САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО
РЕФЕРАТ
Студент: Дорохин А. В.
Группа: МФ-49
Проверил: Абрамович С. Н.
Саров
2002
Введение ........................................................................................................................3
Генерация нейтрино в недрах Солнца .......................................................................4
Проблема солнечных нейтрино ……………………………………………………...5
Эксперименты по обнаружению нейтрино…………………………….…………..11
Подземные детекторы нейтрино................................................................................13
Существует ли проблема солнечных нейтрино........................................................17
Список использованной литературы.......................................................................... 19
ВВЕДЕНИЕ
До начала 30-х годов прошлого столетия никто не подозревал о существовании нейтрино. Они родились на кончике пера швейцарского физика-теоретика В. Паули в 1931 году в трудной и неясной ситуации, царившей в физике в то время. А ситуация была такая: эксперименты показали, что при испускании электронов атомными ядрами либо не соблюдается известный всем закон сохранения энергии, либо куда-то уносится энергия. Чтобы пояснить всю остроту положения, достаточно сказать, что даже сам Н. Бор допускал возможность нарушения закона сохранения энергии в микромире. Однако Паули нашел объяснение этому парадоксу, допустив существование нейтрино – частицы, являющейся, как выяснилось позже, главным действующим лицом во многих ядерных спектаклях, происходящих как на Земле, так и в космосе. Благодаря нейтрино недостаток энергии, обнаруженный в опытах по бета-распаду, легко объяснялся: энергию уносили нейтрино. Тем самым краеугольный камень физики – закон сохранения энергии – был спасен. "Крестным отцом" нейтрино стал известный итальянский физик Э. Ферми: именно он дал новой частице имя, означающее по-итальянски "малая нейтральная частица", "маленький нейтрон". Он же предсказал ряд ее свойств.
Около четверти века нейтрино существовали только в формулах теоретической физики. Впервые их зарегистрировали американские ученые Ф. Райнес и К. Коуэн в экспериментах 1953 – 1956 гг., поместив сложную экспериментальную установку под "град" нейтрино, источником которых был мощный ядерный реактор. Уже первые эксперименты подтвердили свойства этих частиц, предсказанные теорией. Нейтрино перестали быть мифом и теперь являются полноправными элементарными частицами. Бурное развитие техники физического эксперимента за последние несколько десятков лет сделало возможными эксперименты по регистрации нейтрино, рожденных в естественных условиях, возникла новая область науки – нейтринная астрофизика. Первым объектом изучения стало наше Солнце.
Нейтрино обозначается буквой n, является электрически нейтральной частицей со спином 1/2, то есть фермионом. Принадлежит к классу лептонов, то есть, к легким частицам. Возможно, нейтрино имеют нулевую массу. К настоящему времени известно шесть лептонов, три из которых имеют отрицательный заряд: электрон, мюон и t-лептон, и три соответствующих аромата (сорта) нейтрино: электронное ne, мюонное nm и тау-нейтрино nt, а также шесть антилептонов. Выдающийся физик, академик Б. М. Понтекорво теоретически предсказал существование двух сортов нейтрино – “электронных” и ”мюонных”. Очень скоро это предсказание блестяще оправдалось на опыте. Вскоре было открыто также тау-нейтрино. Понтекорво был также первым, кто указал на важность нейтрино для изучения звездных и, в первую очередь, солнечных недр.
Важнейшим отличительным свойством нейтрино является их огромнейшая проникающая способность. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом растет с ростом энергии нейтрино. Общее количество фоновых нейтрино неизвестно, и оно может быть так же велико, как и количество фотонов. Нейтрино образуются при превращениях атомных ядер: в Земле в процессах распадов, в атмосфере при бомбардировке космическими лучами, в Солнце и в звездах.
Регистрируют нейтрино с помощью нейтринных обсерваторий, приборов, расположенных глубоко под землей, в шахтах. Земля не является преградой для нейтрино, но задерживает всевозможные помехи, которые существуют на ее поверхности. То есть, чем глубже находится нейтринный "телескоп", тем меньше посторонние помехи. Хотя радиоактивный фон и фон реликтовых нейтрино существует и глубоко под земной поверхностью.
ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРИНО В НЕДРАХ СОЛНЦА
По существующему представлению, в звездах, подобных Солнцу, синтез ядер гелия из протонов должен происходить с помощью протон-протонного (р-р) или углеродно-азотного (С-N) циклов.
