Como a física de neutrinos começou

Recentemente, passou o 61º aniversário do nascimento da física experimental de neutrinos. Na data da rodada, eu estava atrasado um ano, mas ainda assim. Quero lhe contar como uma das áreas mais interessantes da física moderna apareceu. Tudo começou com o fato de que, para cumprir as leis de conservação de energia e momento, uma partícula fundamentalmente não registrada foi inventada. Então este "poltergeist" foi cuidadosamente pesquisado, e de uma maneira muito extravagante. Até idéias, detonar bombas nucleares para o registro de 2 a 3 eventos, além disso, um detector monótono caindo livremente por alguns segundos.

Assim começou a história de um campo completamente novo na física, que trouxe mais prêmios Nobel do que qualquer outro.

Elétrons errados

No final do século XIX, quando os físicos estavam com muito medo de que todas as leis possíveis já estivessem abertas e a profissão estivesse perdendo relevância, Becquerel descobriu o efeito da radioatividade, iniciando uma nova era na física. Durante o estudo, esse efeito foi dividido em três tipos: radiação alfa, beta e gama. O primeiro era um fluxo de núcleos de hélio, o segundo, um fluxo de elétrons, e o terceiro, um fluxo de fótons. A própria radioatividade foi representada como a transição de um átomo de um estado com alta energia para um estado com baixa energia, e a diferença era exatamente igual à energia da partícula emitida.

Tudo estava bem até James Chadwick, em 1914, medir a energia dos elétrons produzidos como resultado do decaimento beta. Em vez de várias linhas claras, como foi o caso de todos os outros tipos de radiação, ele observou um espectro contínuo.



Isso fez a comunidade científica pensar por um longo tempo e revisar os próprios fundamentos da física. Einstein, visitando o laboratório de Chadwick, admitiu que não tem idéia de como explicar esse comportamento, Debye escreveu sobre isso: "Oh, é melhor não pensar em tudo isso ... como novos impostos". O próprio Niels Bohr invadiu o santo dos santos - a lei da conservação de energia. Por vários anos, ele teve certeza de que essa lei estava sendo violada no microworld e estava desenvolvendo uma teoria apropriada.

A ideia de uma partícula "não registrada"

Após quase 20 anos em 1930, Pauli sugeriu que poderia haver uma partícula eletricamente neutra leve, que retira a energia que faltava. Ele chamou essa partícula de nêutron. Ele formou sua proposta em uma carta ao Congresso Científico de Tubingham (abaixo do corte). Destacam-se os apelos de “Prezadas senhoras e senhores radioativos”, “prezados radioativos”, bem como a razão pela qual o próprio Pauli não compareceu ao congresso. Ele teve uma bola à noite. As mulheres não vão esperar até você abrir uma nova partícula aqui.


Mas em 1932, o já mencionado James Chadwick descobriu uma partícula neutra com uma massa próxima à massa de um próton e, por harmonia, chamou de nêutron. Para evitar confusão, a partícula hipotética Pauli recebeu o nome "neutrino" (literalmente, "nêutron"). O próprio Pauli disse que havia cometido um erro imperdoável para o teórico: ele propôs uma partícula fundamentalmente não registrada. E até argumentou com um colega um astrônomo em uma garrafa de champanhe que, durante a vida, sua hipótese não seria confirmada. Olhando para o futuro, direi que Pauli perdeu a discussão. Dois anos antes de sua morte, foi possível observar o sinal diretamente do neutrino.

Vale ressaltar que, após mais de 30 anos de observação, a natureza da radioatividade não era realmente conhecida. O processo foi apresentado da seguinte forma: no núcleo de um átomo, algo acontece lá, a carga aumenta em um, a massa é conservada e o elétron voa para fora. É por isso que o nêutron em si foi descoberto apenas décadas depois de observar sua decaimento. Em 1934, Enrico Fermi criou pela primeira vez uma teoria harmoniosa do decaimento beta. Ele usa a hipótese de Pauli da existência de um neutrino. Agora, o processo é o seguinte:

$$

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

A teoria coincidiu brilhantemente com o experimento de uma pequena falha. Ainda não há nenhuma evidência da existência de um neutrino.

Evidência indireta da existência de poltergeist

A busca por uma partícula desconhecida começou. A teoria de Fermi deu boas pistas sobre como encontrar uma partícula dessas. A reação de decaimento beta pode ser "rolada" em diferentes direções, em particular a captura de um antineutrino por um próton com a formação de um pósitron e um nêutron.



