كيف بدأت فيزياء النيوترينو

مرت مؤخرا الذكرى 61 لميلاد فيزياء النيوترينو التجريبية. بحلول موعد الجولة ، تأخرتُ عامًا ، لكنني ما زلت. أريد أن أخبركم كيف ظهر أحد أكثر المجالات إثارة للاهتمام في الفيزياء الحديثة. بدأ كل شيء بحقيقة أنه من أجل تحقيق قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم ، تم اختراع جسيم غير مسجل بشكل أساسي. ثم تم البحث عن هذا "الأرواح الشريرة" بعناية وبطريقة باهظة للغاية. يصل إلى الأفكار ، لتفجير القنابل النووية لتسجيل 2-3 أحداث ، علاوة على ذلك ، كاشف رتيب السقوط الحر لبضع ثوان.

وهكذا بدأت قصة مجال جديد تمامًا في الفيزياء ، جلبت جوائز نوبل أكثر من أي مجال آخر.

إلكترونات خاطئة

في نهاية القرن التاسع عشر ، عندما كان الفيزيائيون يخشون بشدة من أن جميع القوانين الممكنة كانت مفتوحة بالفعل وكانت المهنة تفقد أهميتها ، اكتشف بيكريل تأثير النشاط الإشعاعي ، وبدأ حقبة جديدة في الفيزياء. أثناء الدراسة ، تم تقسيم هذا التأثير إلى ثلاثة أنواع: ألفا وبيتا وأشعة جاما. الأول هو تيار من نوى الهيليوم ، والثاني تيار من الإلكترونات ، والثالث تيار من الفوتونات. تم تمثيل النشاط الإشعاعي نفسه على أنه انتقال ذرة من حالة ذات طاقة عالية إلى حالة ذات طاقة منخفضة ، وكان الفرق يساوي تمامًا طاقة الجسيمات المنبعثة.

كان كل شيء على ما يرام حتى قام جيمس تشادويك في عام 1914 بقياس طاقة الإلكترونات المنتجة نتيجة لتحلل بيتا. وبدلاً من عدة خطوط واضحة ، كما كان الحال بالنسبة لجميع أنواع الإشعاع الأخرى ، لاحظ طيفًا مستمرًا.



هذا جعل المجتمع العلمي يفكر لفترة طويلة ويراجع أسس الفيزياء. اعترف أينشتاين ، الذي زار مختبر تشادويك ، أنه ليس لديه فكرة عن كيفية تفسير هذا السلوك ، كتب ديبي عن هذا: "أوه ، من الأفضل عدم التفكير في كل هذا ... كضرائب جديدة". نيلز بور نفسه يتعدى على قدس الأقداس - قانون الحفاظ على الطاقة. لعدة سنوات ، كان على يقين من أن هذا القانون ينتهك في العالم الصغير ويطور نظرية مناسبة.

فكرة الجسيم "غير المسجل"

بعد ما يقرب من 20 عامًا في عام 1930 ، اقترح باولي أنه يمكن أن يكون هناك جسيم ضوئي محايد كهربائيًا ، يزيل الطاقة المفقودة. وصف هذا الجسيم بالنيوترون. قام بتشكيل اقتراحه في رسالة إلى المؤتمر العلمي توبينجهام (تحت قطع). وجدير بالذكر أن مناشدات "السيدات والسادة المشعّتين الأعزاء" و "المشعّون الأعزاء" وكذلك سبب عدم حضور السيد باولي المؤتمر. كان لديه كرة في الليل. لن تنتظر السيدات حتى تفتح جسيمات جديدة هنا.


ولكن في عام 1932 ، اكتشف جيمس تشادويك المذكور بالفعل جسيمًا محايدًا مع كتلة قريبة من كتلة البروتون ، ومن أجل الانسجام ، أطلق عليه اسم النيوترون. لتفادي الخلط ، أعطيت الجسيمات الافتراضية باولي اسم "نيوترينو" (حرفيا ، "نيوترون"). قال باولي نفسه أنه ارتكب خطأ لا يُغتفر بالنسبة للمنظر: اقترح جسيمًا غير مسجل بشكل أساسي. وحتى جادل مع زميل عالم فلك على زجاجة شمبانيا لم يتم تأكيد فرضيته خلال حياته. بالنظر إلى المستقبل ، سأقول أن باولي خسر الحجة. قبل وفاته بعامين ، كان من الممكن مراقبة الإشارة مباشرة من النيوترينو.

