Не следует думать, что строительство ядерных реакторов сразу же поставило вопрос о регистрации нейтрино. "В 1946 г. нейтрино рассмат
-ривалось, вообще говоря, как недетектируемые частицы. Многие уважаемые физики придерживались того мнения, что даже сам вопрос о детектировании свободных нейтрино просто бессмысленен (и не только из-за временных трудностей) так же, как, скажем бессмысленен вопрос, бывает ли в сосуде давление, меньшее, чем 10-50 атмосферы", - пишет Б. Понтекорво.

Именно он обратил внимание на "нейтринные возможности" реактора.
Впервые зарегистрировали нейтрино вдали от места его рождения амери- канские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн в опытах 1953-1954 гг., при этом источником нейтрино служил ядерный реактор в Лос-Аламосе.

Хотя погоня за нейтрино началась сразу же после того, как Паули открыл его "на кончике своего пера", ждать результатов пришлось двадцать лет. За это время методы ядерной физики совершенно преобразились.

Были созданы мощные источники нейтринного излучения, появились чувствительные детекторы, содержащие большое количество вещества, экспериментаторам удалось изобрести методы подавления фона. Проблема фона в нейтринной физике стоит очень остро, ведь другие частицы, попадая в нейтринный детектор, тоже регистрируются. Поэтому нужные реакции вполне могут оказаться незамеченными среди массы других процессов. Потребовалась многолетняя работа тля того, чтобы научиться выделять нейтринные события среди фоновых по их специфическим особенностям.

Перед рассмотрением устройства нейтринных детекторов необходимо остановиться на истории появления счетчиков элементарных частиц и проблеме фона при регистрации событий.

- 12 -

Первым детектором элементарных частиц был спинтарископ Крукса. Он представлял собой экранчик из сернистого цинка. При прохождении через экран частицы наблюдается очень слабая вспышка света, причем световое пятнышко столь мало, что его приходиться разглядывать через лупу.

Именно с помощью этого прибора проводил свои опыты Резерфорд.
Он вспоминал, что он не мог выдержать более трех минут наблюдений, потом глаза начинали слезиться от напряжения, и приходилось отдыхать. Чемпионом в лаборатории считался Ганс Гейгер. Однако он пренебрег своим чемпионским званием и, совместно с Мюллером, изобрел газоразрядный счетчик, надолго вытеснивший из практики метод вспышек, названный сцинтилляционным.

В 1944 году Керран и Бейкер использовали для счета сцинтилляций фотоэлектронный умножитель, регистрирующий световые вспышки. Свет от каждой частицы преобразовывался в электрический импульс, и затем их количество подсчитывалось. С этого момента метод сцинтилляций начал свое победное шествие в ядерной физике и физике элементарных частиц.

В 1947 году Кальман заменил экран сернистого цинка прозрачным для собственного излучения кристаллом нафталина. Теперь свет шел не с по- верхности, а из всего объема кристалла. Стало возможным регистрировать не только короткопробежные [pic]- частицы, но и [pic]- и [pic]- излучение.
За короткое время было разработано множество видов сцинтилляторов.

Для регистрации нейтрино, как правило используют жидкие сцинтилл- торы. Поскольку выращивать кристаллы, органические и неорганические, - сложное и дорогое дело. А их требуется очень много. Другое дело жидкости, хотя и с ними было много трудностей. В жидких сцинтилляторах сам растворитель ( толуол, бензол, декалин и т.п.) обычно обладает очень слабыми сцинтилляционными свойствами и в него необходимо ввести специальные добавки - активаторы, которые "перехватывают" энергию от молекул растворителя и эффективно превращают ее в свет.

Отработка таких сложных по составу растворов заняла много времени. Кроме того, все компоненты жидкого сцинтиллятора должны были иметь высочайшую химическую чистоту.

Но кроме трудностей с получением сцинтилляторов существовала еще одна проблема - проблема фона. Точность любого измерения малой актив- ности всегда зависит от того насколько сильно удастся подавить фон.

А чтобы его подавить, необходимо знать природу, свойства фоновых час-

- 13 -

тиц. Можно вспомнить достаточно много случаев, когда неучтенный фон принимался за эффект, которого на самом деле не существовало. Это приводило к ошибочным результатам измерений.

