न्यूट्रिनो भौतिकी कैसे शुरू हुई

हाल ही में प्रयोगात्मक न्यूट्रिनो भौतिकी के जन्म की 61 वीं वर्षगांठ को पारित किया। गोल तारीख तक, मुझे एक साल देर हो चुकी थी, लेकिन अभी भी। मैं आपको बताना चाहता हूं कि आधुनिक भौतिकी के सबसे दिलचस्प क्षेत्रों में से एक कैसे दिखाई दिया। यह सब इस तथ्य से शुरू हुआ कि ऊर्जा और गति के संरक्षण के नियमों को पूरा करने के लिए, एक मौलिक रूप से अपंजीकृत कण का आविष्कार किया गया था। तब इस "पॉलीटेजिस्ट" को सावधानीपूर्वक खोजा गया था, और बहुत ही असाधारण तरीके से। विचारों के अनुसार, 2-3 घटनाओं के पंजीकरण के लिए परमाणु बम विस्फोट करने के लिए, कुछ सेकंड के लिए एक नीरस डिटेक्टर मुक्त गिरने।

इस प्रकार भौतिकी में एक बिल्कुल नए क्षेत्र की कहानी शुरू हुई, जिसने किसी भी अन्य की तुलना में अधिक नोबेल पुरस्कार लाए।

गलत इलेक्ट्रॉनों

19 वीं शताब्दी के अंत में, जब भौतिक विज्ञानी गंभीर रूप से भयभीत थे कि सभी संभावित कानून पहले से ही खुले थे और पेशा प्रासंगिकता खो रहा था, बेकरेल ने रेडियोधर्मिता के प्रभाव की खोज की, भौतिकी में एक नए युग की शुरुआत की। अध्ययन के दौरान, इस प्रभाव को तीन प्रकारों में विभाजित किया गया था: अल्फा, बीटा और गामा विकिरण। पहला हीलियम नाभिक की एक धारा, दूसरा इलेक्ट्रॉनों की एक धारा और तीसरा फोटॉन की एक धारा थी। रेडियोधर्मिता को एक उच्च ऊर्जा वाले राज्य से कम ऊर्जा वाले राज्य से परमाणु के संक्रमण के रूप में दर्शाया गया था, और अंतर उत्सर्जित कण की ऊर्जा के बराबर था।

1914 में जेम्स चाडविक ने बीटा क्षय के परिणामस्वरूप उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को मापा तब तक सब कुछ ठीक था। कई स्पष्ट रेखाओं के बजाय, जैसा कि सभी अन्य प्रकार के विकिरण के लिए था, उन्होंने एक सतत स्पेक्ट्रम का अवलोकन किया।



इसने वैज्ञानिक समुदाय को लंबे समय तक सोचने और भौतिकी की बहुत नींव को संशोधित करने के लिए बनाया। आइडस्टीन, चाडविक प्रयोगशाला का दौरा करते हुए, उन्होंने स्वीकार किया कि उन्हें इस व्यवहार को समझाने का कोई तरीका नहीं है, डेबी ने इस विषय पर लिखा है: "ओह, यह बेहतर है कि इस बारे में न सोचें ... नए करों के रूप में।" नील्स बोह्र ने खुद को होली के पवित्र पर अतिक्रमण किया - ऊर्जा के संरक्षण का नियम। कई सालों तक, उन्हें यकीन था कि इस कानून का माइक्रोवर्ल्ड में उल्लंघन हो रहा था और एक उपयुक्त सिद्धांत विकसित कर रहा था।

एक "अपंजीकृत" कण का विचार

1930 में लगभग 20 वर्षों के बाद, पाउली ने सुझाव दिया कि एक प्रकाश विद्युत रूप से तटस्थ कण हो सकता है, जो लापता ऊर्जा को दूर ले जाता है। उन्होंने इस कण को ​​न्यूट्रॉन कहा। उन्होंने ट्यूबिंगम साइंटिफिक कांग्रेस (कट के तहत) को लिखे एक पत्र में अपना प्रस्ताव रखा। उल्लेखनीय "प्रिय रेडियोधर्मी देवियों और सज्जनों", "प्रिय रेडियोधर्मियों" की अपीलें हैं, साथ ही साथ श्री पाउली स्वयं भी कांग्रेस में शामिल नहीं हुए। वह रात में एक गेंद था। जब तक आप यहां एक नया कण नहीं खोलते, लेडीज इंतजार नहीं करेंगी।