يشار إلى أنه بعد مرور أكثر من 30 عامًا على الملاحظة ، لم تكن طبيعة النشاط الإشعاعي معروفة حقًا. تم تقديم العملية على النحو التالي: في نواة الذرة ، يحدث شيء هناك ، تزداد الشحنة بمقدار واحدة ، يتم حفظ الكتلة ويطير الإلكترون. لهذا السبب تم اكتشاف النيوترون نفسه بعد عقود فقط من ملاحظة انحلاله. في عام 1934 ، أنشأ إنريكو فيرمي لأول مرة نظرية متناغمة لتحلل بيتا. يستخدم فرضية باولي لوجود النيوترينو. الآن العملية هي على النحو التالي:

$$

$$n \ to p ^ ++ e ^ - + \ bar {\ nu}$$

تزامنت النظرية ببراعة مع تجربة لعيب واحد صغير. لا يوجد حتى الآن أي دليل على وجود النيوترينو.

دليل غير مباشر على وجود روح الشريرة

بدأ البحث عن جسيم غير معروف. أعطت نظرية فيرمي أدلة جيدة جدًا حول كيفية العثور على مثل هذا الجسيم. يمكن "تحريك" تفاعل تحلل بيتا في اتجاهات مختلفة ، على وجه الخصوص ، يمكن اعتبار التقاط مضاد للنيوترين بواسطة بروتون مع تكوين بوزيترون ونيوترون.



لم يكن من الصعب حساب احتمال مثل هذا الحدث ، ولكن النتيجة كانت محيرة للغاية للفيزيائيين. لكي يحدث التفاعل بالضبط ، يجب أن يسافر النيوترينو مسافة 10 ملايين مرة أكبر من المسافة من الشمس إلى الأرض في الرصاص. أجبر هذا العلماء على التراجع لفترة طويلة من البحث عن تفاعلات النيوترينو ومحاولة البحث عن أدلة غير مباشرة.

تم الحصول على أول دليل غير مباشر بالفعل في عام 1936 بواسطة ألكسندر إيليتش ليبونسكي. اقترح ، وسرعان ما قام بنفسه بإجراء دراسات حول تفاعل تحلل نظائر الكربون:

$$

$${} ^ {11} _6C \ to {} ^ {11} _5B + e ^ ++ \ nu$$

ذرة الكربون الأولية في حالة استراحة ، لذلك إذا لم يكن النيوترينو موجودًا ، فيجب أن يكون الزخم الكلي لذرة البورون والبوزيترون صفرًا. نظرًا لأن الجسيمات المهمة تحمل شحنة ، لم يكن من الصعب قياس عزمها. أظهرت التجربة أن تمدد ذرات البورون والبوزيترون لا يتم تعويضه ، مما يعني أن جسيمًا معينًا ، كما هو متوقع ، يحمل الزخم.

تم اقتراح الإصدار الثاني من التجربة في عام 1938 من قبل عليخانوف و عليخانيان وتم تنفيذها في عام 1942 من قبل ألين. كانت الفكرة دراسة التقاط الإلكترون في ذرة البريليوم:

$$

$${} ^ 7Be + e ^ - \ to {} ^ {7} Li + \ nu$$

يوجد إلكترون من المدار السفلي مع بعض الاحتمالية الموجودة في النواة نفسها ويمكن أن يتفاعل مع البروتون لتشكيل النيوترينو. في البداية ، تكون الذرة في حالة استرخاء ، وإذا خرج جسيم منها فجأة ، يجب أن تطير ذرة الليثيوم الناتجة في الاتجاه المعاكس. أثبتت التجربة مرة أخرى وجود جسيم غامض

وبهذه الطريقة ، تم الحصول على دليل مقنع على وجود النيوترينو ، لكن الاكتشاف المباشر للجسيم لفترة طويلة ظل مهمة غير محلولة ومثيرة للغاية.

مشروع Poltergeist أو قنبلة غير منفجرة

هنا يظهر Raines و Cowen على المسرح. أولها خلال الحرب العالمية الثانية وبعد مشاركتها بنشاط في اختبار القنابل النووية. لذلك لديه فكرة استخدام انفجار نووي كمصدر للنيوترينو.




كانت الفكرة الأولية للتجربة غير عادية للغاية. كان من المخطط تسجيل انحلال بيتا العكسي ، ولكن كما سبق ذكره ، فإن مثل هذه الأحداث نادرة للغاية. لزيادة احتمالية التفاعل ، هناك حاجة إلى تدفق نيوترينو كبير جدًا وحجم كاشف ضخم.

