Физика нейтрино (стр. 9 из 13)

- 33 -

5. ДВОЙНОЙ

- РАСПАД.

Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является двойной

- распад. Существование двойного - распада было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино. Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой. Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в различных странах мира заняты поисками двойного - распада.

При обычном

- распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и антинейтрино. В достаточно редких случаях оказывается энергетически выгоден двойной - распад. При нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) A (Z+2, N-2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).

Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать двойной

- распад.

Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли при этом антинейтрино.

Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про- исходить независимо:

- 34 -

n

p + e^- + _e

n

p + е^- + _e двухнейтринный

двойной - распад

2n

2p + 2e^- +2 _e

А (Z,N)

A (Z+2, N-2) + 2e^- + 2 _e

Если же предположить, что

_e тождественно _е , то этот процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде одного нейтрона, индуцирует распад второго:

n

p + e^- + _e

n +

_е p + е^- Безнейтринный двойной

- распад

2n

2p + 2e^-

A (Z, N)

A (Z+2, N-2) + 2e^-

Очевидно, что в безнейтринном двойном

- распаде нарушается закон охранения лептонного заряда, и он может происходить только при неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризация связана с конечной массой. Обнаружение этого процесса принесло бы очень интересные результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски.

Сопоставляя между собой реакции, можно увидеть, как в экспериментах отличить двухнейтринный

- распад от безнейтринного. В последнем случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной - она определяется только разностью энергий основных состояний ядер A (Z,N) и A (Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладают непрерывным спектром энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.

Если лептонный заряд сохраняется, то безнейтринный распад запрещен, а вот если

_е и _e тождественны, то теория предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существенно большей вероятностью, чем двухнейтринный.

Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят о том, что сильного нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительной деполяризации нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить

- 35 -

только слабый эффект. Соответственно этому безнейтринный двойной

-распад сильно заторможен по сравнению со случаем тождества электронных нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может стать равной или меньшей, чем вероятность двухнейтринного процесса (который идет всегда, когда это энергетически возможно).

Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить безнейтринный процесс, идущий со временем жизни 10²¹ - 10²² лет. (В области Т_1/2< 10²¹ лет его уже не обнаружили.) А это значит, что в 1 грамме исходного вещества может происходить 1 распад за несколько лет. Как зарегистрировать такие активности?

Есть два способа, принципиально отличающиеся друг от друга. Пер- вый, косвенный, носит название геологического. В нем исходным матери- алом является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2

-распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минерале атомы продукта распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы это сделать, надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось от материнского. Такому требованию удовлетворяют инертные газы, поэтому в геологических экспериментах исследовались переходы ¹²⁸Te ¹²⁸Xe, ¹³⁰Te ¹³⁰Xe, ⁸²Se ⁸²Kr.

Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена (США). Они взяли образцы теллуровой руды из глубинной шахты в Колорадо, чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило и возраст образца.

Он оказался равным около 1,3 млрд. лет. Следующий шаг - измельчение образца, выделение из него газов и исследование их на масс спектрографе. При определении изотопного состава Xe выяснилось, что содержание изотопа ¹³⁰Xe в десятки раз превышает обычное его содержание для атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможные процессы и реакции, которые могли бы привести к аномальному повышению концентрации ¹³⁰Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумным объяснением его избытка, остается 2

-распад. Проанализировав возможные потери газа за период существования образца, они определили период полураспада теллура-130: Т_1/2¹³⁰Te = (2,60 0,28)*10²¹ лет. Другие исследовательские группы дали близкие цифры.

Существование двойного

- распада было подтверждено, но какого именно - двухнейтринного или очень подавленного безнейтринного, - этого

- 36 -

опыты пока показать не могли. Вопрос о механизме распада в геологических экспериментах остается открытым.

Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах (второй способ), в которых наблюдались продукты распада. Как уже отмечалось, если бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда. Прямые опыты проводились с самыми различными типами детекторов: камерой Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и полупроводниковыми счетчиками.

Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы Фиорини), в Международной лаборатории космических лучей, проведенные с использованием полупроводникового счетчика для исследования перехода ⁷⁶Ge

⁷⁶Se. (Рис. 5).

Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход. Свободных электронов здесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизирует атомы и в p - n - переходе появляются свободные заряды. Поле "растягивает" их в разные стороны, и возникающий при этом электрический сигнал может быть зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых счетчиков является возможность очень точно определять энергию, потерянную частицей в области p - n перехода, т.е. хорошее энергетическое разрешение. Основной недостаток таких детекторов - малое количество вещества в чувствительном объеме.