В первой реакции p-p цикла при столкновении двух протонов образуются ядро дейтерия и позитрон. Вероятность этой реакции очень мала, поскольку для совершения процесса требуется выполнение двух крайне редких условий. Во-первых, в момент столкновения протонов энергия одного из них должна быть намного больше средней тепловой энергии, чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания. Таких частиц очень мало. Во-вторых, необходимо, чтобы за короткое время (~10-21с) один из протонов превратился в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон соединяется с протоном с образованием дейтрона, нейтрино покидает звезду, а позитрон аннигилирует с электроном с образованием гамма-квантов, которые поглощаются в звездном веществе. Особое внимание к первой реакции протон-протонного цикла обусловлено тем, что скорость энерговыделения в недрах Солнца задается именно ею, поэтому она определяет и темп жизни Солнца, и особенности процессов, происходящих в глубоких его недрах. Сечение этой реакции столь мало, что в ближайшем будущем вряд ли удастся в лабораторных условиях его измерить. Это сечение вычисляется теоретически.
Дейтрон, возникший в первой реакции, быстро (секунды или доли секунды, в зависимости от температуры) превращается в изотоп 3Не, соединяясь с протоном. Дальнейшее развитие цикла протекает по различным каналам, в зависимости от температуры и химического состава звездного вещества. Установлено, что при Т1 < 15Ä106 К, при 15Ä106 < T2 < 25Ä106 К и при T3 > 25Ä106 К преобладает соответственно один из трех различных вариантов реакций.
Какой бы из циклов ни осуществлялся, конечный итог один: четыре протона превращаются в ядро гелия-4. При этом неизбежно образуются два нейтрино и гамма-кванты, а также два позитрона, которые впоследствии, соединяясь с электронами, тоже дают гамма-излучение. При образовании одного ядра гелия-4 из четырех протонов выделяется энергия 26,7 МэВ, равная разности энергии покоя четырех протонов и энергии покоя ядра 4Не. Эта энергия уносится электромагнитным излучением и нейтрино.
В рассмотренных выше ядерных реакциях возникают гамма-кванты, которые распространяются в солнечном веществе по всем направлениям. На своем пути они взаимодействуют с атомами среды, ионами и электронами. В среднем такое взаимодействие имеет место на пути в 1 см, в то время как радиус Солнца составляет 7Ä1010 см. При каждом столкновении фотоны гибнут, порождая новые. В результате энергия фотонов постепенно уменьшается. Проходят сотни тысяч лет, прежде чем "дальним родственникам" рожденных в недрах Солнца гамма-квантов удается выбраться наружу. Но, к сожалению, они мало чем похожи на своих "предков": в ядерных реакциях рождаются гамма- и рентгеновские кванты, а выходят из Солнца фотоны оптического и ультрафиолетового диапазона. Это излучение никак не отражает свойств среды, в которой первоначально возникли кванты.
Иное дело – нейтрино. Для того чтобы покинуть Солнце, им нужно всего 2 с. Важно и то, что, пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества, нейтрино сохраняют всю ту информацию, какую они получили в термоядерных реакциях. Даже ночью солнечные нейтрино приходят к нам, проходя через толщу Земли, совершенно не замечая ее существования.
Ежесекундно в недрах Солнца сгорает 3,6Ä1038 протонов. Поскольку при превращении четырех протонов в ядро гелия-4 рождаются два нейтрино, в недрах Солнца должны ежесекундно генерироваться 1,8Ä1038 нейтрино. Если теперь эту величину разделить на 4πR2, где R = 150Ä106 км – расстояние от Земли до Солнца, то получим величину полного потока нейтрино на Земле – 6,6Ä1010 нейтрино на 1 см2 в 1 с. Важно отметить, что полный поток солнечных нейтрино слабо зависит от конкретных физических условий, реализуемых в глубоких недрах нашего светила. В то же время потоки отдельных групп нейтрино сильно зависят от состояния вещества в центральной части Солнца. Так, например, при изменении температуры от 12Ä106 до 14Ä106 К поток нейтрино, возникающих от распада 8В, меняется более чем в 15 раз, а поток нейтрино углеродно-азотного цикла – более чем в 10 раз. Это обстоятельство является исключительно важным, так как по мере удаления от центра Солнца скорость генерации нейтрино при распадах 8В, 15N и 15О падает настолько сильно, что их можно не учитывать. Таким образом, измерение даже одного потока нейтрино от распада 8В позволяет судить о температуре в центральной области Солнца.