Первая составляющая фона связана с космическим излучением. Оно бы- ло обнаружено по разрядке электроскопов и доставляло множество непри- ятностей физикам, занимавшимся в XIX веке опытами по электричеству.

Неуловимый вредитель стал для физиков верным союзником. До созда- ния ускорителей элементарных частиц космические лучи являлись единс- твенным источником излучения большой энергии. Опыты с ними позволили понять многие закономерности микромира и обнаружить новые элементарные частицы: позитрон, [pic]- и [pic] - мезоны. Интереснейшее явление - космические ливни - были объяснены отечественными физиками Д.В.
Скобельцыным, Л.Д. Ландау, И.Е. Таммом и др.

Потоки частиц из космоса падают на границу земной атмосферы. Те из них, которые обладают достаточной энергией и могут избежать глубокой ловушки - магнитного поля Земли, устремляются к поверхности нашей планеты. И во взаимодействии с ядрами кислорода и азота рождают новые частицы.

При этом в лаборатории регистрируются три компоненты излучения: электроны, позитроны и [pic]- кванты - это мягкая компонента; частицы, ко- торые участвуют в ядерном взаимодействии - нуклоны, [pic]-мезоны - ядерная компонента; наконец, положительные и отрицательные [pic]-мезоны - жесткая компонента. Для устранения каждой из компонент необходима определенная защита. Мягкая - поглощается слоем свинца толщиной в 10-15 см
( пассивная защита). Избавиться от ядерной компоненты труднее – для ее поглощения требуется 2-3 м железа или 15-20 м воды. Поэтому, если представляется такая возможность, детекторы помещают в подземное помещение.
Остаются мюоны больших энергий, глубоко проникающие под землю.

Борьба с ними ведется с помощью активной защиты. Установку стараются окружить, особенно сверху, либо баками с жидкими сцинтиллятором, либо пластинами из сцинтилляционной пластмассы, либо газовыми или черенковскими счетчиками. Мезоны, попавшие в основной детектор, с большой вероятностью проходят через детекторы активной защиты и регистрируются в них. Электронная схема следит за тем, когда импульсы от основного детектора и защитных совпадут по времени, и относит такое событие к фоновым. Полностью подавить мезонный фон не

- 14 -

удается, так как эффективность регистрации активной защиты не может быть
100%, но удается уменьшить его в сотни и тысячи раз.

Вторая компонента фона - естественная радиоактивность. Естественные радиоактивные элементы находятся в рассеянном состоянии во всех материалах установки, защиты, в воздухе и в самих экспериментаторах. В природе существует три семейства элементов, обладающих естественной радиоактивностью: урана-радия, тория и актиния. Каждое семейство - это ряд атомов, претерпевающих последовательный распад и превращающихся в другие элементы, члены ряда. Есть еще отдельные радиоактивные изотопы, создаваемые в атмосфере космическим излучением м не входящие в эти семейства. Наконец, есть очень неприятный для ряда экспериментов изотоп
40К. Больше всего калия содержится в стеклах, в ФЭУ, в сопротивлениях делителя ФЭУ.

Органические сцинтилляторы содержат значительно меньше радиоактив- ных загрязнений, чем неорганические кристаллы. Чаще всего их фон связан с внешней радиацией.

Третий вид фона связан с самим источником нейтрино. При делении осколков урана в активной зоне реактора излучают самые разные частицы. Из них сквозь биологическую защиту проникают быстрые [pic]-кванты и нейтроны.
Если считать, что в защищенных помещениях реактора число быстрых нейтронов в сто раз меньше предельно допустимой для персонала нормы, то вероятность их регистрации в детекторе с органическим сцинтиллятором все еще в миллион раз больше, чем для нейтрино. Это преимущество должно быть скомпенсировано дополнительной защитой. Ведь фон, связанный с работой реактора, - один из самых неприятных. Его нельзя измерить отдельно от эффекта, выключив реактор, как это делается для других видов фона. Он возникает одновременно с нейтрино и поэтому должен быть учтен особенно тщательно.

