горизонтальном положении цистерна с 3800 000 л перхлорэтилена (C2Cl4), окруженная со всех сторон слоем воды. Этот слой дополнительно снижал поток фоновых частиц от стенок зала. Система извлечения аргона из гелия и его очистки от посторонних примесей занимала второй подземный зал. С большой изобретательностью был
- 46 -
сконструирован и миниатюрный (объемом менее 1 см3) счетчик, в котором происходила регистрация излучения от распада 37Ar.
Уже первые годы исследований принесли неожиданный результат. Оказалась, что скорость счета нейтринных событий во много раз меньше, чем ожидали теоретики. Пришлось приступить к корректировке расчетных моделей, но полного согласия теории и эксперимента добиться не удалось. Сейчас, после многих лет кропотливых измерений, усредненный экспериментальный эффект составляет ~ 30% от ожидаемого. Такое несоответствие вызвало к жизни множество гипотез.
Одни из них относились к характеру термоядерных реакций и условиям их протекания в глубинах Солнца.
Другие касались природы нейтрино. Не может ли оно быть не стабильным? Не существует ли у нейтрино необычного механизма потерь энергии весьма малыми порциями так, что пока оно "пробирается" к поверхности Солнца, его энергия уменьшается? Не переходит ли по дороге от солнца к Земле один тип нейтрино (
е), в другие ( 
, 
), такие к которым хлорный детектор не чувствителен, т.е. осциллируют. Гипотеза об осцилляциях была высказана Б.М. Понтекорво и рассматривалась выше.Стоит отметить, что, несмотря на обилие предположений, ни одно из них пока не получило сколько-нибудь надежного подтверждения. Загадка солнечных нейтрино остается открытой.
Огромные трудности регистрации
е от Солнца, необходимость заглубления установки на километры водного эквивалента обусловили многолетнюю монополию группы Р. Дэвиса в этой области. Вместе с тем результаты опытов столь важны и, столь необычны, что требуют независимого подтверждения.Исследования солнечных нейтрино в нашей стране должны были начаться с вводом в эксплуатацию второй очереди Баксанской нейтринной обсерватории. Их цель не просто проверить результаты опытов Дэвиса, но и провести гораздо более полное изучение потока солнечных нейтрино с использованием нескольких типов детекторов. Так, кроме хлор - аргонового метода, сейчас развивается так называемый галлиево - германиевый :
е + 71Ga 71Ge + e-. Порог этой реакции 0,231 МэВ. Она имеет высокую чувствительность, к нейтрино основных солнечных циклов, поток которых, как считают астрофизики, может быть сосчитан с гораздо большей точностью, чем поток борных нейтрино. Используя этот процесс (одновременно с хлор - аргоновым методом), можно надеяться разобраться в степени “виновности” термоядерных- 47 -
или самого нейтрино в "нехватке" солнечных нейтрино.
Как видно, нейтрино становиться уникальным инструментом для наблюдения за небесными телами. Родилась новая наука - нейтринная астрофизика. И в ее создании весомый вклад отечественных ученых: Г.Т. Зацепина, Я.Б. Зельдовича, М.А. Маркова, Б.М. Понтекорво, А.Е. Чудакова и многих других.
- 48 -
7. НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИКА.
Физические свойства нейтрино, и особенно наличие у нейтрино массы интересно и важно не только для физики микромира, но и для астрофизики. Мы коснемся только одного вопроса - о связи между массой нейтрино и плотностью вещества во вселенной.
Как ранее упоминалось, согласно экспериментальным данным, полученным в ИТЭФе, нейтрино в 20 000 раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не взаимодействующая частица должна играть определяющую роль во Вселенной? Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем более, чем в миллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 5 * 10-32 г, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10-29 г/см3, а это примерно в 30 раз превышает плотность всего другого, "не нейтринного" вещества. И, значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей кинематику расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3% "примеси" к основной массе Вселенной - к массе нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мы живем в нейтринной вселенной.
Этот вывод имеет интересное следствие.
Важнейшим вопросом, касающимся эволюции Вселенной, является вопрос о том, будет ли вечно продолжаться ее расширение. Ответ зависит от того, чему равна средняя плотность материи во Вселенной: если плотность материи больше некоторого критического значения
крит, то тяготение этой материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и заставит галактики сближаться друг с другом - Вселенная сменит расширение на сжатие. Если же плотность меньше критического значения крит, тогда тяготения материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная будет расширяться вечно.Критическая плотность, по современным оценкам, равна
крит ~ 10-29 г/см3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во Вселенной составляет обычное вещество, для которого крит ~ 10-31 г/см3. Это- 49 -
означало, что
вещ-ва < крит и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической 
~ 10-29 г/см3 ~ крит . Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтрино, есть еще мюонные и тау - нейтрино. Об их массе покоя ничего не известно из прямых экспериментов, однако, из теории и косвенных экспериментов следует, что если отлична от нуля масса покоя электронных нейтрино, то, вероятно, отлична от нуля и масса покоя других сортов нейтрино. Причем, вероятно, массы покоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Если это учесть, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет, расширение Вселенной смениться сжатием, и причиной этого "сильнейшего" вывода оказалась "слабейшая" из частиц - нейтрино.