Wie die Neutrinophysik begann

Vor kurzem ist der 61. Jahrestag der Geburt der experimentellen Neutrinophysik vergangen. Zum runden Datum war ich ein Jahr zu spät, aber immer noch. Ich möchte Ihnen sagen, wie einer der interessantesten Bereiche der modernen Physik entstanden ist. Alles begann damit, dass zur Erfüllung der Gesetze zur Erhaltung von Energie und Impuls ein grundsätzlich nicht registriertes Teilchen erfunden wurde. Dann wurde dieser „Poltergeist“ sorgfältig und auf sehr extravagante Weise durchsucht. Bis zu Ideen, Atombomben für die Registrierung von 2-3 Ereignissen zu detonieren, außerdem ein monotoner Detektor, der für ein paar Sekunden frei fällt.

So begann die Geschichte eines völlig neuen Feldes in der Physik, das mehr Nobelpreise brachte als jedes andere.

Falsche Elektronen

Ganz am Ende des 19. Jahrhunderts, als die Physiker ernsthaft befürchteten, dass alle möglichen Gesetze bereits offen seien und der Beruf an Relevanz verliert, entdeckte Becquerel die Wirkung der Radioaktivität und leitete eine neue Ära in der Physik ein. Während der Studie wurde dieser Effekt in drei Typen unterteilt: Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Der erste war ein Strom von Heliumkernen, der zweite ein Strom von Elektronen und der dritte ein Strom von Photonen. Die Radioaktivität selbst wurde als Übergang eines Atoms von einem Zustand mit hoher Energie zu einem Zustand mit niedriger Energie dargestellt, und die Differenz war genau gleich der Energie des emittierten Teilchens.

Alles war in Ordnung, bis James Chadwick 1914 die Energie der Elektronen maß, die infolge des Beta-Zerfalls erzeugt wurden. Anstelle mehrerer klarer Linien, wie dies bei allen anderen Strahlungsarten der Fall war, beobachtete er ein kontinuierliches Spektrum.



Dies brachte die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu, lange nachzudenken und die Grundlagen der Physik zu überarbeiten. Einstein, der das Chadwick-Labor besuchte, gab zu, dass er keine Ahnung hat, wie er dieses Verhalten erklären soll. Debye schrieb darüber: "Oh, es ist besser, das alles nicht als neue Steuern zu betrachten." Niels Bohr selbst griff in das Allerheiligste ein - das Gesetz der Energieerhaltung. Mehrere Jahre lang war er sich sicher, dass dieses Gesetz in der Mikrowelt verletzt wurde, und entwickelte eine geeignete Theorie.

Die Idee eines „nicht registrierten“ Partikels

Nach fast 20 Jahren im Jahr 1930 schlug Pauli vor, dass es ein leichtes elektrisch neutrales Teilchen geben könnte, das die fehlende Energie wegnimmt. Er nannte dieses Teilchen ein Neutron. Er formulierte seinen Vorschlag in einem Brief an den Tubingham Scientific Congress (unter dem Schnitt). Bemerkenswert sind die Appelle von Sehr geehrten radioaktiven Damen und Herren, Sehr geehrte Radioaktivisten sowie der Grund, warum Herr Pauli selbst nicht am Kongress teilgenommen hat. Er hatte nachts einen Ball. Damen werden nicht warten, bis Sie hier ein neues Partikel öffnen.


1932 entdeckte der bereits erwähnte James Chadwick ein neutrales Teilchen mit einer Masse nahe der Masse eines Protons und nannte es aus Harmoniegründen ein Neutron. Um Verwirrung zu vermeiden, erhielt das hypothetische Teilchen Pauli den Namen "Neutrino" (wörtlich "Neutron"). Pauli selbst sagte, er habe einen Fehler gemacht, der für den Theoretiker unverzeihlich war: Er schlug ein grundsätzlich nicht registriertes Teilchen vor. Und sogar mit einem Kollegen, einem Astronomen, auf einer Flasche Champagner argumentiert, dass seine Hypothese zu Lebzeiten nicht bestätigt werden würde. Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass Pauli das Argument verloren hat. Zwei Jahre vor seinem Tod konnte das Signal direkt vom Neutrino aus beobachtet werden.

