Скачать

Проблема солнечных нейтрино

САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО

РЕФЕРАТ

Студент: Дорохин А. В.

Группа: МФ-49

Проверил: Абрамович С. Н.

Саров

2002

Введение ........................................................................................................................3

Генерация нейтрино в недрах Солнца .......................................................................4

Проблема солнечных нейтрино ……………………………………………………...5

Эксперименты по обнаружению нейтрино…………………………….…………..11

Подземные детекторы нейтрино................................................................................13

Существует ли проблема солнечных нейтрино........................................................17

Список использованной литературы.......................................................................... 19

ВВЕДЕНИЕ

До начала 30-х годов прошлого столетия никто не подозревал о существовании нейтрино. Они родились на кончике пера швейцарского физика-теоретика В. Паули в 1931 году в трудной и неясной ситуации, царившей в физике в то время. А ситуация была такая: эксперименты показали, что при испускании электронов атомными ядрами либо не соблюдается известный всем закон сохранения энергии, либо куда-то уносится энергия. Чтобы пояснить всю остроту положения, достаточно сказать, что даже сам Н. Бор допускал возможность нарушения закона сохранения энергии в микромире. Однако Паули нашел объяснение этому парадоксу, допустив существование нейтрино – частицы, являющейся, как выяснилось позже, главным действующим лицом во многих ядерных спектаклях, происходящих как на Земле, так и в космосе. Благодаря нейтрино недостаток энергии, обнаруженный в опытах по бета-распаду, легко объяснялся: энергию уносили нейтрино. Тем самым краеугольный камень физики – закон сохранения энергии – был спасен. "Крестным отцом" нейтрино стал известный итальянский физик Э. Ферми: именно он дал новой частице имя, означающее по-итальянски "малая нейтральная частица", "маленький нейтрон". Он же предсказал ряд ее свойств.

Около четверти века нейтрино существовали только в формулах теоретической физики. Впервые их зарегистрировали американские ученые Ф. Райнес и К. Коуэн в экспериментах 1953 – 1956 гг., поместив сложную экспериментальную установку под "град" нейтрино, источником которых был мощный ядерный реактор. Уже первые эксперименты подтвердили свойства этих частиц, предсказанные теорией. Нейтрино перестали быть мифом и теперь являются полноправными элементарными частицами. Бурное развитие техники физического эксперимента за последние несколько десятков лет сделало возможными эксперименты по регистрации нейтрино, рожденных в естественных условиях, возникла новая область науки – нейтринная астрофизика. Первым объектом изучения стало наше Солнце.

Нейтрино обозначается буквой ν, является электрически нейтральной частицей со спином 1/2, то есть фермионом. Принадлежит к классу лептонов, то есть, к легким частицам. Возможно, нейтрино имеют нулевую массу. К настоящему времени известно шесть лептонов, три из которых имеют отрицательный заряд: электрон, мюон и τ-лептон, и три соответствующих аромата (сорта) нейтрино: электронное νe, мюонное νμ и тау-нейтрино ντ, а также шесть антилептонов. Выдающийся физик, академик Б. М. Понтекорво теоретически предсказал существование двух сортов нейтрино – “электронных” и ”мюонных”. Очень скоро это предсказание блестяще оправдалось на опыте. Вскоре было открыто также тау-нейтрино. Понтекорво был также первым, кто указал на важность нейтрино для изучения звездных и, в первую очередь, солнечных недр.

Важнейшим отличительным свойством нейтрино является их огромнейшая проникающая способность. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом растет с ростом энергии нейтрино. Общее количество фоновых нейтрино неизвестно, и оно может быть так же велико, как и количество фотонов. Нейтрино образуются при превращениях атомных ядер: в Земле в процессах распадов, в атмосфере при бомбардировке космическими лучами, в Солнце и в звездах.

Регистрируют нейтрино с помощью нейтринных обсерваторий, приборов, расположенных глубоко под землей, в шахтах. Земля не является преградой для нейтрино, но задерживает всевозможные помехи, которые существуют на ее поверхности. То есть, чем глубже находится нейтринный "телескоп", тем меньше посторонние помехи. Хотя радиоактивный фон и фон реликтовых нейтрино существует и глубоко под земной поверхностью.

ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРИНО В НЕДРАХ СОЛНЦА

По существующему представлению, в звездах, подобных Солнцу, синтез ядер гелия из протонов должен происходить с помощью протон-протонного (р-р) или углеродно-азотного (С-N) циклов.

