Récemment passé le 61e anniversaire de la naissance de la physique expérimentale des neutrinos. À la date du tour, j'avais un an de retard, mais quand même. Je veux vous dire comment est apparu l'un des domaines les plus intéressants de la physique moderne. Tout a commencé avec le fait que pour respecter les lois de conservation de l'énergie et de l'élan, une particule fondamentalement non enregistrée a été inventée. Ensuite, ce «poltergeist» a été soigneusement fouillé et d'une manière très extravagante. Aux idées, pour faire exploser des bombes nucléaires pour l'enregistrement de 2-3 événements, en plus, un détecteur monotone en chute libre pendant quelques secondes.
C'est ainsi qu'a commencé l'histoire d'un tout nouveau domaine de la physique, qui a rapporté plus de prix Nobel que tout autre.
Mauvais électrons
À la toute fin du XIXe siècle, alors que les physiciens craignaient sérieusement que toutes les lois possibles soient déjà ouvertes et que la profession perdait de sa pertinence, Becquerel a découvert l'effet de la radioactivité, ouvrant une nouvelle ère en physique. Au cours de l'étude, cet effet a été divisé en trois types: rayonnement alpha, bêta et gamma. Le premier était un flux de noyaux d'hélium, le second un flux d'électrons et le troisième un flux de photons. La radioactivité elle-même était représentée comme la transition d'un atome d'un état à haute énergie à un état à faible énergie, et la différence était exactement égale à l'énergie de la particule émise.
Tout allait bien jusqu'à ce que James Chadwick en 1914 mesure l'énergie des électrons produits à la suite de la désintégration bêta. Au lieu de plusieurs lignes claires, comme c'était le cas pour tous les autres types de rayonnement, il a observé un spectre continu.
Cela a fait réfléchir longtemps la communauté scientifique et réviser les fondements mêmes de la physique. Einstein, visitant le laboratoire de Chadwick, a admis qu'il ne savait pas comment expliquer ce comportement, Debye a écrit à ce sujet: "Oh, il vaut mieux ne pas penser à tout cela ... comme de nouvelles taxes." Niels Bohr lui-même a empiété sur le saint des saints - la loi de conservation de l'énergie. Pendant plusieurs années, il était sûr que cette loi était violée dans le micromonde et développait une théorie appropriée.
L'idée d'une particule «non enregistrée»
Après presque 20 ans en 1930, Pauli a suggéré qu'il pourrait y avoir une particule légère électriquement neutre, qui enlève l'énergie manquante. Il a appelé cette particule un neutron. Il a formulé sa proposition dans une lettre au Congrès scientifique de Tubingham (sous la coupe). Il convient de noter les appels de «Chers radioactifs, mesdames et messieurs», «chers radioactifs», ainsi que la raison pour laquelle M. Pauli lui-même n'a pas assisté au congrès. Il avait une balle la nuit. Les femmes n'attendront pas que vous ouvriez une nouvelle particule ici.
Lettre de Pauli suggérant l'existence d'un neutrino Mais en 1932, James Chadwick, déjà mentionné, a découvert une particule neutre avec une masse proche de la masse d'un proton et, pour l'harmonie, l'a appelée neutron. Pour éviter toute confusion, la particule hypothétique Pauli a reçu le nom de "neutrino" (littéralement, "neutron"). Pauli lui-même a dit qu'il avait commis une erreur impardonnable pour le théoricien: il a proposé une particule fondamentalement non enregistrée. Et même argumenté avec un collègue astronome sur une bouteille de champagne que de son vivant son hypothèse ne serait pas confirmée. Pour l'avenir, je dirai que Pauli a perdu l'argument. Deux ans avant sa mort, il était possible d'observer le signal directement du neutrino.
