Большая Советская Энциклопедия (НЕ)

Для неупругих процессов ситуация более сложная. М. А. Марков высказал предположение, что полное сечение взаимодействия Н. с нуклоном, несмотря на «обрезание» сечения в каждом отдельном канале реакции, должно расти линейно с возрастанием энергии (в л. с.) из-за неограниченного роста числа возможных каналов. В рамках определённых предположений это было доказано американскими учёными С. Адлером и Дж. Бьёрксном. Как показал Р. Фейнман, такая зависимость сечения от энергии возможна, если нуклон представляет собой облако точечных частиц («партонов»). Измерения, проведённые в ЦЕРНе, согласуются с линейным ростом полного сечения в области E_n = 1—10 Гэв: s_n = (0,69 ± 0,05)·10^{– 38} E_nсм² (в формуле энергия E_n , выражена в Гэв). Получены также данные в опытах с Н. космических лучей при энергии 10—100 Гэв: s_n = (0,55 ± 0,15)·10^{– 38}E_nсм² . Первые результаты, полученные в Национальной ускорительной лаборатории США (Батавия), не противоречат линейному росту сечения до E_n ~40 Гэв. Т. о., все данные согласуются с линейным ростом полного сечения взаимодействия Н. с нуклоном при E_n lb 100 Гэв. Высказывалось предположение, что сечение может линейно расти с энергией вплоть до геометрических размеров нуклона (~ 10^{– 26}см² ).

Существует теория, отличная от теории Ферми, в которой слабое взаимодействие осуществляется за счёт обмена так называемым промежуточным бозоном. В этой теории сечение взаимодействия Н. как с лептонами, так и с адронами должно «обрезаться» при высоких энергиях, причём энергия «обрезания» определяется массой промежуточного бозона.

В 1973 впервые (ЦЕРН) в пузырьковой камере наблюдалось около сотни случаев взаимодействия n_m и

 с ядрами с рождением адронов без образования мюонов, а также (1974) несколько случаев рассеяния

 на электроне. Это, по-видимому, свидетельствует о существовании нового типа взаимодействия Н. с адронами и лептонами через так называемые нейтральные токи. Существование подобных взаимодействий вытекает, в частности, из объединённой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (см. Слабые взаимодействия ).

Во всех перечисленных выше экспериментах Н. выступает в роли инструмента исследования структуры элементарных частиц.

Естественные источники нейтрино

Естественная радиоактивность. Любое космическое тело, в том числе Земля, содержит значительное количество радиоактивных элементов и является источником Н. Регистрация антинейтрино от Земли в принципе возможна, однако методы регистрации ещё не разработаны.

Столкновение протонов космических лучей с газом и реликтовыми фотонами может приводить к рождению заряженных p-мезонов, распад которых сопровождается испусканием Н. (или антинейтрино). В этом механизме возможна генерация Н. с энергиями вплоть до Е_n = 10²⁰ эв. Источником таких Н. является атмосфера Земли, а также ядро и диск Галактики, где сосредоточена основная масса межзвёздного газа. Н. от столкновения протонов сверхвысоких энергий с реликтовыми фотонами испускаются во всём мировом пространстве. Существует гипотеза, что Н. сверхвысоких энергий являются причиной сверхмощных широких атмосферных ливней (см. Космические лучи ).

Атмосфера Земли — пока единственный естественный источник, от которого удалось зарегистрировать Н. Рождаются Н. в верхних слоях атмосферы, где генерируется наибольшее число p- и К-мезонов. Впервые идея экспериментов с Н. космических лучей была высказана М. А. Марковым (1960). Было предложено регистрировать глубоко под землёй мюоны с энергией 10—100 Гэв от реакции n_m + n ® р + m^– (**). Регистрируя мюоны из нижней полусферы Земли и под большими зенитными углами, можно избавиться от фона атмосферных мюонов и иметь чистые нейтринные события (**). Первые результаты получены в Индии и в Южной Африке в 1965 с помощью специальных нейтринных телескопов (рис. 4 ). К 1973 мировая статистика насчитывала свыше сотни нейтринных событий.

Реакции термоядерного синтеза химических элементов — основной механизм генерации Н. в недрах Солнца и большей части звёзд (в период их «ядерной» эволюции).

