Odkrycie neutrina


Jądro atomowe, w wyniku rozpadu, może emitować trzy różne rodzaje promieniowania - alfa, beta i gamma. Promieniowanie alfa to jądra helu (dwa protony + dwa neutrony), które wyrzuca z siebie rozpadające się jądro, promieniowanie beta to elektrony wyrzucane przez jądro, a promieniowanie gamma to fale elektromagnetyczne o bardzo niewielkiej długości.

Na początku XX wieku rozpoczęły się badania własności elektronów, które  pochodziły z rozpadu beta jąder atomowych. Najważniejszym celem tych badań było wyznaczenie energii kinetycznej elektronów. Pojawiły się dwie możliwości. Pierwsza z nich zakładała, że wszystkie elektrony, emitowane w rozpadzie beta, powinny mieć identyczne energie. Koncepcję tą popierało większość naukowców, bo wydawała się najprostsza. Druga możliwość zakładała, że emitowane elektrony powinny charakteryzować się różnymi energiami. Zgodnie z nią musi istnieć jakiś nieznany czynnik, który w chwili rozpadu ustala, inną za każdym razem, energię emitowanej cząstki beta. Koncepcja ta była mało popularna.

Rozpad beta

W 1954 roku dwóch amerykańskich fizyków, Frederic Reines i Clyde Cowan, wykorzystując reaktor jądrowy, postanowiło przeprowadzić pierwszą, bezpośrednią obserwację neutrin. Ich eksperyment bazował na tak zwanej odwrotnej przemianie rozpadu beta, w której antyneutrino, oddziałując z protonem ośrodka, produkuje neutron i pozyton:

 - odwrotny rozpad beta

W doświadczeniu tym pozyton, oddziałując z jednym z elektronów, zawartych w detektorze, w procesie anihilacji daje błysk światła. Błysk światła daje także neutron, który wyłapywany jest przez jądro atomowe ośrodka. Eksperyment Reinesa i Cowana polegał na poszukiwaniach takich dwukrotnych rozbłysków światła.

W odwrotnym rozpadzie beta neutrino oddziałuje z protonem, zamieniając go w neutron, przy czym następuje jednoczesna produkcja pozytonu. Jeżeli reakcja taka zajdzie w ośrodku materialnym, a nie w próżni, to pozyton, który opuści obszar reakcji, natrafi szybko na elektron ośrodka i nastąpi anihilacja. W czasie anihilacji para cząstka - antycząstka zamieniona zostaje na dwie cząstki światła (dwa fotony), które biegną w przeciwnych kierunkach. Podstawowym dowodem zajścia odwrotnego procesu beta jest zatem pojawienie się dwóch rozbieżnych błysków światła.

Reines i Cowan skorzystali z kilku zbiorników wypełnionych wodą. Odwrotny proces beta w tym eksperymencie miał polegać na zamianie jednego z protonów, zawartych w wodzie, na neutron. Neutron w wyniku oddziaływania zyskiwałby pewną energię kinetyczną i mógłby swobodnie poruszać się w całym ośrodku. Swoboda ta byłaby zakłócona w wyniku zderzeń z atomami ośrodka. W ten sposób neutron zmniejszałby za każdym zderzeniem swoją energię i w końcu stałby się bardzo powolny. Powolne neutrony mają tendencję do bycia absorbowanymi przez jądra atomów ośrodka. W wyniku takich absorpcji powstają nowe jądra atomowe, które zazwyczaj są w stanie wzbudzonym, czyli zawierają pewną dodatkową porcję energii emitowaną z jądra w postaci cząstek światła (fotonów promieniowania gamma). Reines i Cowan dodali do wody chlorek kadmu, który miał zapewniać bardziej wydajną absorpcję neutronów. W wyniku reakcji odwrotnego procesu beta pojawiały się dwa fotony, które pochodziły z anihilacji i rozbiegały się w przeciwnych kierunkach oraz dodatkowe fotony, które wytworzone zostały w procesie wychwytu neutronu przez jądro atomowe. Zatem aby odkryć neutrina, trzeba było zarejestrować fotony pojawiające się w wyniku reakcji. Aby to zrobić, zbiorniki wodne zostały otoczone detektorami zbudowanymi z substancji scyntylacyjnej. W wyniku przejścia przez detektory wysokoenergetycznych fotonów, powstałych w wodzie, substancja scyntylacyjna zaczynała świecić. Świecenie to było rejestrowane przez zestaw fotopowielaczy, które umieszczono na jej brzegach.


Rys.1. Układ doświadczalny. A, B – zbiorniki z wodą, w której zachodził odwrotny proces beta, I, II, III – substancja scyntylacyjna, która służyła do wykrywania fotonów.

Neutrino jest cząstką neutralną (musi tak być, aby zasada zachowania ładunku w rozpadach beta była spełniona). Jako cząstka neutralna nie oddziałuje elektromagnetycznie z otoczeniem. Ma ona spin połówkowy i masę bardzo bliską zeru. Nie oddziałuje z materią jądrową za pośrednictwem sił jądrowych.

Symbol
Klasyfikacja lepton, fermion
Ładunek 0
Masa bliska zeru
Spin 1/2

Tabela: Podstawowe własności neutrina.

wróć

Odkrycie elektronu
Odkrycie protonu
Odkrycie neutronu
Odkrycie pozytonu

idź do spisu treści