Il est à noter qu'après plus de 30 ans d'observation, la nature de la radioactivité n'était pas vraiment connue. Le processus a été présenté comme suit: dans le noyau d'un atome, quelque chose s'y passe, la charge augmente d'une unité, la masse est conservée et l'électron s'envole. C'est pourquoi le neutron lui-même n'a été découvert que des décennies après avoir observé sa désintégration. En 1934, Enrico Fermi a d'abord créé une théorie harmonieuse de la désintégration bêta. Il utilise l'hypothèse de Pauli de l'existence d'un neutrino. Maintenant, le processus est le suivant:
La théorie a coïncidé avec brio avec l'expérience d'un petit défaut. Il n'y a pas encore de preuve de l'existence d'un neutrino.
Preuve indirecte de l'existence d'un poltergeist
La recherche d'une particule inconnue a commencé. La théorie de Fermi a donné de très bons indices sur la façon de trouver une telle particule. La réaction de désintégration bêta pourrait être "défilée" dans différentes directions, en particulier, la capture d'un anti-neutrino par un proton avec la formation d'un positron et d'un neutron pourrait être envisagée.
Il n'était pas difficile de calculer la probabilité d'un tel événement, mais le résultat était très déroutant pour les physiciens. Pour que l'interaction se produise exactement, le neutrino doit parcourir une distance de 10 millions de fois supérieure à la distance du Soleil à la Terre en plomb. Cela a forcé les scientifiques à se retirer pendant longtemps de la recherche d'interactions avec les neutrinos et à chercher des preuves indirectes.
La première preuve indirecte a déjà été obtenue en 1936 par Alexander Ilyich Leipunsky. Il a proposé, et bientôt lui-même effectué des études sur la réaction de désintégration d'un isotope du carbone:
L'atome de carbone initial est au repos, donc si le neutrino n'existe pas, la quantité de mouvement totale de l'atome de bore et du positron doit être nulle. Étant donné que les particules d'intérêt portent une charge, il n'a pas été difficile de mesurer leurs impulsions. L'expérience a montré que l'expansion des atomes de bore et de positons n'est pas compensée, ce qui signifie qu'une certaine particule, comme prévu, emporte l'élan.
La deuxième version de l'expérience a été proposée en 1938 par Alikhanov et Alikhanian et mise en œuvre en 1942 par Allen. L'idée était d'étudier
la capture d'électrons dans l'atome de béryllium:
Un électron de l'orbitale inférieure se trouve avec une certaine probabilité dans le noyau lui-même et peut réagir avec un proton pour former un neutrino. Initialement, l'atome est au repos, et si une particule s'en échappe soudainement, l'atome de lithium résultant devrait s'envoler dans la direction opposée. L'expérience a démontré une fois de plus l'existence d'une mystérieuse particule
De cette façon, des preuves convaincantes de l'existence d'un neutrino ont été obtenues, mais la détection directe d'une particule est restée pendant longtemps une tâche non résolue et très excitante.
Project Poltergeist ou une bombe non explosée
Ici Raines et Cowen apparaissent sur scène. Le premier d'entre eux pendant la Seconde Guerre mondiale et après avoir participé activement au test des bombes nucléaires. Il a donc l'idée d'utiliser une explosion nucléaire comme source de neutrinos.
La remarquable conversation de Raines avec FermiTiré de la conférence Nobel de Frederick Raines 1995.
Il se trouve qu'en été 1951, Enrico Fermi était à Los Alamos. J'ai frappé timidement à sa porte et j'ai dit: "Je voudrais parler avec vous pendant quelques minutes de la possibilité de détecter un neutrino." Il était très sympathique et a répondu: "Eh bien, dites-moi ce que vous pensez?" J'ai dit: "Premièrement, en ce qui concerne la source du neutrino, je pense que la bombe est la mieux adaptée." Après un moment de réflexion, il a répondu: "Oui, la bombe est la meilleure source." Jusqu'à présent, tout s'est bien passé! J'ai ensuite suggéré: «Mais vous avez besoin d'un très grand détecteur. Je ne sais pas comment fabriquer un tel détecteur. " Il réfléchit un peu et dit qu'il ne savait pas non plus. Cette déclaration du Maître m'a choqué. Et j'ai laissé l'idée jusqu'à une conversation informelle à Clyde Cowan.
