Bagaimana fisika neutrino dimulai

Baru-baru ini melewati peringatan 61 tahun kelahiran fisika neutrino eksperimental. Pada tanggal bulat, saya terlambat satu tahun, tapi tetap saja. Saya ingin memberi tahu Anda bagaimana salah satu bidang paling menarik dari fisika modern muncul. Semuanya dimulai dengan fakta bahwa untuk memenuhi hukum kekekalan energi dan momentum, sebuah partikel yang secara fundamental tidak terdaftar ditemukan. Kemudian "poltergeist" ini dengan hati-hati dicari, dan dengan cara yang sangat mewah. Hingga ide, untuk meledakkan bom nuklir untuk pendaftaran 2-3 peristiwa, apalagi, detektor monoton jatuh bebas selama beberapa detik.

Maka dimulailah kisah tentang bidang fisika yang sama sekali baru, yang membawa lebih banyak Hadiah Nobel daripada yang lain.

Elektron yang salah

Pada akhir abad ke-19, ketika fisikawan sangat takut bahwa semua hukum yang mungkin sudah terbuka dan profesi kehilangan relevansinya, Becquerel menemukan efek radioaktivitas, memulai era baru dalam fisika. Selama penelitian, efek ini dibagi menjadi tiga jenis: radiasi alfa, beta, dan gamma. Yang pertama adalah aliran inti helium, yang kedua adalah aliran elektron, dan yang ketiga adalah aliran foton. Radioaktivitas sendiri direpresentasikan sebagai transisi atom dari keadaan dengan energi tinggi ke keadaan dengan energi rendah, dan perbedaannya persis sama dengan energi partikel yang dipancarkan.

Semuanya baik-baik saja sampai James Chadwick pada tahun 1914 mengukur energi elektron yang dihasilkan sebagai hasil peluruhan beta. Alih-alih beberapa garis yang jelas, seperti halnya untuk semua jenis radiasi lainnya, ia mengamati spektrum kontinu.



Ini membuat komunitas ilmiah berpikir untuk waktu yang lama dan merevisi fondasi fisika. Einstein, yang mengunjungi lab Chadwick, mengakui bahwa dia tidak tahu bagaimana menjelaskan perilaku ini, Debye menulis tentang ini: "Oh, lebih baik tidak memikirkan semua ini ... sebagai pajak baru." Niels Bohr sendiri melanggar batas suci - hukum kekekalan energi. Selama beberapa tahun, ia yakin bahwa hukum ini dilanggar di microworld dan sedang mengembangkan teori yang tepat.

Gagasan tentang partikel yang "tidak terdaftar"

Setelah hampir 20 tahun pada tahun 1930, Pauli menyarankan bahwa mungkin ada partikel netral yang ringan secara listrik, yang menghilangkan energi yang hilang. Dia menyebut partikel ini sebagai neutron. Dia membentuk proposal dalam sebuah surat kepada Kongres Ilmiah Tubingham (di bawah potongan). Yang patut dicatat adalah banding dari “Bapak-bapak dan Ibu-ibu radioaktif tercinta”, “radioaktif tercinta”, serta alasan mengapa Pak Pauli sendiri tidak menghadiri kongres. Dia punya bola di malam hari. Wanita tidak akan menunggu sampai Anda membuka partikel baru di sini.


Tetapi pada tahun 1932, James Chadwick yang telah disebutkan menemukan sebuah partikel netral dengan massa yang dekat dengan massa proton dan, untuk harmoni, menyebutnya sebagai neutron. Untuk menghindari kebingungan, partikel hipotetis Pauli diberi nama "neutrino" (secara harfiah, "neutron"). Pauli sendiri mengatakan bahwa dia telah membuat kesalahan yang tidak termaafkan bagi ahli teori: dia mengusulkan partikel yang pada dasarnya tidak terdaftar. Dan bahkan berdebat dengan seorang kolega, seorang astronom tentang sebotol sampanye bahwa selama masa hidup mereka, hipotesisnya tidak akan dikonfirmasi. Ke depan, saya akan mengatakan bahwa Pauli kehilangan argumen. Dua tahun sebelum kematiannya, adalah mungkin untuk mengamati sinyal langsung dari neutrino.