Não foi difícil calcular a probabilidade de um evento como esse, mas o resultado foi muito intrigante para os físicos. Para que a interação ocorra exatamente, o neutrino deve percorrer uma distância 10 milhões de vezes maior que a distância do Sol à Terra em chumbo. Isso forçou os cientistas a se afastarem por um longo tempo da busca por interações com neutrinos e a procurar evidências indiretas.

A primeira evidência indireta foi obtida já em 1936 por Alexander Ilyich Leipunsky. Ele propôs e logo realizou estudos da reação de decaimento de um isótopo de carbono:

$$

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

O átomo de carbono inicial está em repouso; portanto, se o neutrino não existir, o momento total do átomo de boro e do pósitron deve ser zero. Como as partículas de interesse carregam uma carga, não foi difícil mensurar sua momento. O experimento mostrou que a expansão dos átomos de boro e pósitron não é compensada, o que significa que uma determinada partícula, como esperado, retira o impulso.

A segunda versão do experimento foi proposta em 1938 por Alikhanov e Alikhanian e implementada em 1942 por Allen. A idéia era estudar a captura de elétrons no átomo de berílio:

$$

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

Um elétron do orbital inferior tem alguma probabilidade localizada no próprio núcleo e pode reagir com um próton para formar um neutrino. Inicialmente, o átomo está em repouso e, se uma partícula repentinamente sair, o átomo de lítio resultante deve voar na direção oposta. A experiência demonstrou mais uma vez a existência de uma partícula misteriosa

Dessa maneira, foram obtidas evidências convincentes da existência de um neutrino, mas a detecção direta de uma partícula por um longo tempo permaneceu uma tarefa não resolvida e muito emocionante.

Projeto Poltergeist ou uma bomba não explodida

Aqui Raines e Cowen aparecem no palco. O primeiro deles durante a Segunda Guerra Mundial e depois participou ativamente dos testes de bombas nucleares. Então ele tem a ideia de usar uma explosão nuclear como fonte de neutrinos.




A ideia inicial do experimento foi muito, muito incomum. Foi planejado gravar decaimento beta reverso, mas como já mencionado, esses eventos são extremamente raros. Para aumentar a probabilidade de interação, são necessários um fluxo muito grande de neutrinos e um enorme volume de detector.

Uma bomba nuclear com capacidade de 20 quilotons foi colocada em uma torre de 30 metros. Sua explosão foi para servir como fonte de um grande número de neutrinos. A propósito, "Baby", lançado em Hiroshima, tinha o mesmo poder. Os tempos eram mais simples, por uma vaga perspectiva, havia algo a registrar para detonar bombas, e o projeto recebeu apoio. Quanto mais próximo do epicentro da explosão, mais forte é o fluxo de neutrinos. Mas, ao mesmo tempo, uma onda de choque é mais forte. O enorme detector planejado, pesando uma tonelada, simplesmente não conseguiu resistir a tais choques. Para proteger a instalação, eles decidiram despejá-la em um poço de vácuo no momento da explosão. Então a onda de choque no solo não danificará o detector e, depois de voar alguns segundos em queda livre e registrar vários eventos de neutrinos, aterrissará suavemente em um revestimento de borracha. Alguns dias depois, quando a situação de radiação na superfície se torna segura, eles planejavam desenterrar o detector e finalmente descobrir o segredo do neutrino.
Não me parece que, ao desenvolver um detector 1000 vezes maior que todos os existentes, você pode ousar fazer um experimento tão ousado - jogá-lo em uma mina em uma queda livre longa.

Mas o esquema original não estava destinado a ser implementado. Explorando as possibilidades de reduzir o fundo dos nêutrons voadores, raios gama e outros raios penetrantes, a equipe decide a reação desejada

$$

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

registrar não apenas pósitrons, mas também nêutrons. Para isso, planejaram adicionar cádmio ao detector, que capturará nêutrons e emitirá fótons, que já são muito fáceis de detectar.

$$

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

A vida útil do isótopo de cádmio 109m é de apenas dezenas de microssegundos. Assim, o sinal da interação neutrino adquire uma assinatura muito clara: o pósitron quase imediatamente aniquila o elétron, emitindo um par de fótons com uma energia bem definida e, após alguns microssegundos, um segundo flash ocorre - o resultado da captura de nêutrons pelo cádmio e novamente com uma energia bem definida. A supressão repetida dos antecedentes tornou possível usar a bomba nuclear já destrutiva como fonte, mas um reator completamente pacífico. Além disso, esse método permite a exposição por meses e anos, obtendo resultados cada vez mais confiáveis.