Es ist bemerkenswert, dass nach mehr als 30 Jahren Beobachtung die Art der Radioaktivität nicht wirklich bekannt war. Der Prozess wurde wie folgt dargestellt: Im Kern eines Atoms passiert dort etwas, die Ladung steigt um eins, die Masse bleibt erhalten und das Elektron fliegt heraus. Deshalb wurde das Neutron selbst erst Jahrzehnte nach Beobachtung seines Zerfalls entdeckt. Enrico Fermi schuf 1934 erstmals eine harmonische Theorie des Beta-Zerfalls. Er verwendet die Pauli-Hypothese der Existenz eines Neutrinos. Nun ist der Prozess wie folgt:

$$

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

Die Theorie stimmte hervorragend mit dem Experiment für einen kleinen Fehler überein. Es gibt noch keine Hinweise auf die Existenz eines Neutrinos.

Indirekte Beweise für die Existenz von Poltergeisten

Die Suche nach einem unbekannten Teilchen begann. Fermis Theorie gab sehr gute Hinweise, wie man ein solches Teilchen findet. Die Beta-Zerfallsreaktion könnte in verschiedene Richtungen "gescrollt" werden, insbesondere könnte das Einfangen eines Anti-Neutrinos durch ein Proton unter Bildung eines Positrons und eines Neutrons in Betracht gezogen werden.



Es war nicht schwierig, die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses zu berechnen, aber das Ergebnis war für Physiker sehr rätselhaft. Damit die Wechselwirkung genau stattfinden kann, muss das Neutrino eine Entfernung zurücklegen, die 10 Millionen Mal größer ist als die Entfernung von der Sonne zur Erde in Blei. Dies zwang die Wissenschaftler, sich lange Zeit von der Suche nach Neutrino-Wechselwirkungen zurückzuziehen und nach indirekten Beweisen zu suchen.

Der erste indirekte Beweis wurde bereits 1936 von Alexander Ilyich Leipunsky erhalten. Er schlug vor und führte bald selbst Studien zur Zerfallsreaktion eines Kohlenstoffisotops durch:

$$

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

Das anfängliche Kohlenstoffatom befindet sich in Ruhe. Wenn das Neutrino nicht vorhanden ist, sollte der Gesamtimpuls des Boratoms und des Positrons Null sein. Da die interessierenden Teilchen eine Ladung tragen, war es nicht schwierig, ihre Impulse zu messen. Das Experiment zeigte, dass die Expansion der Bor- und Positronenatome nicht kompensiert wird, was bedeutet, dass ein bestimmtes Teilchen erwartungsgemäß den Impuls wegträgt.

Die zweite Version des Experiments wurde 1938 von Alikhanov und Alikhanian vorgeschlagen und 1942 von Allen durchgeführt. Die Idee war, den Elektroneneinfang im Berylliumatom zu untersuchen:

$$

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

Ein Elektron aus dem unteren Orbital befindet sich mit einiger Wahrscheinlichkeit im Kern selbst und kann mit einem Proton unter Bildung eines Neutrinos reagieren. Zu Beginn befindet sich das Atom in Ruhe, und wenn plötzlich ein Teilchen herausfliegt, sollte das resultierende Lithiumatom in die entgegengesetzte Richtung abfliegen. Die Erfahrung hat erneut die Existenz eines mysteriösen Teilchens gezeigt

Auf diese Weise wurden überzeugende Beweise für die Existenz eines Neutrinos erhalten, aber der direkte Nachweis eines Partikels blieb lange Zeit eine ungelöste und sehr aufregende Aufgabe.

Projekt Poltergeist oder eine nicht explodierte Bombe

Hier treten Raines und Cowen auf der Bühne auf. Der erste von ihnen während des Zweiten Weltkriegs und danach aktiv an der Erprobung von Atombomben beteiligt. Er hat also die Idee, eine nukleare Explosion als Quelle für Neutrinos zu nutzen.




Die ursprüngliche Idee des Experiments war sehr, sehr ungewöhnlich. Es war geplant, den umgekehrten Beta-Zerfall aufzuzeichnen, aber wie bereits erwähnt, sind solche Ereignisse äußerst selten. Um die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zu erhöhen, werden ein sehr großer Neutrino-Fluss und ein großes Detektorvolumen benötigt.