Patut dicatat bahwa setelah lebih dari 30 tahun pengamatan, sifat radioaktif tidak benar-benar diketahui. Prosesnya disajikan sebagai berikut: dalam inti atom, sesuatu terjadi di sana, muatannya bertambah satu, massa dikonservasi dan elektron terbang keluar. Itulah sebabnya neutron sendiri ditemukan hanya beberapa dekade setelah mengamati pembusukannya. Pada tahun 1934, Enrico Fermi pertama kali menciptakan teori harmonik peluruhan beta. Dia menggunakan hipotesis Pauli tentang keberadaan neutrino. Sekarang prosesnya adalah sebagai berikut:

$$

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

Teori ini secara brilian bertepatan dengan percobaan untuk satu cacat kecil. Belum ada bukti keberadaan neutrino.

Bukti tidak langsung keberadaan poltergeist

Pencarian untuk partikel yang tidak dikenal dimulai. Teori Fermi memberikan petunjuk yang sangat baik tentang bagaimana menemukan partikel seperti itu. Reaksi peluruhan beta dapat "digulir" ke arah yang berbeda, khususnya, penangkapan anti-neutrino oleh proton dengan pembentukan positron dan neutron dapat dipertimbangkan.



Itu tidak sulit untuk menghitung probabilitas peristiwa seperti itu, tetapi hasilnya sangat membingungkan bagi fisikawan. Agar interaksi terjadi dengan tepat, neutrino harus menempuh jarak 10 juta kali lebih besar daripada jarak dari Matahari ke Bumi dalam timah. Ini memaksa para ilmuwan untuk mundur lama dari pencarian interaksi neutrino dan mencoba mencari bukti tidak langsung.

Bukti tidak langsung pertama diperoleh pada tahun 1936 oleh Alexander Ilyich Leipunsky. Dia mengusulkan, dan segera dia melakukan penelitian tentang reaksi peluruhan isotop karbon:

$$

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

Atom karbon awal diam, jadi jika neutrino tidak ada, maka momentum total atom boron dan positron harus nol. Karena partikel-partikel bunga membawa muatan, tidak sulit untuk mengukur momentum mereka. Percobaan menunjukkan bahwa perluasan atom boron dan positron tidak dikompensasi, yang berarti bahwa partikel tertentu, seperti yang diharapkan, membawa pergi momentum.

Versi kedua percobaan diajukan pada tahun 1938 oleh Alikhanov dan Alikhanian dan diimplementasikan pada tahun 1942 oleh Allen. Idenya adalah untuk mempelajari penangkapan elektron dalam atom berilium:

$$

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

Elektron dari orbital bawah adalah dengan beberapa kemungkinan yang terletak di nukleus itu sendiri dan dapat bereaksi dengan proton untuk membentuk neutrino. Awalnya, atom diam, dan jika sebuah partikel tiba-tiba terbang keluar darinya, atom litium yang dihasilkan harus terbang ke arah yang berlawanan. Pengalaman sekali lagi menunjukkan keberadaan partikel misterius

Dengan cara ini, bukti meyakinkan tentang keberadaan neutrino diperoleh, tetapi deteksi langsung partikel untuk waktu yang lama tetap merupakan tugas yang tidak terpecahkan dan sangat menarik.

Project Poltergeist atau bom yang tidak meledak

Di sini Raines and Cowen muncul di atas panggung. Yang pertama dari mereka selama Perang Dunia Kedua dan setelahnya berpartisipasi aktif dalam pengujian bom nuklir. Jadi dia memiliki ide untuk menggunakan ledakan nuklir sebagai sumber neutrino.




Gagasan awal percobaan itu sangat, sangat tidak biasa. Direncanakan untuk merekam peluruhan beta terbalik, tetapi seperti yang telah disebutkan, peristiwa seperti itu sangat jarang. Untuk meningkatkan kemungkinan interaksi, diperlukan fluks neutrino yang sangat besar dan volume detektor yang sangat besar.