تم وضع قنبلة نووية بسعة 20 كيلو طن على برج 30 مترا. كان انفجارها بمثابة مصدر لعدد كبير من النيوترينوات. بالمناسبة ، "Baby" ، سقطت على هيروشيما ، كان لديها نفس القوة. كانت الأوقات أبسط ، من أجل احتمالات غامضة ، كان هناك شيء للتسجيل لتفجير القنابل ، وحصل المشروع على الدعم. كلما كان أقرب إلى مركز الانفجار ، كلما كان تدفق النيوترينو أقوى. ولكن في الوقت نفسه ، فإن موجة الصدمة أقوى. الكاشف الضخم المخطط له ، الذي يزن طنًا ، لا يستطيع ببساطة مقاومة مثل هذه الصدمات. لحماية التركيب ، قرروا إلقاءه في عمود فراغ في وقت الانفجار. ثم لن تتسبب موجة الصدمة في الأرض في إتلاف الكاشف ، وبعد الطيران لبضع ثوان في السقوط الحر وتسجيل العديد من أحداث النيوترينو ، تهبط بلطف على بطانة مطاطية. بعد بضعة أيام ، عندما يصبح الوضع الإشعاعي على السطح آمنًا ، خططوا لحفر الكاشف واكتشاف سر النيوترينو.
لا يتناسب رأسي مع كيفية تطوير جهاز كشف أكبر 1000 مرة من جميع الأجهزة الموجودة في الحجم ، يمكنك أن تجرؤ على إجراء مثل هذه التجربة الجريئة - إلقاءها في منجم في سقوط حر طويل.

لكن المخطط الأصلي لم يكن مقدرًا تنفيذه. باستكشاف إمكانيات تقليل الخلفية من النيوترونات الطائرة وأشعة جاما والأشعة المخترقة الأخرى ، يقرر الفريق في التفاعل المطلوب

$$

$$\ bar {\ nu} + p ^ + \ to n + e ^ +$$

تسجيل ليس فقط البوزيترونات ، ولكن أيضًا النيوترونات. للقيام بذلك ، خططوا لإضافة الكادميوم إلى الكاشف ، والذي سوف يلتقط النيوترونات ويبعث الفوتونات ، والتي يسهل بالفعل اكتشافها.

$$

$$n + {} ^ {108} Cd \ to {} ^ {109m} Cd \ to {} ^ {109} Cd + \ gamma$$

عمر نظائر الكادميوم 109 م هو فقط عشرات الميكروثانية. وهكذا ، فإن الإشارة من تفاعل النيوترينو تكتسب توقيعًا واضحًا جدًا: فالبوثرون يبيد على الفور تقريبًا بالإلكترون ، وينبعث زوجًا من الفوتونات بطاقة محددة جيدًا ، وبعد بضع ميكروثانية ، يحدث وميض ثاني - نتيجة التقاط النيوترون بالكادميوم ومرة ​​أخرى بطاقة محددة جيدًا. جعل القمع المتكرر للخلفية من الممكن استخدام القنبلة النووية المدمرة بالفعل كمصدر ، ولكن مفاعل سلمي تمامًا. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح هذه الطريقة بالتعرض لأشهر وسنوات ، والحصول على نتائج أكثر موثوقية.

بعد تطوير المفهوم ، بدأ العلماء في تصميم واختبار الكاشف. في ذلك الوقت كان التثبيت الثوري. في ذلك الوقت ، كان حجم المكشاف للتر واحدًا "كبيرًا" ؛ حيث تم التخطيط لاستخدام متر مكعب من الهدف محاطًا بمضاعفات 90 ضوئية . للمقارنة ، التجارب الحديثة ، مثل Super Kamiokande ، لها حجم 50،000 متر مكعب و 13،000 PMTs مرئية. يبلغ حجم Hyper-Kamiokande المخطط 20 مرة ويستخدم 100000 PMTs.

النتيجة الأولى

في عام 1953 ، بدأت جلسة مجموعة البيانات في مفاعل هانفورد. تسببت العمليات الخلفية من الجسيمات الأخرى التي تطير من المفاعل في الكثير من المتاعب للفريق. كان عليها أن تحول باستمرار مئات الأطنان من الرصاص وتعديل المعدات غير المرغوب فيها والإلكترونيات وإعطاء نتائج إيجابية خاطئة وما إلى ذلك. عمل الفريق بتفان كامل ، على أمل تحقيق نتيجة اختراق. ولكن على الرغم من كل الجهود ، كانت الخلفية من الأشعة الكونية والإلكترونيات كبيرة جدًا. الإحصائيات التي تم جمعها مع تشغيل المفاعل وإيقاف تشغيلها أعطت إشارة إلى أن تفاعلات النيوترينو حدثت ، ولكن لم يكن هناك يقين. ومع ذلك ، بدأت مجموعة من العلماء ، المستوحاة من النتيجة الأولى ، في تحديث الكاشف لمزيد من العمل.