Auf einem 30 Meter hohen Turm wurde eine Atombombe mit einer Kapazität von 20 Kilotonnen platziert. Ihre Explosion sollte als Quelle für eine große Anzahl von Neutrinos dienen. Übrigens hatte "Baby", das auf Hiroshima gefallen war, die gleiche Kraft. Die Zeiten waren einfacher, aus vagen Gründen gab es etwas zu registrieren, um Bomben zu detonieren, und das Projekt erhielt Unterstützung. Je näher am Epizentrum der Explosion, desto stärker der Neutrino-Fluss. Gleichzeitig ist eine Schockwelle stärker. Der riesige geplante Detektor, der eine Tonne wiegt, konnte solchen Erschütterungen einfach nicht widerstehen. Um die Anlage zu schützen, beschlossen sie, sie zum Zeitpunkt der Explosion in einen Vakuumschacht zu werfen. Dann wird die Stoßwelle im Boden den Detektor nicht beschädigen, und nachdem sie einige Sekunden im freien Fall geflogen ist und mehrere Neutrino-Ereignisse registriert hat, landet sie sanft auf einem Gummi. Einige Tage später, als die Strahlungssituation an der Oberfläche sicher wurde, planten sie, den Detektor auszugraben und schließlich das Geheimnis des Neutrinos herauszufinden.
Es passt nicht in meinen Kopf, wie man es wagen kann, ein so kühnes Experiment durchzuführen, wenn man einen Detektor entwickelt, der 1000-mal größer ist als alle vorhandenen - und ihn in einem langen freien Fall in eine Mine zu werfen.

Das ursprüngliche Schema sollte jedoch nicht umgesetzt werden. Das Team untersucht die Möglichkeiten, den Hintergrund durch fliegende Neutronen, Gammastrahlen und andere durchdringende Strahlen zu reduzieren, und entscheidet sich für die gewünschte Reaktion

$$

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

Registrieren Sie nicht nur Positronen, sondern auch Neutronen. Zu diesem Zweck planten sie, dem Detektor Cadmium hinzuzufügen, das Neutronen einfängt und Photonen emittiert, die bereits sehr leicht zu erkennen sind.

$$

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

Die Lebensdauer des Cadmiumisotops 109m beträgt nur einige zehn Mikrosekunden. Somit erhält das Signal der Neutrino-Wechselwirkung eine sehr klare Signatur: Das Positron vernichtet sich fast sofort mit dem Elektron und emittiert ein Photonenpaar mit einer genau definierten Energie. Nach einigen Mikrosekunden tritt ein zweiter Blitz auf - das Ergebnis der Neutroneneinfangung durch Cadmium und erneut mit einer genau definierten Energie. Die wiederholte Unterdrückung des Hintergrunds ermöglichte es, die bereits zerstörerische Atombombe als Quelle, aber als völlig friedlichen Reaktor zu nutzen. Darüber hinaus ermöglicht diese Methode eine Exposition über Monate und Jahre, wodurch immer zuverlässigere Ergebnisse erzielt werden.

Nach der Entwicklung des Konzepts begannen die Wissenschaftler, den Detektor zu entwerfen und zu testen. Zu dieser Zeit war es eine revolutionäre Installation. Zu dieser Zeit wurde das Volumen des Detektors pro Liter als "groß" angesehen, hier war geplant, einen Kubikmeter des Ziels zu verwenden, der von 90 Fotovervielfachern umgeben war . Zum Vergleich: Moderne Experimente wie Super Kamiokande haben ein Volumen von 50.000 Kubikmetern und 13.000 PMTs sind sichtbar. Die geplante Hyper-Kamiokande ist 20-mal größer und verwendet 100.000 PMTs.

Erstes Ergebnis

1953 begann eine Datensatzsitzung im Hanford-Reaktor. Hintergrundprozesse von anderen Partikeln, die aus dem Reaktor flogen, verursachten dem Team große Probleme. Musste ständig Hunderte Tonnen Blei drehen, Junk-Ausrüstung, Elektronik, Fehlalarme usw. modifizieren. Das Team arbeitete mit vollem Engagement und hoffte auf ein bahnbrechendes Ergebnis. Trotz aller Bemühungen war der Hintergrund der kosmischen Strahlung und der Elektronik zu groß. Die bei ein- und ausgeschaltetem Reaktor gesammelten Statistiken gaben einen Hinweis darauf, dass Neutrino-Wechselwirkungen auftraten, aber es gab keine Gewissheit. Trotzdem begann eine Gruppe von Wissenschaftlern, inspiriert vom ersten Ergebnis, den Detektor für weitere Arbeiten zu modernisieren.