लेकिन 1932 में, पहले से ही उल्लेख किया गया जेम्स चाडविक ने एक प्रोटॉन के द्रव्यमान के करीब द्रव्यमान के साथ एक तटस्थ कण की खोज की और, सद्भाव के लिए, इसे न्यूट्रॉन कहा। भ्रम से बचने के लिए, काल्पनिक कण पाउली को "न्यूट्रिनो" (शाब्दिक रूप से, "न्यूट्रॉन") नाम दिया गया था। पाउली ने स्वयं कहा कि उन्होंने एक गलती को सैद्धांतिक के लिए अक्षम्य बना दिया था: उन्होंने मौलिक रूप से अपंजीकृत कण का प्रस्ताव किया था। और यहां तक ​​कि एक सहकर्मी के साथ एक खगोलविद ने शैंपेन की एक बोतल पर तर्क दिया कि उनके जीवनकाल के दौरान उनकी परिकल्पना की पुष्टि नहीं की जाएगी। आगे देखते हुए, मैं कहूंगा कि पाउली ने तर्क खो दिया। उनकी मृत्यु के दो साल पहले, न्यूट्रिनो से सीधे सिग्नल का निरीक्षण करना संभव था।

यह उल्लेखनीय है कि अवलोकन के 30 से अधिक वर्षों के बाद, रेडियोधर्मिता की प्रकृति वास्तव में ज्ञात नहीं थी। प्रक्रिया निम्नानुसार प्रस्तुत की गई थी: एक परमाणु के नाभिक में, वहां कुछ होता है, चार्ज एक से बढ़ जाता है, द्रव्यमान संरक्षित होता है और इलेक्ट्रॉन बाहर निकलता है। यही कारण है कि अपने क्षय को देखने के दशकों बाद ही न्यूट्रॉन की खोज की गई थी। 1934 में, एनरिको फर्मी ने पहली बार बीटा क्षय का एक सामंजस्यपूर्ण सिद्धांत बनाया। वह एक न्यूट्रिनो के अस्तित्व की पॉलि परिकल्पना का उपयोग करता है। अब प्रक्रिया इस प्रकार है:

$$

$$n \ n से p ^ ++ e ^ - + \ बार {\ n}$$

सिद्धांत ने शानदार ढंग से एक छोटे दोष के लिए प्रयोग के साथ मेल किया। न्यूट्रिनो के अस्तित्व का अभी तक कोई प्रमाण नहीं मिला है।

Poltergeist अस्तित्व के अप्रत्यक्ष सबूत

एक अज्ञात कण की खोज शुरू हुई। फर्मी के सिद्धांत ने इस तरह के कण को ​​खोजने के लिए बहुत अच्छे सुराग दिए। बीटा क्षय प्रतिक्रिया को अलग-अलग दिशाओं में "स्क्रॉल" किया जा सकता है, विशेष रूप से, एक पॉज़िट्रॉन और एक न्यूट्रॉन के गठन के साथ एक प्रोटॉन द्वारा एंटी-न्यूट्रिनो को कैप्चर किया जा सकता है।



इस तरह की घटना की संभावना की गणना करना मुश्किल नहीं था, लेकिन परिणाम भौतिकविदों के लिए बहुत हैरान करने वाला था। वास्तव में होने वाली बातचीत के लिए, न्यूट्रिनो को सूर्य से पृथ्वी की ओर की दूरी की तुलना में 10 मिलियन गुना अधिक दूरी तय करनी चाहिए। इसने वैज्ञानिकों को न्यूट्रिनो अंतःक्रियाओं की खोज से लंबे समय तक पीछे हटने और अप्रत्यक्ष सबूतों की तलाश करने के लिए मजबूर किया।

पहला अप्रत्यक्ष सबूत 1936 में अलेक्जेंडर इलिच लीपुनस्की द्वारा प्राप्त किया गया था। उन्होंने प्रस्तावित किया, और जल्द ही खुद एक कार्बन आइसोटोप की क्षय प्रतिक्रिया का अध्ययन किया:

$$

$${} ^ {11} _6C \ _ से {} ^ {11} _5B + e ^ ++ \ n$$

प्रारंभिक कार्बन परमाणु आराम पर है, इसलिए यदि न्यूट्रिनो मौजूद नहीं है, तो बोरॉन परमाणु और पॉज़िट्रॉन की कुल गति शून्य होनी चाहिए। चूँकि ब्याज के कण चार्ज होते हैं, इसलिए उनकी गति को मापना मुश्किल नहीं था। प्रयोग से पता चला कि बोरॉन और पॉज़िट्रॉन परमाणुओं के विस्तार की भरपाई नहीं की जाती है, जिसका अर्थ है कि एक निश्चित कण, जैसा कि अपेक्षित है, गति को दूर ले जाता है।