Как уже отмечалось, впервые зафиксировать нейтрино вдали от места его рождения удалось американским физикам Рейнесу и Коуэну в 1953 году.

Для обнаружения нейтрино, а точнее антинейтрино, была использована реакция [pic] + p [pic] n + e+.

Схема установки представлена на рис.1. Принцип регистрации заклю- чался в следующем. Нейтрино, летящее от реактора, попадает в мишень - пластиковый бак, наполненный двумястами литрами воды. В воде растворена соль кадмия CdCl3. При взаимодействии нейтрино с водородом (р) образуются нейтрон и позитрон. Последний практически мгновенно замед-

- 15 -

ляется, аннигилирует с электроном среды, и два [pic]-кванта, каждый с энергией 0,5 МэВ, разлетаются в противоположные стороны. Мишень была сделана достаточно тонкой, чтобы вылетавшие из нее кванты попадали в баки с жидким сцинтиллятором, установленные по обе стороны от мишени.

Рис. 1. Схема опыта Рейнеса и Коуэна.

А - точка поглощения нейтрино и появления позитрона и нейтрона. В- точка

аннигиляции позитрона, С – точка захвата нейтрона атомом кадмия.

Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняя поверхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света от сцинтилляции собиралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, который "просматривают" бак.
Для выравнивания светового потока, ФЭУ отделены от сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистый растворитель (без сцинтилляционных добавок).

Первое известие о регистрации нейтрино подают одновременно заре- гистрированные в детекторах анигиляционные [pic]-кванты с определенной энергией. Несмотря на то, что детектор был защищен свинцом и бетоном, число фоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени, все еще в десятки раз превышало ожидаемый эффект.

- 16 -

Поэтому пришлось прибегнуть к "услугам" нейтрона. Он быстро замед- ляется в воде - за несколько миллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и был введен в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и в результате этого процесс излучает несколько энергичных [pic]- квантов. Последние, также попадают в сцинтилляционные детекторы и регистрируются.

Теперь нейтринное событие может быть отделено от фона по следующим признакам:

1. В детекторах одновременно возникают импульсы, соответствующие по энергии анигилиционным квантам.

2. Через определенное время в детекторах, тоже одновременно, появ- ляются импульсы, величина которых лежит в заданном диапазоне. Они связаны с захватом нейтрона ядром кадмия.

Определенные энергии, совпадение по времени, задержка между первым и вторым событием - все эти особенности реакции (4) позволили успешно подавить фон и зарегистрировать нейтрино. В эксперименте использовались две водные мишени и между ними три сцинтилляционных детектора. Общая масса установки кроме внешней свинцовой защиты, превышала 10 т, а счет полезных событий составлял всего лишь 1,7 штуки за час, т.е. 40 штук в сутки! Вместе с тем полное число реакций (4) в 400 литрах воды должно было составить около 2000. Такое уменьшение эффекта произошло потому, что в борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино.

Эффективность регистрации нейтрино рассчитывалась и проверялась в контрольных экспериментах. Опытов было проведено очень много. Напри- мер, для определения наиболее опасной компоненты фона - фона от реактора, между активной зоной и установкой помещались массивная дополнительная защита. Потоки всех частиц, кроме нейтрино, ослабляются этой защитой. И если наблюдаемые события все-таки каким-либо образом имитируются ими, то число таких событий уменьшается. Однако величина эффекта осталась на уровне 40 событий в сутки. Эксперимент, вместе с контрольными опытами, длился 2085 часов, т.е. около трех месяцев чистого времени.

Точность опыта была не велика, однако позволила утверждать, что вероятность взаимодействия нейтрино с протоном находиться в согласии с результатами теории Ферми.

В течение 1959-1968 гг. группа физиков во главе с Райнесом уточняла экспериментальные результаты исследования реакции (4). Одновременно с

- 17 -

этим, была начата подготовка к другим опытам с реакторными нейтрино: поиска процесса рассеяния нейтрино на электроне ((e[pic])(e[pic]’) - взаимодействие) и изучения взаимодействия [pic] с ядром атома тяжелого водорода - дейтоном. В первом случае был создан уникальный по чувствительности сцинтилляционный детектор.

