Наведённая проводимость

Вид материала

Документы

Содержание Нейтринная астрофизика Нейтрино ( История открытия Эксперименты по обнаружению нейт­рино. Свойства нейтрино Массы нейтрино. Спиральность нейтрино. J, Р — спин и чётность Теория свободного нейтрино. Осцилляции и распад нейтрино. Взаимодействия нейтрино Тины взаимодействий нейтрино.

Подобный материал:

• Электрический ток в газах самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов, 128.37kb.
• Полимерные системы в катализе и электрокатализе возможности и перспективы, 16.03kb.
• Ионная проводимость сложных фосфатов со структурой nasicon а 3-2 X Nb X m 2- X (po, 389.98kb.
• 1. Проводимость (проводник, полупроводник, изолятор, ток, напряжение, сопротивление,, 98.07kb.
• Лекция2 проводимость полупроводников виды проводимости, 502.09kb.
• Кристаллические и стеклообразные фазы в системах biF 3 Bi 2 o 3 BaF, 505.44kb.
• Квч терапии у больных стенокардией, 43.39kb.
• 1. Энергетические зоны и свободные носители заряда в твердых телах. Уровень Ферми, 21.7kb.

НЕЙТРИННАЯ АСТРОФИЗИКА, ис­следует роль процессов с участием нейтрино в звёздах и др. косм. объ­ектах. У стационарных звёзд гл. по­следовательности (см. Звёзды) нейтри­но, для к-рых толща звёзд прозрачна, уносят часть энергии, выделяющейся в звёздных недрах при термоядерных реакциях (от 2 до 32% в водородном цикле и ~7% в углеродном цикле). Роль нейтрино резко возрастает на поздних стадиях эволюции звёзд. Для этих стадий универс. теория слабых взаимо­действий предсказывает ряд процес­сов рождения пар нейтрино v — анти­нейтрино v, благодаря к-рым потери энергии с потоками нейтрино превос­ходят фотонные потери, что приводит к резкому (в десятки раз) ускорению темпа эволюции. В кач-ве процессов, ведущих к рождению пар v, v, рассмат­ривают аннигиляцию электронно-позитронных пар, тормозное излучение, фоторождение, распад плазмона, синхротронное излучение. Согласно теор. расчётам, особую роль нейтрино игра­ют в ходе гравитационного коллапса

звёзд большой массы, когда гл. источ­ником нейтрино становятся бета-про­цессы в горячей плазме. Основными становятся бета-процессы: e^-+(Z, А)(Z-1, A)+v и e⁺+(Z-1, A)(Z, А)+v^~-. В кач-ве важнейшей пары ядер (Z, А) и (Z-1, А), где Z — электрич. заряд, А — ат. масса ядра, служат свободные нуклоны — протон р (1,1) и нейтрон n (0,1). Если оба эти процесса равновероятны, то хим. сос­тав звёздной плазмы не изменяется. Однако в ходе гравитац. коллапса ве­роятность первого процесса несколько преобладает. Тогда преимуществ. излу­чению нейтрино сопутствует, очевид­но, процесс нейтронизации вещества.

В нек-рый момент гравитац. коллап­са (при достижении в-вом плотности ~10¹² г/см³ и темп-ры Т ~10¹⁰ К) в-во звезды становится непрозрачным для нейтринного излучения, темп кол­лапса замедляется. Нейтрино стано­вятся определяющим фактором в пере­носе энергии в непрозрачном ядре звезды, потоки же нейтрино с поверх­ности ядра звезды прогревают её внеш. слои, способствуя их термояд. взрыву и сбросу оболочки. В это время (примерно за 10 с) звезда испускает ~10⁵³—10⁵⁴ эрг энергии в виде потоков v и v (почти равных по интенсивности) с энергией ч-ц 10—15 МэВ. Сбросу оболочки коллапсирующей звезды со­действуют также эффекты когерент­ного рассеяния v на ядрах с большими ат. массами и рассеяния v на эл-нах.