प्रयोग का दूसरा संस्करण 1938 में अलीखानोव और अलीखानियन द्वारा प्रस्तावित किया गया था और 1942 में एलन द्वारा लागू किया गया था। यह विचार बेरिलियम परमाणु में इलेक्ट्रॉन कैप्चर का अध्ययन करने के लिए था:

$$

$${} ^ 7Be + e ^ - \ _ से {} ^ {7} Li + \ n $$$

निचले कक्ष से एक इलेक्ट्रॉन नाभिक में स्थित कुछ संभावना के साथ होता है और एक प्रोटॉन के साथ एक न्यूट्रिनो बनाने के लिए प्रतिक्रिया कर सकता है। प्रारंभ में, परमाणु आराम पर है, और अगर कोई कण अचानक से बाहर निकलता है, तो परिणामस्वरूप लिथियम परमाणु को विपरीत दिशा में उड़ना चाहिए। अनुभव ने एक बार फिर एक रहस्यमय कण के अस्तित्व का प्रदर्शन किया

इस तरह, एक न्यूट्रिनो के अस्तित्व के ठोस सबूत प्राप्त किए गए थे, लेकिन लंबे समय तक एक कण का प्रत्यक्ष पता लगाना एक अनसुलझा और बहुत ही रोमांचक काम बना रहा।

प्रोजेक्ट पोल्टरजिस्ट या एक अस्पष्टीकृत बम

यहां वर्षा और कोवेन मंच पर दिखाई देते हैं। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान और उसके बाद उनमें से पहला परमाणु बमों के परीक्षण में सक्रिय रूप से भाग लिया। इसलिए उसे न्यूट्रिनो के स्रोत के रूप में परमाणु विस्फोट का उपयोग करने का विचार है।




प्रयोग का प्रारंभिक विचार बहुत ही असामान्य था। इसे रिवर्स बीटा क्षय रिकॉर्ड करने की योजना बनाई गई थी, लेकिन जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, ऐसी घटनाएं बेहद दुर्लभ हैं। बातचीत की संभावना बढ़ाने के लिए, एक बहुत बड़े न्यूट्रिनो प्रवाह और एक विशाल डिटेक्टर मात्रा की आवश्यकता होती है।

20 किलोटन की क्षमता वाला एक परमाणु बम 30 मीटर के टॉवर पर रखा गया था। उसका विस्फोट एक बड़ी संख्या में न्यूट्रिनों के स्रोत के रूप में काम करना था। वैसे, "बेबी", हिरोशिमा पर गिरा दिया गया था, एक ही शक्ति थी। टाइम्स सरल थे, अस्पष्ट संभावनाओं के लिए बम विस्फोट करने के लिए पंजीकरण करने के लिए कुछ था, और परियोजना को समर्थन मिला। विस्फोट के उपरिकेंद्र के करीब, न्यूट्रिनो प्रवाह जितना मजबूत होगा। लेकिन एक ही समय में, एक सदमे की लहर मजबूत होती है। विशाल नियोजित डिटेक्टर, एक टन वजन, बस इस तरह के झटके का विरोध नहीं कर सकता था। स्थापना की सुरक्षा के लिए, उन्होंने विस्फोट के समय इसे वैक्यूम शाफ्ट में डंप करने का फैसला किया। फिर जमीन में सदमे की लहर डिटेक्टर को नुकसान नहीं पहुंचाएगी, और कुछ सेकंड में फ्री फॉल में उड़ान भरने और कई न्यूट्रिनो घटनाओं को पंजीकृत करने के बाद, यह धीरे से एक रबर की परत पर लैंड करता है। कुछ दिनों बाद, जब सतह पर विकिरण की स्थिति सुरक्षित हो जाती है, तो उन्होंने डिटेक्टर को खोदने की योजना बनाई और अंत में न्यूट्रिनो के रहस्य का पता लगाया।
यह मेरे सिर में फिट नहीं है कि कैसे, एक डिटेक्टर विकसित करना जो आकार में सभी मौजूदा लोगों की तुलना में 1000 गुना बड़ा है, आप इस तरह के एक बोल्ड प्रयोग पर उद्यम कर सकते हैं - एक लंबे समय तक मुक्त गिरावट में इसे एक खदान में डंप करना।

