Свойства нейтрино.

от аль-
фа-распада энергии электронов
не являются определенными, а
лежат в интервале от

0 до энер-
гии Te max ≈ Eβ. Распределение электронов по энергиям при бета-распаде называется бета-спектром. Примерный вид простого бета-спектра (например, при распаде нейтрона) изображен на рисунке.

являются, во-
первых, их плавность (т.е. отсутствие острых пиков),
и, во-вторых, наличие

максимальной энергии Te max,
на которой спектр обрывается. Эти свойства бета-
спектра являются прямым следствием образования
при бета-распаде двух частиц: электрона и нейтрино,
(а не одной, как при альфа-распаде). Поэтому энергия
Eβ распределяется между электроном и нейтрино слу-
чайным образом (часть энергии уносит ядро отдачи,
но эта доля еще меньше, чем при альфа-распаде, из-
за очень большой разницы в массах между электро-
ном и нейтрино с одной стороны и ядром с другой), а
при распаде большого числа одинаковых ядер проис-
ходит статистическое усреднение, что и дает наблю-
даемый непрерывный бета-спектр.

когда почти вся энергия уно-сится нейтрино, а крайняя правая (Te

max ≈ Eβ) - когда почти вся энергия уносится электроном. В настоящее время, когда факт образования ней-трино при бета-распаде надежно установлен, эти свойства бета-спектра выглядят простыми и очевидными. Однако в 20-е го­ды XX века, когда изучение бета-распада только начиналось и о существовании нейтрино ничего не было из-вестно, объяснение непрерывного характера бета-спектра вызвало большие трудности.

пока, наконец, в 1931 году В. Паули не предложил гипотезу об

обра-зовании при бета-распаде неизвестной тогда новой частицы - нейтрино - с очень необычными свойствами. Более 20 лет существование нейтрино оставалось ги-потезой. Прямой опыт по обнаружению нейтрино был осуществлен только в 1953 году.

Во-первых, из закона сохранения за-ряда следует, что электрический заряд нейтри-но

равен нулю. Во-вторых, при бета-распаде массовое число не меняется. Отсюда следует, что характер спина образовавшегося ядра (це-лый или полуцелый) должен сохраниться. Т.к. спин электрона полуцелый (равен 1/2 ћ), то спин нейтрино также должен быть полуцелым, т.е. нейтрино принадлежит к классу ферми-час-тиц. Детальное изучение формы бета-спектра показывает, что спин нейтрино, как и спин элек-трона, равен 1/2 ћ.

через которое оно проле-
тает, следует, что магнитный момент и масса

этой
частицы либо очень малы либо равны нулю. Как в
настоящее время установлено, сечение взаимо-
действия нейтрино с ядром σ ≈ 10-47 м2, поэтому
средний пробег этой частицы в твердом или жид-
ком веществе (n ≈ 1028 м-3) равен
м = 1016 км, (34.1)
т.е. на много порядков больше, чем диаметр Зем-ли. Поэтому вероятность регистрации нейтрино любым детектором разумных размеров (поряд-ка 10 м) ничтожно мала, и, следовательно, об-наружить какой-то эффект от нейтрино можно только при наличии мощных потоков этих частиц (например, от ядерного реактора).

не прямой, а косвенный характер.
В эксперименте использовался радиоактивный
изотоп бериллий-7, который

в результате e-захва-
та превращается в литий-7:


Явление e-захвата отличается от β- и β+-распадов
тем, что при e-захвате из ядра вылетает только
одна частица - нейтрино, и в этом случае нейтри-
но и ядро отдачи должны иметь определенные
значения энергии и импульса, которые легко подс-
читать.

ультрарелятивистским соотношением
E = pc,
т.к. масса покоя нейтрино близка к нулю,

а кинетическая энергия ядра отдачи связа-на с импульсом нерелятивистской форму-лой).

в массах меж-ду нейтрино и ядром отдачи почти всю энергию

EK, выделяющуюся при e-захвате, уносит нейт-рино:

Тогда (34.4)

Кинетическую энергию ядра отдачи можно изме-рить непосредственно, причем, как показывает формула (34.4), в эксперименте выгодно ис-пользовать легкие ядра.

платиновую пластинку,
на которую был нанесен тонкий
слой бериллия-7. Энергия EK, вы-
деляющаяся

в процессе e-захвата, равна:
EK = Eсв(7Li3) - Eсв(7Be4) + mp - mn + me = 0.86 Мэв.
Зная EK, по формуле (34.4) легко вычислить кине-
тическую энергию ядра лития: получается 57 эв.
Этой энергии достаточно для того, чтобы ион ли-
тия вылетел из пластинки; его надо зарегистриро-
вать и измерить его энергию. Для этого в опыте
Аллена использовалась система из двух сеток С1
и С2 и детектор (счетчик Гейгера).

В, между сетками
С1 и С2 - переменный задерживающий потенциал,
а между

сеткой С2 и детектором - ускоряющий по-
тенциал 3.6 кВ. Ионы лития втягивались сеткой С1
в пространство между сетками, тормозились в
этом пространстве, а те ионы, которым хватало
энергии преодолеть задерживающий потенциал
между сетками, пролетали сквозь сетку С2 и ре-
гистрировались детектором. Анализируя зависи-
мость скорости счета детектора от задерживаю-
щего потенциала между сетками, можно опреде-
лить максимальную энергию ядер лития; она ока-
залась равной 56.6 ± 1 эв, что очень хорошо сог-
ласуется с теоретической оценкой 57 эв.