Регистрация потоков нейтрино от Солнца, а также нейтринных импуль­сов от коллапсирующих звёзд в Галак­тике — осн. задачи нейтринной астро­номии (раздела астрономии, изучающе­го небесные тела по их нейтринному излучению).

• Нейтрино. Сб. ст., пер. с англ., М., 1970;

Березинский В. С., Зацепин Г. Т., Нейтринная астрофизика, М., 1975.

В. С. Имшенник.

НЕЙТРИНО (v), лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтраль­ная ч-ца со спином ¹/₂ (в ед. ћ), участ­вующая только в слабом и гравитац. вз-ствиях. Н. принадлежит к классу лептонов, а по статистич. св-вам явл. фермионом. Известны три типа Н.: электронное (v_e), мюонное (v_) и -Н. (v_), каждый из к-рых при вз-ствии с др. ч-цами может превращаться в со­ответствующий заряж. лептон. В отрицательно заряженные лептоны пре­вращаются лишь «левые» Н. (со спиральностью =-¹/₂), в положительно заряженные — только «правые» (= +¹/₂). Считается, что правые Н. явл. античастицами по отношению к левым, они наз. антинейтрино (v^~). Правым Н. приписывают лептонный заряд со зна­ком, противоположным лептонному заряду левых Н.

Отличительное св-во Н., опреде­ляющее его роль в природе,— огром­ная проникающая способность, осо­бенно при низких энергиях. Это, с од­ной стороны, затрудняет детектирова­ние Н., с другой — предоставляет

448


уникальную возможность изучения внутр. строения и эволюции косм. объектов. С увеличением энергии Н. сечения их вз-ствия с в-вом растут, а проникающая способность уменьша­ется.

Н., вероятно, столь же распростра­нённые ч-цы, как и фотоны. Они испу­скаются при превращениях ат. ядер: -распаде, захвате эл-нов (гл. обр. f-захвате) и мюонов, при распадах элем. ч-ц: - и К-мезонов, мюонов и до. Процессы, приводящие к образованию Н., происходят в недрах Земли и её атмосфере, внутри Солнца и в звёздах. Предполагается, что мощные потоки Н. генерируются при гравитационном коллапсе звёзд, унося б. ч. высвобож­дающейся гравитац. энергии. В при­роде существуют Н. с энергиями (ξ_v ) в огромном интервале: от реликтовых Н. со ср. энергией ξ_v~5•10^-4 эВ, заполняющих (как следует из модели горячей Вселенной) всё косм. пр-во с плотностью 100—150 пар vv^~/см³ на каждый тип Н., до Н., рождаемых в соударениях косм. лучей с ядрами межзвёздной среды с ξ_v вплоть до 10²⁰ эВ. В лаб. условиях интенсивны­ми источниками Н. (точнее, антиней­трино) низких энергий явл. ядерные реакторы; потоки Н. более высоких энергий, достигающих сотен ГэВ, гене­рируются с помощью ускорителей заряж. ч-ц.

История открытия

Представление о Н. введено в 1930 швейц. физиком В. Паули с целью объ­яснить непрерывный энергетич. спектр эл-нов при -распаде: общие принципы квант. механики и закон сохранения энергии требовали, чтобы эл-ны имели определ. энергию, равную энергии, выделяемой при -распаде. Согласно гипотезе Паули, в -распаде вместе с эл-ном рождается новая нейтральная сильно проникающая и, следователь­но, трудно обнаружимая ч-ца с массой <0,01 массы протона. Распределение дискр. порции энергии между Н. и эл-ном и приводит к нарушению моноэнергетичности спектра эл-нов. Для того чтобы соблюдался и закон сохра­нения момента кол-ва движения, новой ч-це приписали полуцелый спин.