लेकिन मूल योजना को लागू किया जाना तय नहीं था। उड़ने वाली न्यूट्रॉन, गामा किरणों और अन्य मर्मज्ञ किरणों से पृष्ठभूमि को कम करने की संभावनाओं की तलाश करते हुए, टीम वांछित प्रतिक्रिया में निर्णय लेती है

$$

$$\ पट्टी {\ n}} + p ^ + \ से n + e ^ +$$

न केवल पॉज़िट्रॉन रजिस्टर करें, बल्कि न्यूट्रॉन भी। ऐसा करने के लिए, उन्होंने डिटेक्टर में कैडमियम को जोड़ने की योजना बनाई, जो न्यूट्रॉन को कैप्चर करेगा और फोटॉन का उत्सर्जन करेगा, जो पहले से ही पता लगाने में बहुत आसान है।

$$

$$n + {} ^ {108} सीडी \ से {} ^ {109 मीटर} सीडी \ _ से {} ^ {109} सीडी + \ गामा$$

कैडमियम आइसोटोप 109 मी का जीवनकाल केवल दसियों माइक्रोसेकंड है। इस प्रकार, न्यूट्रिनो इंटरैक्शन से संकेत एक बहुत स्पष्ट हस्ताक्षर प्राप्त करता है: पॉज़िट्रॉन लगभग तुरंत इलेक्ट्रॉन के साथ नष्ट हो जाता है, एक अच्छी तरह से परिभाषित ऊर्जा के साथ फोटॉनों की एक जोड़ी का उत्सर्जन करता है, और कुछ माइक्रोसेकंड के बाद एक दूसरा फ्लैश होता है - कैडमियम द्वारा न्यूट्रॉन कैप्चर और फिर से एक अच्छी तरह से परिभाषित ऊर्जा के साथ। पृष्ठभूमि के बार-बार दमन ने एक स्रोत के रूप में पहले से ही विनाशकारी परमाणु बम का उपयोग करना संभव बना दिया, लेकिन एक पूरी तरह से शांतिपूर्ण रिएक्टर। इसके अलावा, यह विधि महीनों और वर्षों के लिए जोखिम की अनुमति देती है, अधिक से अधिक विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करती है।

अवधारणा विकसित करने के बाद, वैज्ञानिकों ने डिटेक्टर को डिजाइन और परीक्षण करने के बारे में निर्धारित किया। उस समय यह एक क्रांतिकारी स्थापना थी। उस समय, प्रति लीटर डिटेक्टर की मात्रा को "बड़ा" माना जाता था, यहां 90 फोटोमल्टीप्लायरों से घिरे लक्ष्य के एक क्यूबिक मीटर का उपयोग करने की योजना बनाई गई थी। तुलना के लिए, आधुनिक प्रयोग, जैसे सुपर कमोकांडे, की मात्रा 50,000 घन मीटर है और 13,000 पीएमटी दिखाई देते हैं। नियोजित हाइपर- Kamiokande 20 गुना बड़ा है और 100,000 PMT का उपयोग करता है।

पहला परिणाम

1953 में, हनफोर्ड रिएक्टर में एक डेटा सेट सत्र शुरू हुआ। रिएक्टर से बाहर उड़ने वाले अन्य कणों की पृष्ठभूमि प्रक्रियाओं से टीम को बहुत परेशानी हुई। लगातार सैकड़ों टन सीसा मोड़ना था, कबाड़ उपकरण, इलेक्ट्रॉनिक्स को संशोधित करना, झूठी सकारात्मकता देना आदि। टीम ने पूर्ण समर्पण के साथ काम किया, जिससे सफलता के परिणाम की उम्मीद थी। लेकिन सभी प्रयासों के बावजूद, कॉस्मिक किरणों और इलेक्ट्रॉनिक्स से पृष्ठभूमि बहुत बढ़िया थी। रिएक्टर के साथ एकत्र किए गए आँकड़ों को चालू करने और बंद करने से संकेत मिलता है कि न्यूट्रीनो इंटरैक्शन हुआ था, लेकिन कोई निश्चितता नहीं थी। फिर भी, पहले परिणाम से प्रेरित वैज्ञानिकों के एक समूह ने आगे के काम के लिए डिटेक्टर को आधुनिक बनाना शुरू किया।

अनुसंधान का दूसरा चरण सवाना नदी रिएक्टर में अवलोकन था। नए डिटेक्टर में पानी के साथ दो टैंक और तरल सिंटिल्टर से भरे तीन सिलेंडर शामिल थे, एक ऐसा पदार्थ जो विकिरण से गुजरता है।