Die zweite Stufe der Forschung war die Beobachtung am Reaktor des Savannah River. Der neue Detektor bestand aus zwei Tanks mit Wasser und drei Zylindern, die mit einem Flüssigkeitsszintillator gefüllt waren, einer Substanz, die leuchtet, wenn Strahlung durch sie hindurchgeht.



Das Prinzip bleibt dasselbe - nach Übereinstimmungen aus zwei Signalen zu suchen: Positronenvernichtung und Neutroneneinfang. Die Wahl des Reaktors im Savannah River beruhte auf der Tatsache, dass es sich um einen neuen, leistungsstärkeren Reaktor handelte. Außerdem gab es einen unterirdischen abgeschirmten Raum, der die Wirkung der kosmischen Strahlung erheblich reduzierte. Das Ergebnis ließ nicht lange auf sich warten, nur wenige Monate später, im Juni 1956, wurden nach zahlreichen Kontrollen unwiderlegbare Hinweise auf Neutrino-Wechselwirkungen erhalten. Die Tür zur neuen Physik stand offen!

Raines und Cowan verkabeln Pauli sofort über ihre Entdeckung.



Nachdem Pauli ein solches Telegramm erhalten hatte, unterbrach er das Treffen am CERN, um dem Publikum solche wichtigen Neuigkeiten vorzulesen. Und dann tranken Wolfgang und seine Freunde zu Ehren dieser Entdeckung eine Schachtel Champagner. Viele Jahre später wurde der Text der nie gesendeten Antwort bekannt:

Danke für die Nachricht. Alles kommt zu dem, der zu warten weiß. Pauli

Ergebnisse und weitere Arbeiten

Eine unabhängige Bestätigung dieses Ergebnisses wurde erst nach 8 Jahren in einem Beschleunigerexperiment erhalten. Und die Wiederholung des Reaktorexperiments wurde erst nach 20 Jahren durchgeführt. Trotz der hohen Wertschätzung der wissenschaftlichen Gemeinschaft hatten die Auszeichnungen es nicht eilig, die Köpfe der Entdecker des schwächsten wechselwirkenden Teilchens zu treffen. Die Ironie war, dass Lederman, Schwartz und Steinberger 1988 den Nobelpreis für die Entdeckung eines neuen Neutrino-Typs erhielten - das Myon. Für die grundlegende Entdeckung des Neutrinos selbst wurde der Preis erst 1995 und nur an Raines vergeben. Cowen hat diesen Punkt nicht erfüllt.

Anschließend setzte Raines seine Forschungen fort und maß die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung eines Neutrinos mit einem Elektron mit einem Deuteron. Zuerst wurden die "natürlichen" Neutrinos registriert, die in der Atmosphäre geboren werden, und viele der Grundlagen für diesen Teil der Physik gelegt.

Es standen noch viele weitere überraschende Entdeckungen bevor: Registrierung neuer Neutrinosorten, Entdeckung der Neutrinohelizität, Trennung von Neutrinos und Antineutrinos, Beobachtung von Schwingungen , Registrierung von Neutrinos aus Supernova-Explosionen , Suche nach CP-Verstößen . Zum ersten Mal konnten Astrophysiker das Universum nicht durch Beobachtung elektromagnetischer Wellen genau mit Hilfe von Neutrinos beobachten. Eine große Anzahl leistungsstarker Detektoren wurde gebaut und wird weiterhin gebaut, um dieses schwer fassbare Teilchen zu untersuchen

Abschließend möchte ich sagen, dass in jedem von uns eine große Anzahl von Neutrinos steckt! Jede Sekunde passieren ungefähr 100 Milliarden solcher Partikel einen Quadratzentimeter auf der Erde.

Quellen

1. Ein guter, aber bereits sehr veralteter und mit einer Vielzahl von Tippfehlern versehener Artikel zur Geschichte der Neutrinophysik
2. Los Alamos Science Number 25 1997
3. Frederick Raines 1995 Nobelvorlesung
4. Viel englische Wikipedia