Ф.Рейнесом и К.Коуэном (Rei-
nes F., Cowan C., США), после того,

как были постро-
ены ядерные реакторы, являющиеся мощными ис-
точниками нейтрино. Поток антинейтрино составляет
(вблизи реактора за толстой стеной, защищающей от
нейтронов и гамма-квантов, но легко проницаемой
для нейтрино) примерно 1019 частиц на 1см2 в секун-
ду. В эксперименте Рейнеса и Коуэна регистрирова-
лась реакция
(34.5)
которую можно рассматривать как реакцию, обрат-
ную распаду нейтрона. (Эта реакция возможна, если
энергия антинейтрино превышает 1.8 Мэв - на эту
величину масса нейтрона и позитрона превышает
массу протона).

(ФЭУ), 4 - элек-тронная аппаратура, 5 - двухлучевой осциллограф 6

- свинцово-парафиновый экран.

жидким сцинтиллято-
ром с высоким содержани-
ем водорода и обогащен-
ные водным раствором
соли

кадмия CdCl2. Для
защиты от нейтронного и гамма-излучения уста-
новка была заключена в свинцово-парафиновый
экран 6 и помещена глубоко под землю; там она и
облучалась потоком антинейтрино от ядерного
реактора.

аннигилиро-
вал с электроном с обра-
зованием двух гамма-
квантов, которые регист-
рировались ФЭУ,

вклю-
ченными в схему совпадений (два нижних ФЭУ на
рисунке). Нейтрон, возникавший в той же реакции,
замедлялся в результате столкновений с протона-
ми и примерно через 10 мксек поглощался кадми-
ем с испусканием гамма-квантов, которые также
регистрировались ФЭУ.

вход двухлучевого осциллог-
рафа 5. Критерием было появление двух скорре-
лированных импульсов,

сдвинутых по времени на
~10 мксек (время движения нейтрона). Бак-детек-
тор 2, включенный на антисовпадения с детекто-
ром 1, предназначался для регистрации (и отсече-
ния) фона космических лучей, которые могли про-
никнуть сквозь экран 6. В процессе длительной
(около 1400 часов, т.е. около полугода) работы ус-
тановки регистрировались примерно 3 события в
час. Для повышения точности была проведена се-
рия калибровочных измерений.

не очевидно, что у нейтрино есть анти-частица. Проверить это можно

только экспери-ментально. Идея опыта заключается в следую-щем. Известно, что изотоп аргон-37 является бета-радиоактивным: он испытывает e-захват с периодом полураспада ок. 35 суток:
37Ar18 + e– → 37Cl17 + νe. (34.6)

Если нейтрино и антинейтрино тождественны, тогда при облу-чении мишени, содержащей

ядра хлора-37 как потоком нейтрино, так и потоком антинейтрино возможна обратная реакция - образование ядер аргона-37:
νe + 37Cl17 → 37Ar18 + e– (34.7)
Опыт был впервые поставлен Девисом (Davis R., 1955 г), а затем повторен в 1956, 1957 и 1959 гг с последовательным улучшением точности экс-перимента.

000л. В ре-
зультате было обнаружено, что реакция (34.7) под
действием нейтрино

действительно идет, а анало-
гичная реакция под действием антинейтрино:
νe + 37Cl17 37Ar18 + e– (34.8)
не наблюдается. Различие между нейтрино и ан-
тинейтрино выражается сохраняющимся лептон-
ным зарядом Le. У нейтрино, так же как у электро-
на, заряд Le = +1, у антинейтрино и у позитрона, Le
= –1. Поэтому при электронном распаде вместе с
электроном рождается антинейтрино, а при позит-
ронном - нейтрино, так что суммарный заряд Le
остается равным нулю. При электронном захвате
исчезает электрон и рождается нейтрино, поэтому
заряд Le остается равным 1.

называется знак проекции спина частицы
на направление ее импульса: спиральность назы-
вается

положительной (или правовинтовой), если
эта проекция положительна. Гольдхабер (Goldha-
ber M., 1958 г.) экспериментально обнаружил, что
спиральность нейтрино отрицательна (спин нап-
равлен противоположно импульсу), а спираль-
ность антинейтрино положительна (спин направ-
лен по импульсу).

нейтрино
антинейтрино

e– +νe + νμ
Тау-лептон и тау-нейтрино: Перл (Perl M.), 1975г:
e–

+ e+ → τ– + τ+
τ+ → μ+ + νμ +ντ
τ– → μ– +νμ + ντ

νe ≠νμ)
Мюонное нейтрино образуется при распаде:

≤ mν ≤ 46 эв
Современные оценки
масс нейтрино:
mνe < 3 эв,
mνμ

< 0.19 Мэв,
mντ < 18.2 Мэв.

νe , Eν = 0.42 Мэв
(водородные нейтрино),
7Be4 + e– →

7Li3 + νe , Eν = 0.861 Мэв
(бериллиевые нейтрино),
8B5 → 8Be4 + e+ + νe , Eν = 14.06 Мэв
(борные нейтрино).
Каждую секунду Солнце испускает 1.8⋅1038 элект-ронных нейтрино. Плотность потока Солнечных нейтрино на Земле:
водородные нейтрино: 6.01⋅1010 частиц/см2⋅с,
бериллиевые нейтрино: 0.47⋅1010 частиц/см2⋅с,
борные нейтрино: 5.81⋅106 частиц/см2⋅с.

+ 37Cl17 → 37Ar18 + e–
(37Ar18 + e– → 37Cl17

+ νe ).

Опыты М.Кошиба (с 1987 г):
Упругое рассеяние нейтрино на атомарных электронах (электрон, двигаясь в воде со сверхсветовой скоростью, вызывает излучение Вавилова-Черенкова, регистрируемое фотоумножителями).

1991 г):
νe + 71Ga31 → 71Ge32 + e–
(71Ge32 + e–

→ 71Ga31 + νe).

Опыты в Садбери (Канада) (с 1999 г):
νe + n → p + e–.