В первой реакции p-p цикла при столкновении двух протонов образуются ядро дейтерия и позитрон. Вероятность этой реакции очень мала, поскольку для совершения процесса требуется выполнение двух крайне редких условий. Во-первых, в момент столкновения протонов энергия одного из них должна быть намного больше средней тепловой энергии, чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания. Таких частиц очень мало. Во-вторых, необходимо, чтобы за короткое время (~10-21с) один из протонов превратился в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон соединяется с протоном с образованием дейтрона, нейтрино покидает звезду, а позитрон аннигилирует с электроном с образованием гамма-квантов, которые поглощаются в звездном веществе. Особое внимание к первой реакции протон-протонного цикла обусловлено тем, что скорость энерговыделения в недрах Солнца задается именно ею, поэтому она определяет и темп жизни Солнца, и особенности процессов, происходящих в глубоких его недрах. Сечение этой реакции столь мало, что в ближайшем будущем вряд ли удастся в лабораторных условиях его измерить. Это сечение вычисляется теоретически.

Дейтрон, возникший в первой реакции, быстро (секунды или доли секунды, в зависимости от температуры) превращается в изотоп 3Не, соединяясь с протоном. Дальнейшее развитие цикла протекает по различным каналам, в зависимости от температуры и химического состава звездного вещества. Установлено, что при Т1 < 15Д106 К, при 15Д106 < T2 < 25Д106 К и при T3 > 25Д106 К преобладает соответственно один из трех различных вариантов реакций.

Какой бы из циклов ни осуществлялся, конечный итог один: четыре протона превращаются в ядро гелия-4. При этом неизбежно образуются два нейтрино и гамма-кванты, а также два позитрона, которые впоследствии, соединяясь с электронами, тоже дают гамма-излучение. При образовании одного ядра гелия-4 из четырех протонов выделяется энергия 26,7 МэВ, равная разности энергии покоя четырех протонов и энергии покоя ядра 4Не. Эта энергия уносится электромагнитным излучением и нейтрино.

В рассмотренных выше ядерных реакциях возникают гамма-кванты, которые распространяются в солнечном веществе по всем направлениям. На своем пути они взаимодействуют с атомами среды, ионами и электронами. В среднем такое взаимодействие имеет место на пути в 1 см, в то время как радиус Солнца составляет 7Д1010 см. При каждом столкновении фотоны гибнут, порождая новые. В результате энергия фотонов постепенно уменьшается. Проходят сотни тысяч лет, прежде чем "дальним родственникам" рожденных в недрах Солнца гамма-квантов удается выбраться наружу. Но, к сожалению, они мало чем похожи на своих "предков": в ядерных реакциях рождаются гамма- и рентгеновские кванты, а выходят из Солнца фотоны оптического и ультрафиолетового диапазона. Это излучение никак не отражает свойств среды, в которой первоначально возникли кванты.

Иное дело – нейтрино. Для того чтобы покинуть Солнце, им нужно всего 2 с. Важно и то, что, пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества, нейтрино сохраняют всю ту информацию, какую они получили в термоядерных реакциях. Даже ночью солнечные нейтрино приходят к нам, проходя через толщу Земли, совершенно не замечая ее существования.

Ежесекундно в недрах Солнца сгорает 3,6Д1038 протонов. Поскольку при превращении четырех протонов в ядро гелия-4 рождаются два нейтрино, в недрах Солнца должны ежесекундно генерироваться 1,8Д1038 нейтрино. Если теперь эту величину разделить на 4πR­­2, где R = 150Д106 км – расстояние от Земли до Солнца, то получим величину полного потока нейтрино на Земле – 6,6Д1010 нейтрино на 1 см2 в 1 с. Важно отметить, что полный поток солнечных нейтрино слабо зависит от конкретных физических условий, реализуемых в глубоких недрах нашего светила. В то же время потоки отдельных групп нейтрино сильно зависят от состояния вещества в центральной части Солнца. Так, например, при изменении температуры от 12Д106 до 14Д106 К поток нейтрино, возникающих от распада 8В, меняется более чем в 15 раз, а поток нейтрино углеродно-азотного цикла – более чем в 10 раз. Это обстоятельство является исключительно важным, так как по мере удаления от центра Солнца скорость генерации нейтрино при распадах 8В, 15N и 15О падает настолько сильно, что их можно не учитывать. Таким образом, измерение даже одного потока нейтрино от распада 8В позволяет судить о температуре в центральной области Солнца.