Depois de desenvolver o conceito, os cientistas começaram a projetar e testar o detector. Naquela época, era uma instalação revolucionária. Naquela época, o volume do detector por litro era considerado “grande”; aqui estava planejado o uso de um metro cúbico do alvo cercado por 90 fotomultiplicadores . Para comparação, experimentos modernos, como o Super Kamiokande, têm um volume de 50.000 metros cúbicos e 13.000 PMTs são visíveis. O Hyper-Kamiokande planejado é 20 vezes maior e usa 100.000 PMTs.

Primeiro resultado

Em 1953, uma sessão de conjunto de dados no reator Hanford começou. Processos em segundo plano de outras partículas que saem do reator causaram muitos problemas à equipe. Tive que girar constantemente centenas de toneladas de chumbo, modificar equipamentos de lixo eletrônico, eletrônicos, dar falsos positivos e assim por diante. A equipe trabalhou com total dedicação, esperando um resultado inovador. Mas, apesar de todos os esforços, o fundo dos raios cósmicos e da eletrônica era muito grande. As estatísticas coletadas com o reator ligado e desligado deram uma pista de que ocorreram interações de neutrinos, mas não havia certeza. No entanto, um grupo de cientistas, inspirado no primeiro resultado, começou a modernizar o detector para mais trabalhos.

A segunda etapa da pesquisa foi a observação no reator do rio Savannah. O novo detector consistia em dois tanques com água e três cilindros cheios de um cintilador líquido, uma substância que brilha quando a radiação passa por ele.



O princípio permanece o mesmo - procurar coincidências de dois sinais: aniquilação de pósitrons e captura de nêutrons. A escolha do reator no rio Savannah deveu-se ao fato de ser um reator novo e mais potente, além de haver uma sala subterrânea protegida, reduzindo significativamente o efeito da radiação cósmica. O resultado não demorou a chegar, apenas alguns meses depois, em junho de 1956, após inúmeras verificações, evidências irrefutáveis ​​de interações de neutrinos foram obtidas. A porta para a nova física estava aberta!

Raines e Cowan imediatamente transmitem a Pauli sua descoberta.



Tendo recebido esse telegrama, Pauli interrompeu a reunião no CERN para ler ao público notícias tão importantes. E então, em homenagem a essa descoberta, Wolfgang e seus amigos beberam uma caixa de champanhe. Muitos anos depois, o texto da resposta nunca enviada ficou conhecido:

Obrigado pela mensagem. Tudo chega para quem sabe esperar. Pauli

Resultados e trabalho adicional

A confirmação independente desse resultado foi obtida somente após 8 anos em um experimento com acelerador. E a repetição do experimento do reator foi realizada somente após 20 anos. Apesar da grande valorização da comunidade científica, os prêmios não tiveram pressa de cair na cabeça dos descobridores da partícula mais fraca que interagia. A ironia foi que, em 1988, Lederman, Schwartz e Steinberger receberam o Prêmio Nobel pela descoberta de um novo tipo de neutrino - o múon, pela descoberta fundamental do próprio neutrino, o prêmio foi concedido apenas em 1995 e apenas a Raines. Cowen não fez jus a esse ponto.

Raines posteriormente continuou sua pesquisa, mediu a probabilidade de interação de um neutrino com um elétron, com um deuteron; Os primeiros neutrinos "naturais" registrados que nascem na atmosfera lançaram muitos dos fundamentos desta seção da física.

Havia muitas descobertas mais surpreendentes pela frente: registro de novos tipos de neutrinos, descoberta de helicópteros neutrinos, separação de neutrinos e antineutrinos, observação de oscilações , registro de neutrinos de explosões de supernovas , buscas por violação de CP . Pela primeira vez, os astrofísicos conseguiram observar o Universo não através da observação de ondas eletromagnéticas precisamente com a ajuda de neutrinos. Um grande número de detectores poderosos foi construído e continua sendo construído para estudar essa partícula indescritível

Concluindo, quero dizer que existe um grande número de neutrinos em cada um de nós! A cada segundo, cerca de 100 bilhões de partículas passam por um centímetro quadrado na Terra.

Fontes

1. Um artigo bom, mas já muito desatualizado e com um grande número de erros de digitação sobre a história da física de neutrinos
2. Ciência Los Alamos Número 25 1997
3. Frederick Raines 1995 Palestra Nobel
4. Muita Wikipedia em inglês