L'idée initiale de l'expérience était très, très inhabituelle. Il était prévu d'enregistrer la désintégration bêta inverse, mais comme déjà mentionné, de tels événements sont extrêmement rares. Pour augmenter la probabilité d'interaction, un très grand flux de neutrinos et un énorme volume de détecteur sont nécessaires.
Une bombe nucléaire d'une capacité de 20 kilotonnes a été placée sur une tour de 30 mètres. Son explosion devait servir de source à un grand nombre de neutrinos. Au fait, "Baby", tombé sur Hiroshima, avait le même pouvoir. Les temps étaient plus simples, pour des perspectives vagues il y avait quelque chose à enregistrer pour faire exploser des bombes, et le projet a reçu un soutien. Plus l'épicentre de l'explosion est proche, plus le flux de neutrinos est fort. Mais en même temps, une onde de choc est plus forte. L'énorme détecteur prévu, pesant une tonne, ne pouvait tout simplement pas résister à de tels chocs. Pour protéger l'installation, ils ont décidé de la déverser dans un puits à vide au moment de l'explosion. Ensuite, l'onde de choc dans le sol n'endommagera pas le détecteur, et après avoir volé quelques secondes en chute libre et enregistré plusieurs événements de neutrinos, il atterrit doucement sur une doublure en caoutchouc. Quelques jours plus tard, lorsque la situation de radiation à la surface devient sûre, ils ont prévu de déterrer le détecteur et enfin de découvrir le secret du neutrino.
Cela ne me convient pas comment, en développant un détecteur qui est 1000 fois plus grand que tous ceux existants, vous pouvez vous aventurer dans une expérience aussi audacieuse - le jeter dans une mine lors d'une longue chute libre.
Mais le schéma d'origine n'était pas destiné à être mis en œuvre. En explorant les possibilités de réduire le bruit de fond des neutrons volants, des rayons gamma et d'autres rayons pénétrants, l'équipe décide de la réaction souhaitée
enregistrer non seulement des positons, mais aussi des neutrons. Pour ce faire, ils ont prévu d'ajouter du cadmium au détecteur, qui capturera les neutrons et émettra des photons, qui sont déjà très faciles à détecter.
La durée de vie de l'isotope du cadmium 109m n'est que de quelques dizaines de microsecondes. Ainsi, le signal de l'interaction neutrino acquiert une signature très claire: le positron s'anéantit presque immédiatement avec l'électron, émettant une paire de photons avec une énergie bien définie, et après quelques microsecondes, un deuxième flash se produit - le résultat de la capture de neutrons par le cadmium et encore avec une énergie bien définie. La suppression répétée de l'arrière-plan a permis d'utiliser la bombe nucléaire déjà destructrice comme source, mais un réacteur complètement pacifique. De plus, cette méthode permet une exposition pendant des mois et des années, obtenant des résultats de plus en plus fiables.
Après avoir développé le concept, les scientifiques se sont mis à concevoir et à tester le détecteur. À l'époque, c'était une installation révolutionnaire. A cette époque, le volume du détecteur par litre était considéré comme «grand», ici il était prévu d'utiliser un mètre cube de la cible entouré de 90
photomultiplicateurs . À titre de comparaison, des expériences modernes, telles que Super Kamiokande, ont un volume de 50 000 mètres cubes et 13 000 PMT sont visibles. L'Hyper-Kamiokande prévu est 20 fois plus grand et utilise 100 000 PMT.