सिद्धांत एक ही रहता है - दो संकेतों से संयोगों को देखने के लिए: पॉज़िट्रॉन एनहिलेशन और न्यूट्रॉन कैप्चर। सवाना नदी में रिएक्टर का विकल्प इस तथ्य के कारण था कि यह एक नया, अधिक शक्तिशाली रिएक्टर था, और इसके अलावा एक भूमिगत ढाल वाला कमरा था, जो ब्रह्मांडीय विकिरण के प्रभाव को काफी कम करता है। परिणाम आने में लंबा नहीं था, केवल कुछ महीनों बाद, जून 1956 में, कई जाँचों के बाद, न्यूट्रिनो इंटरैक्शन के अकाट्य प्रमाण प्राप्त हुए थे। नई भौतिकी का दरवाजा खुला था!

रेंस और कोवान तुरंत अपनी खोज के बारे में पाउली को केबल करते हैं।



इस तरह के टेलीग्राम प्राप्त करने के बाद, पाउली ने दर्शकों की ऐसी महत्वपूर्ण खबरों को पढ़ने के लिए सर्न में बैठक को बाधित किया। और फिर, इस खोज के सम्मान में, वोल्फगैंग और दोस्तों ने शैंपेन का एक डिब्बा पिया। कई साल बाद, कभी नहीं भेजे गए उत्तर का पाठ ज्ञात हुआ:

संदेश के लिए धन्यवाद। सब कुछ उसी को आता है जो इंतजार करना जानता है। पाउली

परिणाम और आगे काम करते हैं

इस परिणाम की स्वतंत्र पुष्टि केवल 8 वर्षों के बाद एक त्वरक प्रयोग में प्राप्त हुई थी। और रिएक्टर प्रयोग की पुनरावृत्ति 20 साल बाद ही की गई थी। वैज्ञानिक समुदाय की उच्च प्रशंसा के बावजूद, पुरस्कार सबसे कमजोर अंतःक्रियात्मक कण के खोजकर्ताओं के सिर पर डालने की जल्दी में नहीं थे। विडंबना यह थी कि 1988 में लेडरमैन, श्वार्ट्ज और स्टाइनबर्गर को न्यूट्रिनो के एक नए प्रकार की खोज के लिए नोबेल पुरस्कार मिला - म्यूऑन, न्यूट्रिनो की मौलिक खोज के लिए, केवल 1995 में पुरस्कार जारी किया गया था और केवल बारिश तक। कोवेन इस बात पर खरा नहीं उतरा।

बाद में बारिश ने अपने शोध को जारी रखा, एक इलेक्ट्रॉन के साथ एक न्यूट्रिनो के संपर्क की संभावना को मापा, एक ड्यूटेरॉन के साथ; पहले "प्राकृतिक" न्युट्रीनो जो कि वायुमंडल में पैदा हुए हैं, को पंजीकृत किया, भौतिकी के इस खंड की कई नींव रखी।

आगे और भी कई आश्चर्यजनक खोजें हुईं: नए प्रकार के न्यूट्रिनो का पंजीकरण, न्यूट्रिनो हेलीकॉप्टर की खोज, न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो का पृथक्करण, दोलनों का अवलोकन, सुपरनोवा विस्फोटों से न्यूट्रिनो का पंजीकरण, सीपी के उल्लंघन की खोज। पहली बार, खगोल भौतिकीविद् न्यूट्रोस की मदद से सटीक रूप से विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अवलोकन के माध्यम से ब्रह्मांड का निरीक्षण करने में सक्षम थे। इस मायावी कण का अध्ययन करने के लिए बड़ी संख्या में शक्तिशाली डिटेक्टरों का निर्माण और निर्माण जारी है

अंत में, मैं कहना चाहता हूं कि हम में से प्रत्येक में बड़ी संख्या में न्यूट्रिनो हैं! हर सेकंड, लगभग 100 बिलियन ऐसे कण पृथ्वी पर एक वर्ग सेंटीमीटर से गुजरते हैं।

सूत्रों का कहना है

1. न्यूट्रिनो भौतिकी के इतिहास पर एक अच्छा, लेकिन पहले से ही बहुत पुराना और बहुत बड़ी संख्या में टाइपोस लेख
2. लॉस अलामोस साइंस नंबर 25 1997
3. फ्रेडरिक रेन्स 1995 नोबेल लेक्चर
4. ढेर सारी अंग्रेजी विकिपीडिया