Согласно последним представлениям, горение водорода в недрах Солнца осуществляется в основном (от 98,4 % до 99,75% по различным данным) через протон-протонный цикл и только ≈1% – через углеродно-азотный цикл. Расчетное значение температуры в центре составляет 15,6Д106 К, а плотность – 148 г/см3. Нейтрино разных групп отличаются характером спектра, средней энергией, потоком и эффективной областью их генерации. Область генерации термоядерной энергии практически совпадает с областью генерации p-p-нейтрино. Скорость генерации 8В-нейтрино очень сильно зависит от температуры, поэтому поток таких нейтрино является мерилом температуры в центре Солнца. Наиболее растянутой по радиусу является область генерации нейтрино в результате реакции: 3Не + р а 4Не + е+ + nе (так называемое hep-нейтрино). Две особенности являются характерными для этой группы нейтрино. Во-первых, поток этих нейтрино является индикатором концентрации гелия-3, очень хорошего термоядерного горючего. Во-вторых, энергетический спектр нейтрино простирается до высоких энергий: максимальная энергия составляет 18,77 МэВ. Такая особенность открывает уникальную возможность регистрации нейтрино этой группы. Не исключена возможность того, что горение гелия-3 в недрах Солнца является важным источником энергии.

ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО

Наблюдения солнечных нейтрино ведутся уже более тридцати лет. Наблюдаемое количество солнечных нейтрино оказалось значительно меньше вычисленного значения.

Основными реакциями, происходящими в недрах Солнца, являются (Stockman, Jan. 12th, 1997):

p + p а d + е+ + np + p + e а d + nd + p а 3He + g3He + 3He а p + p + 4He3He + 4He а 7Be + g7Be + е- а 7Li + n7Li + p а 4He + 4He7Be + p а 8B + g8B а 8Be* + е+ + n­­­­­­­8Be* а 4He + 4He.

Нейтрино, рождающиеся в этих реакциях, имеют разные энергии. Так p-p нейтрино имеют энергии около 420 кэВ, бериллиевые и борные нейтрино имеют энергии в среднем выше 814 кэВ. Ниже показан спектр нейтрино, рассчитанный ведущими физиками в этой области John Bahcall и Pinsonneault, 1998.

Для регистрации солнечных нейтрино осуществлены несколько нейтринных экспериментов. Каждый эксперимент работает в своем диапазоне энергий нейтрино. Каждый эксперимент откалиброван с помощью нейтрино земного происхождения и должен давать правдоподобный результат. Однако все существующие эксперименты указывают на большой недостаток потока нейтрино. Как будто от Солнца идет лишь 25-60% нейтрино от того количества, которое дает общепринятая теория. Значение нейтринного дефицита сильно зависит от метода работы конкретного нейтринного эксперимента.

В настоящее время имеются четыре серии экспериментальных данных по регистрации различных групп солнечных нейтрино. В течение 30 лет ведутся радиохимические эксперименты на основе реакции 37Cl + n→37Ar + e-. Согласно теории, основной вклад в эту реакцию должны внести нейтрино от распада 8В в редкой ветви протон-протонного цикла. Исследования по прямой регистрации нейтрино от распада 8В с измерением энергии и направления движения нейтрино выполняются в эксперименте KAMIOKANDE с 1987 года. Радиохимические эксперименты по реакции 71Ga + n→71Ge + e- ведутся последние несколько лет двумя группами ученых ряда стран. Важной особенностью этой реакции является ее чувствительность в основном к первой реакции протон-протонного цикла p + p → 2D + e+ + n. Темп этой реакции определяет скорость энерговыделения в термоядерной печи Солнца в реальном масштабе времени.

Во всех экспериментах наблюдается дефицит в потоках солнечных нейтрино по сравнению с предсказаниями Стандартной солнечной модели (ССМ).