Последоват. теория -распада, соз­данная итал. физиком Э. Ферми в 1934, естественно включила гипотезу Паули (в 1932 Ферми предложил называть новую ч-цу «Н.» — уменьшительное от нейтрон). В соответствии с теорией Ферми -распад представляет собой превращение нейтрона (протона) вну­три ядра в протон (нейтрон), эл-н (по­зитрон) и антинейтрино (Н.):



Эксперименты по обнаружению нейт­рино. В первых экспериментах ре­гистрировались импульсы отдачи ядер при испускании Н. (А. И. Лейпунский, 1936, амер. физик Дж. Аллен,

1942). Хотя их результаты согласовы­вались с гипотезой Паули, прямым до­казательством существования Н. счи­тается наблюдение амер. физиками Ф. Райнесом и К. Коуэном в 1953—56 т. н. обратного -распада:

v^~_e+pe⁺+n. (2')

Измеренное сечение этого процесса

v^~_e=9,4(1,3) •10^-44 см² находилось в согласии с сечением, рассчитанным по

теории Ферми. Источником v^~_e в опы­тах Райнеса и Коуэна служил яд. реактор (поток v^~_e, образовавшихся в нём в результате -распадов оскол­ков деления ²³⁵U и ²³⁹Pu, достигал 10¹³ v^~_e/см²•c; ср. энергия ξ_v^~~4 МэВ). Реакция (2 ) происходила на водороде, входящем в состав сцинтилляц. жидкости с добавкой солей кад­мия, и регистрировалась по двум сцинтилляц. вспышкам. Первая вспышка вызвана -квантами от аннигиляции позитрона с эл-ном сцинтиллятора, вторая (через 5—10 мкс) — -излучением ядра кадмия, поглотившего ней­трон.

Свойства нейтрино

Типы нейтрино. Тип Н. определя­ется заряж. лептоном, вместе с к-рым оно рождается и взаимодействует (эл-н, мюон, -лептон). Источником элек­тронных Н. явл. -распад ядер (1), (2), распад мюонов:



распады мезонов и барионов, содержа­щих тяжёлые кварки: странные —



и т. д.

Мюонные Н., представление о к-рых было введено в 1957—59 в связи с от­сутствием распада  е+ (М. А. Марков, амер. физик Ю. Швингер, япон. физик К. Нишиджима), рож­даются в распадах мюонов (3) - и К-мезонов:



а также, как и v_e, в распадах более тяжёлых мезонов, напр. D⁺ К^-+⁺+⁺+v_(K^-+⁺+e⁺+v_e).

-Н. было введено в 1975 в связи с открытием третьего заряж. лептона (^±). -Н. рождается в распадах -лептона: ^-v_+^-, ^-v_+ ^v~_e+e^-и т. д., а также в распадах мезонов, более тяжёлых, чем -лептон:

F⁺(D⁺ )⁺+v_ (7) и др.

Н. каждого типа могут рождаться парами и без участия соответствую­щего заряж. лептона, напр.:

е⁺+е^-v+v^~, +e^- v+v^~ + e-,

+Zv+v^~+Z, (8)

e⁺+e^-+v+v^~ (9)

(здесь v — любой тип Н., Z — ядро). Реакции (8), по-видимому, играют су­ществ. роль в эволюции звёзд. Реакцию (9) можно будет зарегистрировать при высоких энергиях (>90 ГэВ) в экспе­риментах на встречных пучках е⁺е^-. Н. во вз-ствиях с др. ч-цами в свою очередь рождают заряж. лептоны только своего типа; с хорошей точностью это св-во проверено для мюонных Н.: наблюдаются процессы типа

v_+n^-+p,

v^~_+p⁺+n (10)

(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964), в то время как процессы типа v_+nе^-+р на опыте не обнаружены. Различие между тремя типами Н. описывается тремя сохраняющимися (или прибл. сохраняющимися) лептонными заря­дами: электронным L_e, мюонным L_ и таонным L_. Для v_e, как и для е^-,

L_e = l, L_=L_=0, для v_ и ^- L_=1, L_e=L_=0 и т. д.

Вз-ствия Н. разных типов в тех слу­чаях, когда массы лептонов несущест­венны, оказываются одинаковыми. Это лежит в основе т. н.  — е (и, по-ви­димому, )-универсальности и выра­жается в том, что пары лептонов (v_ee), (v_), (v_) входят в теорию вз-ствий

симметрично. Вопрос о числе типов Н. (n_v) остаётся открытым.