Sebuah bom nuklir dengan kapasitas 20 kiloton ditempatkan di menara 30 meter. Ledakannya berfungsi sebagai sumber sejumlah besar neutrino. Ngomong-ngomong, "Baby", dijatuhkan di Hiroshima, memiliki kekuatan yang sama. Waktu lebih sederhana, demi prospek yang tidak jelas, ada sesuatu yang perlu didaftar untuk meledakkan bom, dan proyek itu mendapat dukungan. Semakin dekat ke episentrum ledakan, semakin kuat fluks neutrino. Tetapi pada saat yang sama, gelombang kejut lebih kuat. Detektor besar yang direncanakan, dengan berat satu ton, tidak bisa menahan guncangan seperti itu. Untuk melindungi instalasi, mereka memutuskan untuk membuangnya ke dalam lubang vakum pada saat ledakan. Kemudian gelombang kejut di tanah tidak akan merusak detektor, dan setelah terbang beberapa detik di jatuh bebas dan mendaftarkan beberapa peristiwa neutrino, itu dengan lembut mendarat di lapisan karet. Beberapa hari kemudian, ketika situasi radiasi di permukaan menjadi aman, mereka berencana untuk menggali detektor dan akhirnya mengetahui rahasia neutrino.
Tidak cocok di kepala saya bagaimana, mengembangkan detektor yang 1000 kali lebih besar dari semua yang ada dalam ukuran, Anda bisa berani mengambil eksperimen yang begitu berani - membuangnya ke tambang di musim gugur yang panjang dan bebas.

Tetapi skema asli tidak ditakdirkan untuk diterapkan. Menjelajahi kemungkinan untuk mengurangi latar belakang dari neutron terbang, sinar gamma dan sinar penetrasi lainnya, tim memutuskan dalam reaksi yang diinginkan

$$

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

daftar tidak hanya positron, tetapi juga neutron. Untuk melakukan ini, mereka berencana menambahkan kadmium ke detektor, yang akan menangkap neutron dan memancarkan foton, yang sudah sangat mudah dideteksi.

$$

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

Masa hidup kadmium isotop 109m hanya puluhan mikrodetik. Dengan demikian, sinyal dari interaksi neutrino memperoleh tanda tangan yang sangat jelas: positron segera dimusnahkan dengan elektron, memancarkan sepasang foton dengan energi yang terdefinisi dengan baik, dan setelah beberapa mikrodetik flash kedua terjadi - hasil penangkapan neutron oleh kadmium dan lagi dengan energi yang terdefinisi dengan baik. Penindasan berulang dari latar belakang memungkinkan untuk menggunakan bom nuklir yang sudah merusak sebagai sumber, tetapi reaktor yang sepenuhnya damai. Selain itu, metode ini memungkinkan pemaparan selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun, memperoleh hasil yang lebih andal.

Setelah mengembangkan konsep, para ilmuwan mulai merancang dan menguji detektor. Pada waktu itu itu adalah instalasi revolusioner. Pada saat itu, volume detektor per liter dianggap "besar", di sini ia direncanakan untuk menggunakan meter kubik target yang dikelilingi oleh 90 photomultipliers . Sebagai perbandingan, eksperimen modern, seperti Super Kamiokande, memiliki volume 50.000 meter kubik dan 13.000 PMT terlihat. Hyper-Kamiokande yang direncanakan adalah 20 kali lebih besar dan menggunakan 100.000 PMT.

Hasil pertama

Pada tahun 1953, sesi kumpulan data di reaktor Hanford dimulai. Proses latar belakang dari partikel lain yang terbang keluar dari reaktor menyebabkan tim banyak masalah. Harus terus-menerus mengubah ratusan ton timah, memodifikasi peralatan sampah, elektronik, memberikan hasil positif palsu dan sebagainya. Tim bekerja dengan dedikasi penuh, berharap hasil terobosan. Namun terlepas dari semua upaya itu, latar belakang dari sinar kosmik dan elektronik terlalu besar. Statistik yang dikumpulkan dengan reaktor dihidupkan dan dimatikan memberi petunjuk bahwa interaksi neutrino memang terjadi, tetapi tidak ada kepastian. Namun demikian, sekelompok ilmuwan, yang terinspirasi oleh hasil pertama, mulai memodernisasi detektor untuk pekerjaan lebih lanjut.