В эксперименте KAMIOKANDE установлено, что зарегистрированные нейтрино идут от направления на Солнце и что их энергетический спектр согласуется с предсказаниями теории по спектру нейтрино от распада 8В (8В-нейтрино). Измеренный поток нейтрино составляет (2,7 ± 0,5)Д106 см-2 с-1. Сравнение этой величины с предсказаниями ССМ показывает, что на опыте имеется двукратный дефицит потока нейтрино. Используя полученную величину потока 8В-нейтрино, можно вычислить скорость реакции для радиохимического эксперимента 37Cl(n, e-) 37Ar. Она оказывается в пределах от 4 до 5 СЕН. В хлорном эксперименте за время функционирования эксперимента KAMIOKANDE для скорости той же реакции было получено значение 4,2 ± 0,12 СЕН. Таким образом, можно заключить, что результаты двух различных по принципу работы экспериментов хорошо согласуются. В "галлиевом" радиохимическом эксперименте основной вклад в скорость реакции должны внести нейтрино от первой реакции протон-протонного цикла (р-р-нейтрино). Согласно теории, вклад р-р-нейтрино составляет 71 СЕН. С учетом всех групп нейтрино полная скорость равна 127 СЕН. По экспериментальным данным, скорость реакции 71Ga + n→71Ge + e- всего 77 ± 10 СЕН, что значительно ниже величины, предсказанной теорией. Таким образом, и в этом эксперименте имеется дефицит нейтрино.

Какова же природа этого дефицита?

Следующим после p-p-нейтрино по вкладу в скорость реакции являются "бериллиевые" – 34 СЕН, далее 8В-нейтрино – 14 СЕН. Вклад нейтрино от углеродно-азотного цикла составляет 10 СЕН. Дефицит 8В нейтрино может иметь температурную природу (поток очень сильно зависит от температуры в центре Солнца: пропорционально Т18) или вызывается пониженной концентрацией 7Ве (в два раза). В первом случае, согласно теории, вклад в галлиевую реакцию бериллиевых нейтрино должен быть 34 СЕН, а во втором случае он будет в два раза меньше. Таким образом, если вычесть из экспериментального значения скорости реакции вклад 8В- и 7Ве-нейтрино, получим от 35 до 55 СЕН на долю p-p-нейтрино и нейтрино от C-N-цикла. Теоретическое значение вклада p-p-нейтрино составляет 71 СЕН, то есть и в этом случае имеется дефицит. Таким образом, существует глобальный дефицит солнечных нейтрино. Такой глобальный дефицит был предсказан в 1970 году Ю.Н. Старбуновым в рамках сформулированной гипотезы о повышенном содержании 3Не в недрах Солнца по сравнению с предсказаниями стандартных моделей Солнца. Были построены модели для различных значений концентрации 3Не и вычислены потоки различных групп нейтрино. Экспериментальные данные по потоку 8В-нейтрино соответствуют весовой концентрации 3Не в области горения водорода 3Д10-5. Эта величина всего в несколько раз больше предсказания ССМ для центра Солнца – 7,7Д10-6 и значительно меньше концентрации 3Не в солнечном ветре – 10-4.

Принципиально важно, что указанное значение существенно меньше, чем концентрация 3Не, генерированного за счет реакций водородного горения за время функционирования ядерного котла в недрах Солнца. Весовая концентрация накопленного 3He в центре Солнца составляет 7,7Д10-6 и по мере удаления от центра растет, достигнув величины 3,3Д10-3 на расстоянии 0,28 радиуса Солнца. Видно, что приведенное выше значение 3Д10-5 может быть обеспечено, даже если первичное Солнце вообще не содержало 3Не. Это может быть как в результате диффузии 3Не, так и скачкообразного изменения структуры Солнца. Ясно, что непрерывный рост градиента концентрации 3Не в недрах Солнца не может быть перманентным. Отметим также, что в процессе горения водорода генерируется очень эффективное горючее 3Не, которое должно быть использовано впоследствии. К сожалению, теория не в состоянии предсказать величину градиента, выше которой неизбежно должен быть приток 3Не в центральную область.

Таким образом, если рассмотренный вариант отражает реальность, то должен быть наибольший дефицит нейтринного потока от распада 8В и несколько меньший дефицит потока р-р-нейтрино. Поток 7Ве нейтрино почти не меняется по сравнению с предсказаниями теории ССМ, а поток hер-нейтрино (3He + p → 4He + e+ + nе) несколько возрастает. Все это реально проверяемо экспериментально.

Хотелось бы отметить, что рассмотренные выше загадки связаны с удивительным и интересным изотопом 3He. Изотопы гелия хорошо известны своими нестандартными свойствами. Может оказаться, что в условиях больших давлений и температур (недра Солнца) изотопы гелия преподнесут нам очередной сюрприз.