Согласно последним представлениям, горение водорода в недрах Солнца осуществляется в основном (от 98,4 % до 99,75% по различным данным) через протон-протонный цикл и только ≈1% – через углеродно-азотный цикл. Расчетное значение температуры в центре составляет 15,6Ä106 К, а плотность – 148 г/см3. Нейтрино разных групп отличаются характером спектра, средней энергией, потоком и эффективной областью их генерации. Область генерации термоядерной энергии практически совпадает с областью генерации p-p-нейтрино. Скорость генерации 8В-нейтрино очень сильно зависит от температуры, поэтому поток таких нейтрино является мерилом температуры в центре Солнца. Наиболее растянутой по радиусу является область генерации нейтрино в результате реакции: 3Не + р à 4Не + е+ + nе (так называемое hep-нейтрино). Две особенности являются характерными для этой группы нейтрино. Во-первых, поток этих нейтрино является индикатором концентрации гелия-3, очень хорошего термоядерного горючего. Во-вторых, энергетический спектр нейтрино простирается до высоких энергий: максимальная энергия составляет 18,77 МэВ. Такая особенность открывает уникальную возможность регистрации нейтрино этой группы. Не исключена возможность того, что горение гелия-3 в недрах Солнца является важным источником энергии.
Наблюдения солнечных нейтрино ведутся уже более тридцати лет. Наблюдаемое количество солнечных нейтрино оказалось значительно меньше вычисленного значения.
Основными реакциями, происходящими в недрах Солнца, являются (Stockman, Jan. 12th, 1997):
p + p à d + е+ + n p + p + e à d + n d + p à 3He + g 3He + 3He à p + p + 4He 3He + 4He à 7Be + g 7Be + е- à 7Li + n 7Li + p à 4He + 4He 7Be + p à 8B + g 8B à 8Be* + е+ + n 8Be* à 4He + 4He.
Нейтрино, рождающиеся в этих реакциях, имеют разные энергии. Так p-p нейтрино имеют энергии около 420 кэВ, бериллиевые и борные нейтрино имеют энергии в среднем выше 814 кэВ. Ниже показан спектр нейтрино, рассчитанный ведущими физиками в этой области John Bahcall и Pinsonneault, 1998.
Для регистрации солнечных нейтрино осуществлены несколько нейтринных экспериментов. Каждый эксперимент работает в своем диапазоне энергий нейтрино. Каждый эксперимент откалиброван с помощью нейтрино земного происхождения и должен давать правдоподобный результат. Однако все существующие эксперименты указывают на большой недостаток потока нейтрино. Как будто от Солнца идет лишь 25-60% нейтрино от того количества, которое дает общепринятая теория. Значение нейтринного дефицита сильно зависит от метода работы конкретного нейтринного эксперимента.
В настоящее время имеются четыре серии экспериментальных данных по регистрации различных групп солнечных нейтрино. В течение 30 лет ведутся радиохимические эксперименты на основе реакции 37Cl + n→37Ar + e-. Согласно теории, основной вклад в эту реакцию должны внести нейтрино от распада 8В в редкой ветви протон-протонного цикла. Исследования по прямой регистрации нейтрино от распада 8В с измерением энергии и направления движения нейтрино выполняются в эксперименте KAMIOKANDE с 1987 года. Радиохимические эксперименты по реакции 71Ga + n→71Ge + e- ведутся последние несколько лет двумя группами ученых ряда стран. Важной особенностью этой реакции является ее чувствительность в основном к первой реакции протон-протонного цикла p + p → 2D + e+ + n. Темп этой реакции определяет скорость энерговыделения в термоядерной печи Солнца в реальном масштабе времени.
Во всех экспериментах наблюдается дефицит в потоках солнечных нейтрино по сравнению с предсказаниями Стандартной солнечной модели (ССМ).
