Введение
Подземный эксперимент по подсчету солнечных нейтрино Эксперимент Хоместака (иногда называемый экспериментом Дэвиса или Экспериментом солнечного нейтрино и в оригинальной литературе называемый Экспериментом солнечного нейтрино Брукхейвена или Экспериментом Брукхейвена 37Cl (хлора)) был экспериментом, возглавляемым астрофизиками Раймоном Дэвисом-младшим и Джоном Н. Бакалом в конце 1960-х годов. Его целью было собрать и подсчитать нейтрино, испускаемые ядерным синтезом, происходящим на Солнце. Бахалл выполнял теоретические расчеты, а Дэвис проектировал эксперимент. После того как Бахалл рассчитал скорость, с которой детектор должен улавливать нейтрино, эксперимент Дэвиса показал только треть этой цифры. Эксперимент был первым, который успешно обнаружил и подсчитал солнечные нейтрино, и несоответствие результатов создало проблему солнечных нейтрино. Эксперимент проводился непрерывно с 1970 по 1994 год. Университет Пенсильвании взял его в 1984 году. Расхождение между прогнозируемой и измеренной скоростью обнаружения нейтрино позже было связано с колебаниями "вкуса" нейтрино.
The Homestake experiment (sometimes referred to as the Davis experiment or Solar Neutrino Experiment and in original literature called Brookhaven Solar Neutrino Experiment or Brookhaven 37Cl (Chlorine) Experiment) was an experiment headed by astrophysicists Raymond Davis, Jr. and John N. Bahcall in the late 1960s. Its purpose was to collect and count neutrinos emitted by nuclear fusion taking place in the Sun. Bahcall performed the theoretical calculations and Davis designed the experiment. After Bahcall calculated the rate at which the detector should capture neutrinos, Davis's experiment turned up only one third of this figure. The experiment was the first to successfully detect and count solar neutrinos, and the discrepancy in results created the solar neutrino problem. The experiment operated continuously from 1970 until 1994. The University of Pennsylvania took it over in 1984. The discrepancy between the predicted and measured rates of neutrino detection was later found to be due to neutrino "flavour" oscillations.
Методология
Эксперимент проходил в золотом руднике "Хомстейк" в Лиде, Южная Дакота. Дэвис поместил 380 кубических метров (100 000 галлонов) резервуара с перхлороэтиленом, обычной сухой очистной жидкостью, на глубину 1478 метров (4,850 футов) под землей. Для предотвращения помех космических лучей необходима большая цель глубоко под землей, учитывая очень низкую вероятность успешного захвата нейтрино и, следовательно, очень низкую скорость эффекта даже с огромной массой цели. Перхлоретилен был выбран, потому что он богат хлором. При взаимодействии с электронным нейтрино атом 37Cl превращается в радиоактивный изотоп 37Ar, который затем можно извлечь и подсчитать. Порог реакции составляет 0,814 MeV, т.е. нейтрино должно иметь по крайней мере такую энергию, чтобы быть захваченным ядром 37Cl. Поскольку период полураспада 37Ar составляет 35 дней, каждые несколько недель Дэвис пузырьками пропускал гелий через резервуар, чтобы собрать образованный аргон. Небольшой (несколько кубических см) газовый счетчик был заполнен собранными несколькими десятками атомов 37Ar (вместе со стабильным аргоном) для обнаружения его распада. Таким образом, Дэвис смог определить, сколько нейтрино было захвачено.
The reaction threshold is 0.814 MeV, i. e. the neutrino should have at least this energy to be captured by the 37Cl nucleus. Because 37Ar has a half life of 35 days, every few weeks, Davis bubbled helium through the tank to collect the argon that had formed. A small (few cubic cm) gas counter was filled by the collected few tens of atoms of 37Ar (together with the stable argon) to detect its decays. In such a way, Davis was able to determine how many neutrinos had been captured.
Выводы
Цифры Дэвиса были последовательно очень близки к одной трети вычислений Бакалла. Первый ответ от научного сообщества был, что либо Бакаль, либо Дэвис совершили ошибку. Расчеты Бакалла были проверены неоднократно, без ошибок. Дэвис тщательно изучил свой собственный эксперимент и настаивал, что в нем нет ничего плохого. За экспериментом Homestake последовали другие эксперименты с той же целью, такие как Kamiokande в Японии, SAGE в бывшем Советском Союзе, GALLEX в Италии, Super Kamiokande, также в Японии, и SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Онтарио, Канада. SNO был первым детектором, способным обнаружить колебания нейтрино, решив проблему солнечных нейтрино. Результаты эксперимента, опубликованные в 2001 году, показали, что из трех "ароматизаторов", между которыми могут колебаться нейтрино, детектор Дэвиса чувствителен только к одному. После того, как было доказано, что его эксперимент был правильным, Дэвис разделил Нобелевскую премию по физике 2002 года за вклад в физику нейтрино с Масатоси Кошиба из Японии, который работал над Камиоканде и Супер Камиоканде (премия также была разделена с Риккардо Джаккони за его вклад в рентгеновскую астрономию).