Возможность объяснения отрицательного результата опытов по обнаружению солнечных нейтрино состоит в пересмотрении основных представлений о природе нейтрино. Так, например, существует гипотеза, что нейтрино – нестабильная частица. Эта гипотеза требует признания у нейтрино хотя и малой, но конечной массы покоя. Если предположить, что период полураспада нейтрино меньше сотен секунд, то ясно, что образовавшиеся нейтрино просто не дойдут до Земли. Разновидностью этого типа гипотез является “гипотеза осцилляций”, предложенная Б. М. Понтекорво. Суть этой гипотезы сводится к тому, что испущенные Солнцем “электронные” нейтрино могут превращаться в “мюонные”, на которые детектор Дэвиса не реагирует.

Совершенно другой подход к проблеме содержится в гипотезе Фаулера, высказанной еще в 1972 году. Он предположил, что несколько миллионов лет назад во внутренних слоях Солнца произошло сравнительно быстрое, скачкообразное перемешивание вещества. Таким образом, в течение последних нескольких миллионов лет недра Солнца находятся в необычном, как бы переходном состоянии. Через несколько миллионов лет физические условия в недрах Солнца вернутся к первоначальному состоянию.

Причиной такого внезапного перемешивания солнечных недр может быть постепенное накопление некоторой "неустойчивости", которая, дойдя до определенного предела, как бы "сбрасывается". Например, эта причина может быть связана с циркуляцией вещества солнечных недр в меридиональном направлении, которая будет как бы "транспортировать" вращательный момент Солнца от его периферических слоев к центру. В результате центральные области Солнца начнут вращаться значительно быстрее, чем периферия. Такая ситуация должна приводить к неустойчивости, которая будет сбрасываться перемешиванием.

Вся суть гипотезы Фаулера состоит в том, что поток солнечных нейтрино определяется "мгновенным" состоянием солнечных недр. Это означает, что если по какой-нибудь причине температура солнечных недр изменится, то это сразу же отразится на выходящем из Солнца потоке нейтрино. Совсем по-другому будет вести себя поток фотонного излучения от Солнца. Как уже было отмечено, образовавшимся фотонам внутри Солнца требуется миллионы лет, чтобы просочиться наружу и выйти в межзвездное пространство. Таким образом, в принципе, возможна такая ситуация: внезапно температура в центре Солнца падает, сразу же резко падает поток солнечных нейтрино, в то время как светимость Солнца остается неизменной.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ОБНАРУЖЕНИЮ НЕЙТРИНО

Огромная проникающая способность нейтрино, с одной стороны, приводит к тому, что благодаря ей можно заглянуть в недра Солнца, с другой – делает проблему регистрации исключительно тяжелой. Теория предсказывает переход нейтронов в протон и электрон под действием нейтрино. Поскольку нейтрон в свободном состоянии нестабилен, то создание мишени из необходимого количества нейтронов не представляется возможным. Поэтому можно использовать лишь нейтроны, находящиеся в связанном состоянии, то есть мишенью могут послужить различные ядра, состоящие, как известно, из нейтронов и протонов. Поскольку вероятность взаимодействия нейтрино с веществом мала, необходимое для эксперимента количество вещества мишени достигает десятков и сотен тонн. При этом за период наблюдений (месяцы) только незначительное количество нейтрино может вызвать ядерную реакцию. Так, например, в сотнях тонн хлорсодержащего вещества за месяц могут застрять только десятки солнечных нейтрино.

Трудность эксперимента по детектированию солнечных нейтрино обусловлена не только необходимостью использования большого количества вещества, но и сложностью регистрации продуктов реакции. Экспериментатор должен в сотнях тонн вещества мишени заметить всего лишь десятки частиц, появившихся в результате реакции. Это подобно поиску иголки в стоге сена. Но если иголка магнитная, то проблема нахождения иголки не так уж и сложна. Следовательно, физикам для регистрации нейтрино необходимо было подобрать такой "магнит". И это удалось сделать.

Первые опыты по обнаружению нейтрино таким методом были “нацелены” отнюдь не на Солнце, а на ядерные реакторы, излучающие огромное количество нейтрино.

20 ноября 1946 года Б. М. Понтекорво (тогда он работал в Канаде) прочитал своим коллегам по лаборатории Чок-Ривер лекцию, в которой были заложены основы хлор-аргонного метода регистрации нейтрино. Идея метода проста и красива, она заключается в использовании реакции .`

Уникальные особенности этой реакции и определили ее приоритет. В чем они заключаются