Измерение сечения реакции (9) (оно пропорц. n_v в случае универсальности всех типов лептонов) даст возмож­ность определить n_v.

Нейтрино и антинейтрино. Пред­ставление о Н. и антинейтрино воз­никло в теории Ферми, согласно к-рой Н. рождается в паре с позитроном, а антинейтрино — с эл-ном (аналогично определяются мюонные и -антинейтрино и Н.). Н. и антинейтрино при рассеянии в свою очередь рождают лептон определ. знака электрич. за­ряда: Н.— отрицательного, антиней­трино — положительного. Так, при облучении четырёххлорнстого углеро­да (ССl₄) пучком антинейтрино от ре­актора (амер. физик Р. Дейвис, 1955—56) реакция v^~_e+³⁷Cl  ³⁷Ar+е^-не была обнаружена (реакция превра­щения ³⁷Сl в ³⁷Аr для определения раз­личия или тождественности v_e и v^~_e была предложена в 1946 Б. М. Пон­текорво). Другое указание на разли­чие v_e и v^~_e — отрицат. результат по­иска безнейтринного двойного -рас­пада (напр., ⁴⁸Cd ⁴⁸Ti+e^-+e⁺ ), об-

449


наруженио к-рого свидетельствовало бы о возможности перехода v_e v^~_e.

Нетождественность Н. и антиней­трино и связанные с ней запреты определ. реакций описывают обычно со­храняющимся лептонным зарядом, к-рый имеет разные знаки для Н. (L=1) и антинейтрино (L=-1). Такие же значения L приписываются соот­ветствующим заряж. лептонам (е^-, ^-, ^-) и антилептонам (е ⁺ , ⁺, ⁺).

Н. и антинейтрино во всех изучен­ных процессах отличаются и знаками спиральности (см. ниже). Различными оказываются сечения вз-ствия Н. и антинейтрино с др. ч-цами, напр.:




(X — совокупность адронов).

Массы нейтрино. В уникальной ра­боте, выполненной в Ин-те теор. и экспернм. физики (СССР, 1980), получено указание на то, что наблюдаемая фор­ма энергетич. спектра эл-нов от (-pacпада трития (³Н ³He+v^~_e+e^-) соот­ветствует значению массы электрон­ного Н. в интервале 14 эВ< m_ve<46 эВ. Для Н. др. типов экспери­ментально получены лишь верхние ограничения: m_v0,65 МэВ (no форме

спектра распада k⁰_l^-+⁺+v_, Беркли, США, 1974) и m_v <0,52 МэВ {по измерениям импульса мюона в рас­паде ⁺⁺+v_ Швейц. ин-т яд. исследований, 1979; Станфорд, США, 1981), m_v<250 МэВ (по распаду -лептона, Станфорд, США, 1979). Подтверждением того, что масса Н. не равна нулю, могло бы явиться обнаружение осцилляции в нейтрин­ных пучках (см. ниже). Из космологич. соображении (использующих дан­ные о возрасте Вселенной, Хаббла постоянной и темп-ре реликтового из­лучения) получается ограничение на суммарную массу всех типов стабиль­ных Н. и антинейтрино: m_v<100 эВ. Если масса хотя бы одного из них действительно достигает 10—30 эВ, то из модели горячей Вселенной следует, что общая масса Н. во Вселенной бо­лее чем на порядок превышает общую массу остального в-ва. Это в свою очередь ведёт к фундам. космологич. и астрофиз. следствиям. Напр., Все­ленная могла бы оказаться замкнутой, образование галактик и скоплений га­лактик должно было бы происходить вначале из «конденсаций» нейтринного газа (образующихся благодаря грави­тационной неустойчивости), а затем к таким нейтринным «сгусткам» стя­гивалось бы обычное в-во. Это могло бы объяснить «скрытую» массу галак­тик и их скоплений (на существование к-рой указывают наблюдат. данные), а также нек-рые другие астрофизические «загадки».