В эксперименте KAMIOKANDE установлено, что зарегистрированные нейтрино идут от направления на Солнце и что их энергетический спектр согласуется с предсказаниями теории по спектру нейтрино от распада 8В (8В-нейтрино). Измеренный поток нейтрино составляет (2,7 ± 0,5)Ä106 см-2 с-1. Сравнение этой величины с предсказаниями ССМ показывает, что на опыте имеется двукратный дефицит потока нейтрино. Используя полученную величину потока 8В-нейтрино, можно вычислить скорость реакции для радиохимического эксперимента 37Cl(n, e-) 37Ar. Она оказывается в пределах от 4 до 5 СЕН. В хлорном эксперименте за время функционирования эксперимента KAMIOKANDE для скорости той же реакции было получено значение 4,2 ± 0,12 СЕН. Таким образом, можно заключить, что результаты двух различных по принципу работы экспериментов хорошо согласуются. В "галлиевом" радиохимическом эксперименте основной вклад в скорость реакции должны внести нейтрино от первой реакции протон-протонного цикла (р-р-нейтрино). Согласно теории, вклад р-р-нейтрино составляет 71 СЕН. С учетом всех групп нейтрино полная скорость равна 127 СЕН. По экспериментальным данным, скорость реакции 71Ga + n→71Ge + e- всего 77 ± 10 СЕН, что значительно ниже величины, предсказанной теорией. Таким образом, и в этом эксперименте имеется дефицит нейтрино.
Какова же природа этого дефицита?
Следующим после p-p-нейтрино по вкладу в скорость реакции являются "бериллиевые" – 34 СЕН, далее 8В-нейтрино – 14 СЕН. Вклад нейтрино от углеродно-азотного цикла составляет 10 СЕН. Дефицит 8В нейтрино может иметь температурную природу (поток очень сильно зависит от температуры в центре Солнца: пропорционально Т18) или вызывается пониженной концентрацией 7Ве (в два раза). В первом случае, согласно теории, вклад в галлиевую реакцию бериллиевых нейтрино должен быть 34 СЕН, а во втором случае он будет в два раза меньше. Таким образом, если вычесть из экспериментального значения скорости реакции вклад 8В- и 7Ве-нейтрино, получим от 35 до 55 СЕН на долю p-p-нейтрино и нейтрино от C-N-цикла. Теоретическое значение вклада p-p-нейтрино составляет 71 СЕН, то есть и в этом случае имеется дефицит. Таким образом, существует глобальный дефицит солнечных нейтрино. Такой глобальный дефицит был предсказан в 1970 году Ю.Н. Старбуновым в рамках сформулированной гипотезы о повышенном содержании 3Не в недрах Солнца по сравнению с предсказаниями стандартных моделей Солнца. Были построены модели для различных значений концентрации 3Не и вычислены потоки различных групп нейтрино. Экспериментальные данные по потоку 8В-нейтрино соответствуют весовой концентрации 3Не в области горения водорода 3Ä10-5. Эта величина всего в несколько раз больше предсказания ССМ для центра Солнца – 7,7Ä10-6 и значительно меньше концентрации 3Не в солнечном ветре – 10-4.
Принципиально важно, что указанное значение существенно меньше, чем концентрация 3Не, генерированного за счет реакций водородного горения за время функционирования ядерного котла в недрах Солнца. Весовая концентрация накопленного 3He в центре Солнца составляет 7,7Ä10-6 и по мере удаления от центра растет, достигнув величины 3,3Ä10-3 на расстоянии 0,28 радиуса Солнца. Видно, что приведенное выше значение 3Ä10-5 может быть обеспечено, даже если первичное Солнце вообще не содержало 3Не. Это может быть как в результате диффузии 3Не, так и скачкообразного изменения структуры Солнца. Ясно, что непрерывный рост градиента концентрации 3Не в недрах Солнца не может быть перманентным. Отметим также, что в процессе горения водорода генерируется очень эффективное горючее 3Не, которое должно быть использовано впоследствии. К сожалению, теория не в состоянии предсказать величину градиента, выше которой неизбежно должен быть приток 3Не в центральную область.
Таким образом, если рассмотренный вариант отражает реальность, то должен быть наибольший дефицит нейтринного потока от распада 8В и несколько меньший дефицит потока р-р-нейтрино. Поток 7Ве нейтрино почти не меняется по сравнению с предсказаниями теории ССМ, а поток hер-нейтрино (3He + p → 4He + e+ + nе) несколько возрастает. Все это реально проверяемо экспериментально.
Хотелось бы отметить, что рассмотренные выше загадки связаны с удивительным и интересным изотопом 3He. Изотопы гелия хорошо известны своими нестандартными свойствами. Может оказаться, что в условиях больших давлений и температур (недра Солнца) изотопы гелия преподнесут нам очередной сюрприз.
Страницы: 1, 2
