Эксперименты по определению массы нейтрино

Для регистрации результата взаимодействия гипотетического нейтрино с протоном была выбрана реакция "обратного" ß-распада. По правилам квантовой механики, если существует реакция с рождением нейтрино, то должна существовать (если не запрещена законами сохранения) и "обратная" реакция с его поглощением и превращением протона в нейтрон с выделением позитрона. Таким образом, если при включенном источнике искомых нейтрино установка (большая "протонная" мишень с детектором) "сообщает" о появлении пар (позитрон и нейтрон), а при выключенном источнике "молчит", логично полагать, что виновником такого события стало взаимодействие нейтрино с протоном.

Мишень с большим числом протонов создать легко: годится любая водородсодержащая жидкость (ядро атома водорода и есть протон), например вода, в каждом кубическом сантиметре которой содержится около 10²⁴ протонов. Зарегистрировать позитрон тоже не сложно. Родившись, он почти мгновенно растратит свою энергию на электромагнитные столкновения с веществом детектора, остановится и в покое аннигилирует с первым попавшимся электроном вещества мишени. В процессе аннигиляции родятся два γ-кванта, каждый из которых будет уловлен одним из многочисленных фотоумножителей детектора.

На нейтрон тоже можно придумать ловушку. Ядра кадмия, например, "с удовольствием" поглощают нейтроны, а рожденное ядро его изотопа излучит каскад γ-квантов. Если в воде мишени растворить соль кадмия, то родившийся в ß -распаде нейтрон, попутешествовав в растворе некоторое время, встретит ядро кадмия, поглотится и испустит несколько (в среднем три) γ-кванта. Уловленные фотоумножителями, они и будут свидетельствовать о появлении нейтрона.

Огромная трудность эксперимента заключается в том, что в детектор попадает очень много "безродных" γ-квантов, не имеющих никакого отношения к искомой реакции. Их источники - космические лучи, радиоактивные элементы материала мишени и детектора. Ложные срабатывания детектора физики называют фоном. В опытах, где число искомых событий мало, необходимо надежно защитить детектор от фона. А помогают сделать это характеристики сигнала от истинного нейтринного события. Они должны быть так же неповторимы, как отпечатки пальцев, чтобы среди моря случайных (фоновых) γ-квантов и нейтронов можно было узнать "истинный нейтринный портрет". В нашем случае два γ-кванта от аннигиляции электрона с позитроном в покое имеют энергию, равную сумме масс электрона и позитрона, и делят ее ровно пополам, разлетаясь в противоположные стороны, - так велит закон сохранения энергии и импульса. Три γ-кванта от захвата нейтрона кадмием тоже имеют известные энергии, но появятся только спустя некоторое (измеренное в других опытах) время, необходимое для того, чтобы нейтрон замедлился до подходящей для захвата кадмием энергии.

Таким образом, искомое нейтринное событие должно выглядеть так:

1. Счетчики фиксируют два одновременных γ-кванта с энергиями 0,511 эВ (эта энергия соответствует энергии массы покоя электрона или позитрона) в противоположных направлениях,

2. После этого счетчики γ-квантов запираются, чтобы "чужаки" не мешали, и вновь открываются только через несколько тысячных долей секунды (на время путешествия нейтрона до поглощения кадмием), чтобы зафиксировать сигнал от трех γ-квантов с определенными энергиями.

Дата добавления: 2015-07-15