Обнаружение свободного Н. в процессе обратного b-распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов и больших водородсодержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате b- -распада осколков деления урана испускаются антинейтрино с энергией до 10 Мэв, в среднем 6 частиц на 1 деление. Поток антинейтрино от мощного реактора составляет (вблизи реактора) около 1013 частиц на 1 см2 в 1 сек.
Эксперимент по прямому детектированию ne впервые был осуществлен в 1953 в США Ф. Райнесом и К. Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Регистрировалась реакция (2') на водороде, входящем в состав сцинтилляционной жидкости с добавкой соли кадмия, сильно поглощающего нейтроны. С помощью техники запаздывающих совпадений удалось выделить из фона характерную цепочку событий, вызываемых антинейтрино: позитрон, рождающийся в реакции (2'), аннигилируя с электроном, испускает два g-кванта, которые производят первую сцинтилляционную вспышку; через 5—10 мксек за ней следует вторая вспышка от g-квантов, испущенных ядром кадмия в результате захвата нейтрона, образовавшегося в реакции (2') и замедлившегося в водородсодержащей жидкости. В 1956—59 опыт был повторен в лучших условиях (рис. 1 ). Было получено сечение s = (11 ± 2,6)·10-44 см2 . Теоретическая величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного Н. (см. ниже) равна (10—14)×10-44 см2 . Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного Н.
Основные свойства нейтрино
Нейтрино и антинейтрино. Представление о Н. и антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку Н. не имеет электрического заряда, не исключено, что Н. по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей; такое Н. впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В 1946 Б. М. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения 37 Cl в 37 Ar. Из существования распада 37 Ar (e- , ne )37 CI следует реакция
37 Cl + ne ® 37 Ar + e- . (3)
Если ne и не тождественны, то реакция
аналогичная реакции (3), при облучении 37 Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществленном американским учёным Р. Дейвисом в 1955—56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результат доказывает нетождественность ne и (и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа L e ).
Электронные и мюонные нейтрино. После открытия мюонов, p- и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом Н.:
В 1957 М. А. Марков , Ю. Швингер и К. Нишиджима высказали предположение, что Н., рождающееся в паре с мюоном (nm ), отлично от Н., рождающегося в паре с электроном (nе ). Возможность проверки этих ассоциативных свойств Н. с помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР М. А. Марковым и Б. М. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европейском центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием Н. от распадов
p+ ® m + nm , K+ ® m+ + nm , (4)
происходит только реакция nm + n ® p + m- . Реакция nm + n ® р + e- не была найдена; это означает, что Н. от реакций (4) не рождают электроны. Т. о., было доказано существование двух разных Н. — nm и ne .
В 1964—67 в аналогичных опытах было установлено, что nm при столкновении с ядрами рождает m- и не рождает m+ , т. е. мюонные нейтрино nm и антинейтрино также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число L m .
Спиральность и лептонные числа нейтрино. До открытия несохранения чётности в b-распаде считалось, что Н. описывается волновой функцией, являющейся решением Дирака уравнения , и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) l = —1 /2 — левое (левовинтовое) Н. nл и левое антинейтрино и два с l = + 1 /2 — правое (правовинтовое) Н. nп и правое антинейтрино . Теория Н., предполагающая существование четырёх состояний, называется четырёхкомпонентной, а двух состояний — двухкомпонентной. Примером двухкомпонентного Н. является майорановское Н.
Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания Н. В 1957 Л. Д. Ландау и независимо пакистанский физик А. Салам, а также Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин построили двухкомпонентную теорию спирального Н., в которой Н. имеет только два состояния: Либо nл и , либо nп и , т. е. Н. и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного Н. операция пространственной инверсии Р (операция перехода от правой системы координат к левой) и операция зарядового сопряжения С (переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физического смысла, так как переводит реальное Н. в нефизическое состояние с неправильной спиральностью. Физический смысл имеет только произведение этих операций — так называемая комбинированная инверсия (CP), превращающая реальное Н. nл (nп ) в реальное антинейтрино
с противоположной спиральностью.
В 1958 в Брукхейвене было проведено прямое измерение спиральности электронного Н., испускаемого в процессе 152 Eum (e- ,ne )152 Sm* (рис. 2 ), и найдено, что с вероятностью, близкой к 100%, ne обладает левовинтовой спиральностью. Измерения спиральности мюонных Н. в распадах p+ ® m+ + nm показали, что nm тоже левое. Было также установлено, что и имеют правую спиральность (рис. 3 ).
Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного Н. Доказательством двухкомпонентности Н. являются опыты Райнеса по измерению сечения захвата антинейтрино (см. выше): сечение, в соответствии с двухкомпонентной теорией, оказалось в 2 раза выше, чем рассчитанное по четырёхкомпонентной теории. Хотя все проведённые с Н. опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного Н., теория спирального двухкомпонентного Н. более предпочтительна, так как допускает введение лептонных чисел Le и L m , посредством которых удаётся получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, например m± ® e ± + g, е- + р ® n + p- + m+ , К- ® p+ + е- + m- и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и «экономной», так как из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента Н.
Помимо L e и L m , имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд ).
Масса и магнитный момент нейтрино. Экспериментально невозможно исключить наличие у Н. очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного Н. получена из анализа формы спектра b-электронов трития: m n e £ 60 эв (что почти в 104 раз меньше массы электрона me » 510 кэв ). Для мюонного Н. экспериментальный предел значительно выше: mn m £ 1,2 Мэв. Если масса Н. не строго равна 0, Н. может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, например в реакциях
ne + e- ® ne + e- , nm + p ® p + p° + nm .
Эксперименты по поиску этих реакций дали следующие ограничения на величину магнитного момента:
где mв — магнетон Бора, если