Экспериментальное обнаружение нейтрино Коуэном и Райнесом

В середине XX века существование нейтрино уже было постулировано теоретически. Паули предложил гипотезу о наличии этого нейтрального, почти неуловимого фермиона, чтобы объяснить сохранение энергии, импульса и углового момента в β-распаде. Ферми развил теорию слабого взаимодействия, включив в неё нейтрино, однако долгое время эта частица оставалась исключительно гипотетической. Главная трудность заключалась в том, что нейтрино практически не взаимодействует с веществом, и вероятность его регистрации чрезвычайно мала.

Ключевой идеей стало использование мощных источников антинейтрино, способных производить огромное их количество. Таким источником оказались ядерные реакторы, где в процессе деления тяжёлых ядер возникает интенсивный поток электронных антинейтрино. Именно эта возможность определила направление работ Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна в середине 1950-х годов.

Принцип детектирования

Для регистрации антинейтрино исследователи использовали процесс обратного β-распада:

ν̄_e + p  →  e⁺ + n

Здесь электронное антинейтрино взаимодействует с протоном (водородное ядро), в результате чего рождаются позитрон и нейтрон. Оба продукта реакции поддаются косвенному наблюдению:

• позитрон быстро аннигилирует с электроном среды, что приводит к испусканию двух γ-квантов с энергией около 0,511 МэВ каждый;
• нейтрон, замедлившись в веществе, захватывается ядром (чаще всего кадмия или гадолиния), что сопровождается испусканием более жёстких γ-квантов.

Ключевым моментом являлось совпадение сигналов: сначала регистрация пары аннигиляционных γ-квантов, а спустя характерное время задержки — регистрация захвата нейтрона. Такой «двойной всплеск» позволял надёжно выделять события взаимодействия антинейтрино на фоне случайных шумов.

Экспериментальная установка

Эксперимент был проведён в 1956 году в Национальной лаборатории Саванна-Ривер (США), где работал мощный ядерный реактор.

Основные элементы установки:

• Детектор представлял собой большой бак с жидкостью, содержащей водород (вода, смешанная с кадмиевым раствором для эффективного захвата нейтронов).
• Фотопомножители регистрировали вспышки света (черенковского и сцинтилляционного происхождения), возникающие при прохождении γ-квантов через жидкость.
• Система совпадений анализировала временную последовательность сигналов, выделяя именно те случаи, когда за аннигиляцией следовал захват нейтрона.

Для проверки достоверности регистрации учёные использовали метод «вкл./выкл.» реактора: при выключенном реакторе поток антинейтрино исчезал, и число зарегистрированных событий резко сокращалось.

Результаты эксперимента

После многомесячных измерений Райнес и Коуэн получили убедительные данные: частота наблюдаемых «двойных всплесков» значительно превышала уровень фоновых событий и строго коррелировала с режимом работы реактора. Это было первым экспериментальным подтверждением существования нейтрино.

Количество зафиксированных взаимодействий хорошо согласовывалось с расчётами, основанными на теории слабого взаимодействия Ферми. Таким образом, гипотеза Паули получила окончательное подтверждение, а нейтрино стало полноценным элементом физической картины мира.

Значение открытия

Открытие имело фундаментальные последствия для физики:

• оно подтвердило универсальность законов сохранения в β-распаде;
• дало мощный импульс развитию физики слабых взаимодействий;
• открыло путь к нейтринной астрономии и исследованиям процессов в Солнце и звёздах;
• привело к созданию нейтринных обсерваторий и разработке новых типов детекторов.

За это открытие Фредерик Райнес впоследствии был удостоен Нобелевской премии по физике (1995). К сожалению, Клайд Коуэн к этому времени уже ушёл из жизни и премию не получил.

Ключевые особенности эксперимента

• использование ядерного реактора как мощного источника антинейтрино;
• применение метода обратного β-распада с характерной сигнатурой событий;
• введение техники временных совпадений для подавления фона;
• сравнение статистики при включённом и выключенном реакторе как прямое доказательство.

Эксперимент Райнеса и Коуэна стал одной из самых изящных демонстраций существования частицы, которая до этого считалась «невидимой», и стал началом целого направления нейтринной физики.