Сверхгорячаяплазма служит источником Н. в звёздах на завершающих этапах эволюции, а также в модели горячей Вселенной в первые доли секунды её возникновения. Возможны два вида генерации Н. Первый связан с реакциями взаимного превращения нуклонов

(так называемый урка-процесс) и может идти как на связанных нуклонах ядер при температурах Т ~ 10⁹ К, так и на свободных нуклонах при Т ³ 10¹⁰ К. Второй способ, чисто лептонный, связан с реакциями типа

а также с реакциями

(фоторождение Н.),

(нейтринная аннигиляция электрон-позитронных пар) и др., которые происходят, если существует гипотетическое рассеяние n_e + е ® n_e + e (предсказываемое теорией Ферми). Пока не удалось доказать существование n_e + е ® n_e + е — рассеяния лабораторными методами (на Н. от реакторов и ускорителей); считается, что астрофизические данные свидетельствуют в пользу существования такого процесса.

Реликтовые Н. Согласно модели горячей Вселенной, Н., испущенные в момент её возникновения, испытывают сильное красное смещение при космологическом расширении Вселенной. Такие реликтовые Н. заполняют всё мировое пространство. В наиболее реалистическом варианте модели горячей Вселенной число мюонных и электронных Н. и антинейтрино одинаково и составляет ~ 200 частиц/см³ , а средняя энергия Н. — (2—3)x10^{– 4} эв, что соответствует температуре нейтринного газа 2—3 К. Для понимания механизма развития Вселенной очень важно экспериментально установить наличие реликтовых Н. и измерить температуру нейтринного газа.

В рамках модели горячей Вселенной удаётся получить наилучшую оценку для массы мюонного Н. Согласно космологическим данным, плотность материи в расширяющейся Вселенной не может превышать 10^{– 28}г/см³ ; отсюда следует, что максимально возможная масса мюонного Н. составляет ~ 300 эв (т. е. значительно ниже верхнего предела, установленного лабораторными методами).

Нейтронизация вещества, т. е. превращение протонов в нейтроны по схеме р + е^– ® n + n_e , может служить мощным источником Н., когда звезда по каким-либо причинам теряет гравитационную устойчивость и коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду . При этом огромное число Н., равное по порядку величины числу протонов в звезде (~ 10⁵⁷ ), испускается за сотые доли сек. Если коллапсирует горячая звезда, нейтронизация происходит совместно с процессами, характерными для горячей плазмы. Такая ситуация возможна при взрывах сверхновых и при коллапсе гравитационном .

О возможности регистрации Н. от Солнца и др. звёзд см. Нейтринная астрономия .

Развитие науки о Н. за последние четверть века убедительно доказало, что Н. из гипотетической частицы превратилось в мощный инструмент исследования микро- и макромира.

Лит.: Аллен Дж., Нейтрино, пер. с англ., М., 1960; Алиханов А. И., Слабые взаимодействия. Новейшие исследования b-распада, М., 1960; Теоретическая физика 20 века, М., 1962; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Понтекорво Б. М., Нейтрино и его роль в астрофизике, «Успехи физических наук», 1963, т. 79, в. 1, с. 3; Марков М. А., Нейтрино, М., 1964; Железных И. М., Подземные нейтринные эксперименты, «Успехи физических наук». 1966, т. 89, в. 3, с. 513; Ли Ц. и Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Березинский В. С., Нейтрино, М., 1973.

Г. Т. Зацепим, Ю. С. Копысов.

Рис. 1. Схема опыта Ф. Райнеса и К. Коуэна (1958) на реакторе в Саванна-Ривер, США: 1 — жидкий сцинтилляционный детектор (1400 л ) для регистрации антинейтрино; 2 — сцинтилляционный детектор для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1; 3 — две группы фотоумножителей, включенные на совпадение; 4 — электронная аппаратура; 5 — двухлучевой осциллограф; 6 — свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков М. Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Суньяра по измерению спиральности нейтрино. Радиоактивный препарат ¹⁵² E^um (J^p = 0^– ) 1 (где J — спин, p — чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро ¹⁵² Sm*(1^– ) испускает g-квант [превращаясь в ядро ¹⁵² Sm(0⁺ )], который, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах 152Sm(0+) 3. Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm после испускания g-кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и g-квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае g-квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор Nal 4 считает число g-квантов N₊ и N_– , рассеянных при направлениях магнитного поля по и против движения нейтрино. Теоретическое значение (N_– — N₊ )/2(N_– + N₊ ) = +0,025 для левовинтовой и -0,025 для правовинтовых спиральностей нейтрино; экспериментальное значение равно +0,017 ± 0,003, что согласуется со 100%-ной левовинтовой спиральностью нейтрино, если учесть все возможные эффекты деполяризации g-квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания g-квантов.)