После обнаружения нейтрино все сильнее и сильнее в нейтринной фи- зике стала звучать новая тема - возможность рассеяния нейтрино на электроне.

В опубликованной в 1964 году книге академика М.А. Маркова читаем:

"Хотя подобный анализ возможностей, открываемых существованием
((e[pic])(e[pic]’))-взаимодействия, очень напоминает дележ шкуры неубитого медведя, все же обсуждение различных порождаемых взаимодействием эф- фектов эвристически очень ценно.

... Хотим мы этого или не хотим, но тенденции в развитии физики слабых взаимодействий привели к тому, что детектирование пока выдуманного
((e[pic])(e[pic]’))-взаимодействия становится проблемой фундаментальной важности".

Реакция эта выглядит так:

[pic] + е- [pic] [pic]’ + e-, (5)

т.е. ожидается, что налетающее нейтрино рассеивается на электроне, теряя часть своей энергии ([pic]’- означает нейтрино с меньшей энергией, чем
[pic]). Если процесс обратного[pic]- распада (эксперимент Рейнеса и
Коуэна) вытекает из самых общих физических принципов, то о существовании рассеяния нейтрино на электроне заранее известно гораздо меньше. Конечно, очень заманчиво, чтобы по аналогии с электродинамикой слабые силы приводили к своеобразному эффекту Комптона, в котором роль [pic]-кванта играло бы рассеивающееся нейтрино. Тогда открывалась возможность для массы интереснейших процессов (например, рождение электрон-позитронных пар летящим нейтрино), важных для физики элементарных частиц и астрофизики.

Реакция (5) была достоверно обнаружена через двадцать три года после опытов Рейнеса и Коуэна и через четырнадцать после опубликования идеи
Рейнесом. Все эти годы шло создание и усовершенствование детектора, накопление экспериментальных результатов.

- 18 -

Вероятность ((e[pic])(e[pic]’))-рассеяния для реакторных нейтрино в десятки раз меньше, чем вероятность процесса [pic] + р [pic] e+ + n.
Продуктом реакции является электрон отдачи и это не позволяет использовать такую сложную систему отбора полезных событий и подавления фона, как это делалось в опыте Рейнеса и Кроуэна.

Если рассмотреть хорошо защищенный столитровый сцинтилляционный детектор, расположенный в потоке нейтрино 1013 [pic]/см2*с, то число рассеяний нейтрино на электроне составит в нем пять штук за час. А фон в области, где лежит основное число электронов, т.е. от 0,2 до 1,5 МэВ, будет в 100 000 раз больше. Такова количественная оценка трудностей, стоящих перед экспериментаторами.

Райнес предложил следующее. Он считал, что лучше всего использовать для регистрации органический сцинтиллятор, который будет одновременно служить и детектором, и мишенью. Тогда фон будет обусловлен [pic]-лучами из окружающей среды, а не внутренними загрязнениями. Разделение эффекта и фона может быть основано на различии между сигналом от [pic]-квантов и сигналом от электронов отдачи, созданных антинейтрино.

Рис. 2. Схема установки для обнаружения рассеяния нейтрино на электроне

- 19 -

Точнее на различии их пробегов в веществе. Схема центральной части установки, собственно сам детектор нейтрино, изображен на рис.2.

Пластический сцинтиллятор разделен на светоизолированные секции.
Свет от каждой их них через светопровод из иодистого натрия и обычный светопровод попадает на фотоумножитель. Нейтринное событие - это сцинтилляционная вспышка в одной, и только одной, секции, поскольку пробег электрона с энергией в несколько МэВ, с большой вероятностью целиком укладывается в пластическом сцинтилляторе.

Когда в установку попадает [pic]- квант, то он, скорее всего, регистрируется в активной защите из иодистого натрия, который со всех сторон толстым слоем окружает пластик. Понятно, что когда это происходит в боковых охранных кристаллах, то система регистрирует его как фоновый импульс. А если сцинтилляция возникает в одном из светопроводов, то как отличить ее от импульса, вызванного нейтрино? Тогда используется тот факт, что световые импульсы от NaI и от пластического сцинтиллятора по характеру своего спада и нарастания во времени различны. Специальная электронная схема разделяет их и считает первый как фон.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5