Premier résultat
En 1953, une session d'ensemble de données au réacteur de Hanford a commencé. Les processus de fond provenant d'autres particules sortant du réacteur ont causé beaucoup de problèmes à l'équipe. J'ai dû constamment tourner des centaines de tonnes de plomb, modifier les équipements indésirables, l'électronique, donner des faux positifs, etc. L'équipe a travaillé avec un dévouement total, espérant un résultat révolutionnaire. Mais malgré tous les efforts, le fond des rayons cosmiques et de l'électronique était trop grand. Les statistiques recueillies avec le réacteur allumé et éteint ont donné une indication que des interactions avec les neutrinos se sont produites, mais il n'y avait aucune certitude. Néanmoins, un groupe de scientifiques, inspiré par le premier résultat, a commencé à moderniser le détecteur pour de nouveaux travaux.
La deuxième étape de la recherche a été l'observation au réacteur de Savannah River. Le nouveau détecteur se composait de deux réservoirs d'eau et de trois cylindres remplis d'un scintillateur liquide, une substance qui brille lorsque le rayonnement le traverse.
Le principe reste le même: rechercher des coïncidences à partir de deux signaux: l'annihilation de positons et la capture de neutrons. Le choix du réacteur dans la rivière Savannah était dû au fait qu'il s'agissait d'un nouveau réacteur plus puissant, et en plus il y avait une salle blindée souterraine, réduisant considérablement l'effet du rayonnement cosmique. Le résultat ne tarda pas à arriver, quelques mois plus tard seulement, en juin 1956, après de nombreuses vérifications, des preuves irréfutables d'interactions avec les neutrinos furent obtenues. La porte de la nouvelle physique était ouverte!
Raines et Cowan câblent immédiatement Pauli au sujet de leur découverte.
Ayant reçu un tel télégramme, Pauli a interrompu la réunion au CERN afin de lire au public des informations aussi importantes. Et puis, en l'honneur de cette découverte, Wolfgang et ses amis ont bu une boîte de champagne. Plusieurs années plus tard, le texte de la réponse jamais envoyée est devenu connu:
Merci pour le message. Tout revient à celui qui sait attendre. Pauli
Résultats et travaux futurs
Une confirmation indépendante de ce résultat n'a été obtenue qu'après 8 ans dans une expérience d'accélérateur. Et la répétition de l'expérience du réacteur n'a été réalisée qu'après 20 ans. Malgré la grande appréciation de la communauté scientifique, les prix n'étaient pas pressés de verser sur la tête des découvreurs de la particule en interaction la plus faible. L'ironie est qu'en 1988 Lederman, Schwartz et Steinberger ont reçu le prix Nobel pour la découverte d'un nouveau type de neutrino - le muon, pour la découverte fondamentale du neutrino lui-même, le prix n'a été décerné qu'en 1995 et uniquement à Raines. Cowen n'a pas été à la hauteur de ce point.
Raines a ensuite poursuivi ses recherches, mesuré la probabilité d'interaction d'un neutrino avec un électron, avec un deutéron; d'abord enregistré les neutrinos "naturels" qui naissent dans l'atmosphère, jeté de nombreuses bases de cette section de la physique.
Il y avait beaucoup plus de découvertes surprenantes à venir: enregistrement de nouveaux
types de neutrinos, découverte de l'
hélicité des neutrinos, séparation des neutrinos et des antineutrinos, observation des
oscillations , enregistrement des neutrinos des
explosions de
supernova , recherches de
violation de CP . Pour la première fois, les astrophysiciens ont pu observer l'Univers non pas par l'observation des ondes électromagnétiques précisément à l'aide de neutrinos. Un grand nombre de
détecteurs puissants ont été construits et continuent d'être construits pour étudier cette particule insaisissable
En conclusion, je veux dire qu'il y a un grand nombre de neutrinos en chacun de nous! Chaque seconde, environ 100 milliards de ces particules traversent un centimètre carré sur Terre.
Les sources
- Un bon article, mais déjà très dépassé, avec un grand nombre d' articles sur l'histoire de la physique des neutrinos
- Los Alamos Science Numéro 25 1997
- Frederick Raines 1995 Nobel Lecture
- Beaucoup de Wikipédia en anglais