Tahap kedua dari penelitian ini adalah pengamatan di reaktor Sungai Savannah. Detektor baru terdiri dari dua tangki dengan air dan tiga silinder diisi dengan sintilator cair, suatu zat yang bersinar ketika radiasi melewatinya.



Prinsipnya tetap sama - untuk mencari kebetulan dari dua sinyal: pemusnahan positron dan penangkapan neutron. Pilihan reaktor di Sungai Savannah adalah karena fakta bahwa itu adalah reaktor baru yang lebih kuat, dan di samping itu ada ruang terlindung bawah tanah, yang secara signifikan mengurangi efek radiasi kosmik. Hasilnya tidak lama datang, hanya beberapa bulan kemudian, pada Juni 1956, setelah banyak pemeriksaan, bukti tak terbantahkan dari interaksi neutrino diperoleh. Pintu menuju fisika baru terbuka!

Raines dan Cowan segera mengirim Pauli tentang penemuan mereka.



Setelah menerima telegram semacam itu, Pauli menyela pertemuan di CERN untuk membacakan kepada para hadirin berita penting tersebut. Dan kemudian, untuk menghormati penemuan ini, Wolfgang dan teman-temannya minum sekotak sampanye. Bertahun-tahun kemudian, teks dari jawaban yang tidak pernah terkirim menjadi dikenal:

Terima kasih atas pesannya. Semuanya datang kepada orang yang tahu bagaimana harus menunggu. Pauli

Hasil dan pekerjaan lebih lanjut

Konfirmasi independen hasil ini diperoleh hanya setelah 8 tahun dalam percobaan akselerator. Dan pengulangan percobaan reaktor dilakukan hanya setelah 20 tahun. Terlepas dari apresiasi yang tinggi dari komunitas ilmiah, penghargaan itu tidak terburu-buru untuk dituangkan ke kepala para penemu partikel yang paling lemah berinteraksi. Ironisnya adalah bahwa pada tahun 1988 Lederman, Schwartz dan Steinberger menerima Hadiah Nobel untuk penemuan jenis baru neutrino - muon, untuk penemuan mendasar neutrino, hadiah diberikan hanya pada tahun 1995 dan hanya untuk Raines. Cowen tidak hidup sampai titik ini.

Raines kemudian melanjutkan penelitiannya, mengukur probabilitas interaksi neutrino dengan elektron, dengan deuteron; pertama kali mendaftarkan neutrino "alami" yang dilahirkan di atmosfer, meletakkan banyak fondasi bagian fisika ini.

Ada banyak penemuan yang lebih mengejutkan di depan: pendaftaran jenis baru neutrino, penemuan helrino neutrino, pemisahan neutrino dan antineutrino, pengamatan osilasi , pendaftaran neutrino dari ledakan supernova , pencarian pelanggaran CP . Untuk pertama kalinya, ahli astrofisika mampu mengamati alam semesta bukan melalui pengamatan gelombang elektromagnetik tepatnya dengan bantuan neutrino. Sejumlah besar detektor kuat telah dibangun dan terus dibangun untuk mempelajari partikel yang sulit dipahami ini

Sebagai kesimpulan, saya ingin mengatakan bahwa ada sejumlah besar neutrino di dalam diri kita masing-masing! Setiap detik, sekitar 100 miliar partikel seperti itu melewati satu sentimeter persegi di Bumi.

Sumber

1. Yang bagus, tapi sudah sangat ketinggalan zaman dan dengan sejumlah besar artikel salah ketik tentang sejarah fisika neutrino
2. Los Alamos Science Nomor 25 1997
3. Frederick Raines 1995 Nobel Lecture
4. Banyak Wikipedia bahasa Inggris