المرحلة الثانية من البحث كانت الملاحظة في مفاعل نهر سافانا. يتألف الكاشف الجديد من خزانين بالماء وثلاث أسطوانات مملوءة بملمع سائل ، وهي مادة تتوهج عندما يمر الإشعاع خلالها.



لا يزال المبدأ كما هو - للبحث عن الصدف من إشارتين: إبادة البوزيترون والتقاط النيوترون. يرجع اختيار المفاعل في نهر سافانا إلى حقيقة أنه كان مفاعلًا جديدًا وأكثر قوة ، بالإضافة إلى وجود غرفة محمية تحت الأرض ، مما يقلل بشكل كبير من تأثير الإشعاع الكوني. لم تكن النتيجة طويلة ، بعد بضعة أشهر فقط ، في يونيو 1956 ، بعد العديد من الفحوصات ، تم الحصول على أدلة دامغة على تفاعلات النيوترينو. كان الباب أمام الفيزياء الجديدة مفتوحًا!

راينز وكوان على الفور باولي باكتشافهم.



بعد تلقي مثل هذه البرقية ، قاطع باولي الاجتماع في CERN من أجل قراءة هذه الأخبار المهمة للجمهور. ثم ، تكريما لهذا الاكتشاف ، شرب فولفجانج والأصدقاء علبة شمبانيا. بعد سنوات عديدة ، أصبح نص الجواب الذي لم يُرسل أبدًا معروفًا:

شكرا على الرسالة. كل شيء يأتي لمن يعرف كيف ينتظر. باولي

النتائج والمزيد من العمل

تم الحصول على تأكيد مستقل لهذه النتيجة فقط بعد 8 سنوات في تجربة معجل. ولم يتم تكرار تجربة المفاعل إلا بعد 20 عامًا. على الرغم من التقدير الكبير من المجتمع العلمي ، إلا أن الجوائز لم تكن على عجل لتصب على رؤوس مكتشفات أضعف الجسيمات المتفاعلة. كانت المفارقة هي أنه في عام 1988 حصل ليدرمان وشوارتز وستاينبرغر على جائزة نوبل لاكتشاف نوع جديد من النيوترينو - المون ، من أجل الاكتشاف الأساسي للنيوترينو نفسه ، تم إصدار الجائزة فقط في عام 1995 وفقط إلى رينز. لم يصل كوين إلى مستوى هذه النقطة.

واصل رينز بعد ذلك بحثه ، وقياس احتمالية تفاعل النيوترينو مع الإلكترون ، مع الديوترون. سجلت لأول مرة النيوترينوهات "الطبيعية" التي ولدت في الغلاف الجوي ، وضعت العديد من أسس هذا القسم من الفيزياء.

كانت هناك العديد من الاكتشافات المفاجئة في المستقبل: تسجيل أنواع جديدة من النيوترينوات ، واكتشاف هليوترينات النيوترينو ، وفصل النيوترينوات ومضادات النيوترينوات ، ومراقبة التذبذبات ، وتسجيل النيوترينوات من انفجارات السوبرنوفا ، والبحث عن انتهاك CP . وللمرة الأولى ، تمكن علماء الفيزياء الفلكية من مراقبة الكون ليس من خلال رصد الموجات الكهرومغناطيسية بدقة بمساعدة النيوترينوات. تم بناء عدد كبير من أجهزة الكشف القوية ولا تزال تُبنى لدراسة هذا الجسيم بعيد المنال

في الختام ، أود أن أقول إن هناك عددًا كبيرًا من النيوترينوات في كل واحد منا! في كل ثانية ، يمر حوالي 100 مليار من هذه الجسيمات من خلال سنتيمتر مربع على الأرض.

مصادر

1. جيد ، ولكنه بالفعل قديم للغاية ومع عدد كبير من المقالات المطبعية حول تاريخ فيزياء النيوترينو
2. لوس ألاموس علم رقم 25 1997
3. محاضرة فريدريك رينز 1995
4. الكثير من ويكيبيديا الإنجليزية