Спиральность нейтрино. Определе­ние спиральности основано на учёте закона сохранения момента кол-ва движения и измерениях поляризации ч-ц, рождённых вместе с Н. Для v_e — это измерения поляризации возбуж­дённого ядра ¹⁵²Sm* по поляризации -кванта в цепочке радиоакт. превра­щений:




(амер. физики М. Гольдхабер, Л. Гродзинс, А. Суньяр, 1958), где J, Р — спин и чётность ядра. Для v_— это измерения поляризации мюона в рас­паде ⁺⁺+v_. Полученные значения спиральностн согласуются с =-¹/₂ для Н. и =¹/₂ для антиней­трино.

Теория свободного нейтрино. Н. с отличной от нуля массой могут, как и др. фермионы, описываться Дирака уравнением. Такие Н. имеют четыре состояния — «левые» и «правые» Н. и «левые» и «правые» антинейтрино и наз. четырёхкомпонентными. Левая поляризация наблю­даемых в эксперименте Н. и правая поляризация антинейтрино полностью обусловлены хар-ром их вз-ствий. Рождение и вз-ствия правополяризованных Н. и левополяризованных ан­тинейтрино подавлены.

Другая возможность — двухкомпонентное Н. ненулевой массы (итал. физик Э. Майорана, 1937). Для майорановских Н. vv^~, так что лептонный заряд не сохраняется и состоя­ния Н., рождаемых вместе с заряж. лептоном и антилептоном, различают­ся только спиральностями. Теория с майорановскими Н. предсказывает, в частности, существование безнейтрин­ного двойного -распада.

Не исключено, что Н. нек-рых типов имеют строго нулевое значение массы. Такие Н., впервые рассмотренные Л. Д. Ландау, пакист. физиком А. Саламом, кит. физиками Ли Цзундао и Ян Чженьнином в 1957, описываются ур-нием Вейля (нем. математик Г. Вейль, 1929), имеют строго определ. значения спиральности и находятся в двух состояниях: «левое» Н. и «правое» антинейтрино (др. вариант: «правое» Н. и «левое» антинейтрино, к-рые экс­периментально не обнаружены). Лептонные заряды в этом случае сохра­няются.

Осцилляции и распад нейтрино. Если Н. обладают массой покоя и лептонные заряды не сохраняются, то становятся возможны нейтринные ос­цилляции (Б. М. Понтекорво, 1957), т. е. периодическое (полное или час­тичное) превращение одного типа Н.

в другой, напр.:

v_<->v_, v_e<->v_.

Характерный масштаб l этих превра­щений определяется разностью квад­ратов масс Н.: l=2ξ_v/(m²_i-m²_j). Нек-рые указания на осцилляции Н. следуют из измерений энергетич. спектра v_e от реактора на разных расстоя­ниях от центра активной зоны (m²_v1 эВ²), а также из измерений пото­ка солнечных Н. (m²_v>>10-¹⁰ эВ²). В то же время измерения на Баксанском нейтринном телескопе потока v_ под землёй, рождаемых косм. лучами в верхних слоях атмосферы, дают m²_v10^-3 эВ² для v_ v_e при ус­ловии полного превращения v_ в v_e (ИЯИ АН СССР, 1981). В этих же предположениях могут происходить распады Н.: v₁ +v₂, v₁ 3v₃, ... , где v₁ v₂, v₃ — ч-цы с определ. мас­сами, представляющие собой смесь v_e,

v_,v_

Взаимодействия нейтрино

Б. ч. информации о вз-ствиях Н. была получена в экспериментах на ус­корителях. Общая схема их такова: пучок ускоренных протонов рождает на ядрах мишени - и К-мезоны. Ме­зоны попадают сначала в фокусирую­щее устройство, отбирающее ч-цы нуж­ного заряда, а затем в распадный ка­нал, где в реакциях (6) форми­руется нейтринный пучок. Распадный канал заканчивается мюонным фильтром — массивным (чаще стальным) по­глотителем. Поток Н. через фильтр попадает на мишень-детектор — пу­зырьковую или искровую камеру и сцинтилляц. счётчики, прослоенные фильтрами из Fe и Аl. Характерные размеры таких детекторов 4 мХ4 мХ16 м, вес ~1000 т.

