Введение

Институт технологий Экспериментальное подтверждение нейтрино

Эксперимент с нейтрино Коуэна — Рейнеса был проведён физиками Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом в 1956 году. Эксперимент подтвердил существование нейтрино. Нейтрино, субатомные частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие очень малой массой, предполагались в 1930-х годах как необходимые участники процессов бета-распада. Из-за отсутствия массы и заряда такие частицы казались необнаружимыми. В эксперименте был использован интенсивный поток (на тот момент гипотетических) электронных антинейтрино, испускаемых находящимся поблизости ядерным реактором, и детектор, состоящий из больших резервуаров с водой. Взаимодействия нейтрино с протонами воды были зафиксированы, что впервые подтвердило существование и основные свойства этой частицы.

Предыстория

В 1910-х и 1920-х годах наблюдения за электронами при ядерном бета-распаде показали, что их энергия имеет непрерывное распределение. Если бы процесс включал только атомное ядро и электрон, энергия электрона имела бы один узкий пик, а не непрерывный энергетический спектр. Наблюдался только образующийся электрон, поэтому его переменная энергия указывала на то, что энергия, возможно, не сохраняется. Эта трудность и другие факторы побудили Вольфганга Паули попытаться разрешить проблему, постулировав существование нейтрино в 1930 году. Если фундаментальный принцип сохранения энергии должен был оставаться в силе, бета-распад должен был быть распадом на три частицы, а не на две. Следовательно, помимо электрона, Паули предположил, что в бета-распаде из атомного ядра испускается другая частица. Эта частица, нейтрино, обладала очень малой массой и не имела электрического заряда; она не наблюдалась, но уносила недостающую энергию. Предложение Паули было развито Энрико Ферми в 1933 году в предлагаемую теорию бета-распада. Теория утверждает, что процесс бета-распада состоит из четырех фермионов, непосредственно взаимодействующих друг с другом. В результате этого взаимодействия нейтрон распадается непосредственно на электрон, предполагаемое нейтрино (позже идентифицированное как антинейтрино) и протон. Теория, которая оказалась весьма успешной, основывалась на существовании гипотетического нейтрино. Ферми впервые представил свою "предварительную" теорию бета-распада в журнал Nature, который отклонил ее, "поскольку она содержала спекуляции, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя". Одной из проблем гипотезы о нейтрино и теории Ферми было то, что нейтрино, по-видимому, взаимодействовало с другими веществами настолько слабо, что его никогда не удастся наблюдать. В статье 1934 года Рудольф Пейерлс и Ханс Бете рассчитали, что нейтрино могут легко проходить сквозь Землю, не взаимодействуя с какой-либо материей.

Результаты

В 1953 году Коуэн и Рейнс построили детектор, который они назвали "Герр Ауге" ("Мистер Глаз" по-немецки). Эксперимент по поиску нейтрино они назвали "Проект Полтергейст" из-за "призрачной природы нейтрино". Предварительный эксперимент был проведен в 1953 году на объекте Ханфорд в штате Вашингтон, но в конце 1955 года эксперимент был перенесен на завод "Саванна-Ривер" недалеко от города Айкен, штат Южная Каролина. Объекту "Саванна-Ривер" была обеспечена лучшая защита от космических лучей. Это защищенное место находилось в 11 м от реактора и в 12 м под землей. После нескольких месяцев сбора данных, накопленные данные показали около трех взаимодействий нейтрино в час в детекторе. Чтобы окончательно убедиться, что они наблюдают события, вызванные нейтрино, согласно описанной выше схеме обнаружения, Коуэн и Рейнс выключили реактор, чтобы продемонстрировать разницу в частоте зарегистрированных событий. Они предсказали, что сечение реакции составит около 6, а их измеренное сечение оказалось равным 6,3. Результаты были опубликованы в журнале "Science" 20 июля 1956 года.

Наследие

Клайд Коуэн умер в 1974 году в возрасте 54 лет. В 1995 году Фредерик Рейнес был удостоен Нобелевской премии за его работы в области физики нейтрино.