Модификацией этой схемы явл. экс­перименты по «сбрасыванию пучка», в к-рых ускоренные протоны падают на массивную толстую мишень. В мише­ни, не успевая распасться, поглощает­ся большая часть - и К-мезонов, так что становятся заметными потоки т. н. прямых Н. от распада короткоживущих (со временем жизни <10^-11 с) тяжёлых ч-ц (D-, F-мезонов, -лептонов) [см. реакции (5), (7)1.

Тины взаимодействий нейтрино. Во вз-ствиях с др. ч-цами Н. может пере­ходить как в заряж. лептон: v_-, v^~_e е⁺ и т. д. [см. реакции (2'), (10)], так и в нейтральный: v_v_ , т. е. в Н. того же типа. Эти реакции опи­сываются соотв. заряженными токами (ЗТ) и нейтральными токами (НТ). Заряж. токами обусловлены распады (1)—(7), т. е. процессы, в к-рых были обнаружены Н. и изучены их св-ва. НТ были впервые зарегистрированы в 1973 в пузырьковой камере (ЦЕРН): рассеяние v_(v^~_) на нуклонах и эл-нах не сопровождалось вылетом ^-(⁺) (т. н. безмюонные события):




Изучение ЗТ и НТ в рассеянии Н. на нуклонах и эл-нах даёт уникаль­ную информацию о структуре нукло­нов, о слабом вз-ствии элем. ч-ц, о рождении и св-вах новых тяжёлых ч-ц.

450


Взаимодействие нейтрино с элект­роном. Заряж. токами обусловлен процесс

v_(v^~_)+e^-^-(⁺)+v_e (13) (ЦЕРН, 1979). При энергиях Н. ξ_v (в лаб. системе), заметно превышаю­щих порог реакции (13) (ξ_v20 ГэВ), её сечение, согласно теории Ферми, линейно растёт с ростом ξ_v:



где G_F — фермиевская константа слабо­го вз-ствия, m_e — масса эл-на. Сече­ние процесса (12) с НТ имеет зависи­мость (14) уже при ξ_v >неск. МэВ (по­рог отсутствует) и содержит допол­нит. фактор подавления 0,1—0,4 (ЦЕРН, Лаборатория им. Ферми, США, 1979).

В рассеяние электронных Н. и ан­тинейтрино на эл-не, напр. антиней­трино от реактора (Райнес и др., 1976), дают вклад как ЗТ, так и НТ.

Взаимодействие нейтрино с нукло­нами представляет собой суммарный эффект рассеяния Н. на отд. кварках, составляющих нуклон. При низких энергиях (ξ_v<1 ГэВ) происходит упругое

v_(v^~_)+pv_(v^~_)+p (15)

и квазиупругое (10) вз-ствие. При энергиях ξ_vl ГэВ доминируют не­упругие процессы: сначала с малым числом адронов в конечном состоя­нии, напр. однопионное рождение:



затем глубоко неупругие процессы:

v_(v^~_)+nmi^-(⁺)+x (18) для ЗТ или (11) для НТ. Сечение про­цесса (18) явл. некогерентной суммой сечений рассеяния Н. на отд. точечных кварках и может быть представлено в виде =(G²_F/)2m_pξ_vk, где k — доля импульса нуклонов, к-рую несут квар­ки, взаимодействующие с Н. (m_p — масса протона). Наблюдаемый рост сечений с уве-



кальный хар-р слабого вз-ствия и кварк-партонную структуру адрона. Слабое нарушение масштабной инвариантности [зависимость струк­турных ф-ций (см. Формфактор) нук­лона от квадрата переданного четырёх­мерного импульса q², рост _v^~/_v], обнаруженное во вз-ствии Н. (18), согласуется с предсказаниями кван­товой хромодинамики.

Сечения процессов с НТ [реакции (11), (15), (16)] составляют 10—50% от соответств. сечений для ЗТ. При ξ_V>нecк. ГэВ они имеют одинаковые энергетич. зависимости, причём