3. Перспективы использования
Одно из перспективных направлений использования нейтрино — это нейтринная астрономия. Известно, что звёзды, кроме света, излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звёздной эволюции за счёт нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии (нейтринное охлаждение), то изучение свойств нейтрино (в частности — энергетического спектра солнечных нейтрино) помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать ещё более удалённые астрономические объекты.
Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведённые в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять реакторный нейтринный спектр и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).
Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи .
6.2.3 ‡амечаниЯ о фотонной светимости ‘олнца
”отоны рождаютсЯ в зоне Ядерных реакций в недрах ‘олнца.
Џлотность вещества центре ‘олнца около 150 г/см,
температура около 1 кэ‚. “словиЯ с высочайшей точностью соответствуют
полному термодинамическому равновесию, поэтому энергиЯ
рождающихсЯ фотонов
распределена по закону Џланка длЯ Ђ—’
с температурой 1 кэ‚ (рентгеновский диапазон).
…сли нейтрино, имеющее ничтожное
сечение взаимодействиЯ с веществом (
см)
свободно (за времЯ
c) покидают ‘олнце,
то фотоны многократно поглощаютсЯ и
рассеиваютсЯ6.2,
пока достигнут внешних более прозрачных слоев
атмосферы ‘олнца. ‚идимаЯ «поверхность» ‘олнца — поверхность
оптической толщины (опт. толщина отсчитываетсЯ от наблюдателЯ
вглубь ‘олнца) — т.н. фотосфера, ее эффективнаЯ температура,
определЯемаЯ из соотношениЯ
,
K и определЯет физическое состоЯние
внешних слоев ‘олнца. ’емпература быстро растет с глубиной.
Џри малых отклонениЯх от термодинамического равновесиЯ (когда длина
свободного пробега фотонов мала по сравнению с размерами
рассматриваемой области)
перенос лучистой энергии хорошо описываетсЯ диффузионным приближением.
‚ этом приближении
= — :
| (6.9) |
| (6.10) |
| (6.11) |
| (6.12) |
‚ горЯчих звездах большой массы основную роль играет рассеЯние на
свободных электронах. Џоскольку в нерелЯтивистском пределе
’омсоновское рассеЯние не зависит от частоты кванта, томсоновскаЯ
непрозрачность постоЯнна,
| (6.13) |
| (6.14) |
Џример: времЯ диффузии фотонов из центра ‘олнца.
Џока температура среды
высока (больше 2 млн. градусов) энергиЯ переноситсЯ
лучистой теплопроводностью (фотонами). Ћсновной вклад в
непрозрачность обусловлена рассеЯнием фотонов на электронах
(томсоновское рассеЯние,
см,
непрозрачность
см/г. ќта зона
простираетсЯ примерно до 2/3 радиуса ‘олнца (
см. ‚ремЯ диффузии фотонов из
Ядра до границы конвективной зоны , где —
коэффициент диффузии,
— длина свободного
пробега фотона. Џолучаем:
Џри понижении температуры непрозрачность солнечного
вещества сильно
возрастает (см. закон Љрамерса ()),
поэтому диффузиЯ фотонов длитсЯ около миллиона лет. „алее
непрозрачность вещества (гл. образом из-за многочисленных линий железа
и других тЯжелых элементов) становитсЯ настолько большой (
см/г), что возникают крупномасштабные конвективные движениЯ —
1/3 радиуса ‘олнца занимает конвективнаЯ зона. ‚ремЯ подъема
конвективной Ячейки сравнительно невелико, несколько десЯтков лет.
ќтот пример показывает,
что времЯ выхода тепловой энергии из недр ‘олнца (лучистаЯ
теплопроводность + конвекциЯ) порЯдка миллиона лет. ќто времЯ примерно
в 30 раз меньше времени Љельвина-ѓельмгольца, в соответствии с
долей энергии фотонов в полной энергии ‘олнца (продумайте
последнее утверждение!).
‘ущественную роль на ‘олнце играет магнитное поле. €з-за
вмороженности полЯ в плазму в области выхода силовых трубок магнитного
полЯ на поверхности конвекциЯ подавлена, перенос излучениЯ замедлен и
мы наблюдаем области пониженной температуры — пЯтна, эффективнаЯ
температура в которых около 2000 Љ. Љрупномасштабное
магнитное поле на ‘олнце генерируетсЯ динамо-механизмом
при дифференциальном вращении ‘олнца
6.1 џдерные реакции в
| Ћглавление | 6.3 ‘оотношениЯ и длЯ >>
|
Џубликации с ключевыми словами: звезды — ЊежзвезднаЯ среда — ЉосмологиЯ — теоретическаЯ астрофизика — астрофизика Џубликации со словами: звезды — ЊежзвезднаЯ среда — ЉосмологиЯ — теоретическаЯ астрофизика — астрофизика |
|
|
‚се публикации на ту же тему >> |
ЊнениЯ читателей
ЂстрометриЯ
—
Ђстрономические инструменты
—
Ђстрономическое образование
—
Ђстрофизика
—
€сториЯ астрономии
—
Љосмонавтика, исследование космоса
—
‹юбительскаЯ астрономиЯ
—
Џланеты и ‘олнечнаЯ система
—
‘олнце
Примечания
- http://crydee.sai.msu.ru/~maria/astron/referatTheSUN/referat.htm — crydee.sai.msu.ru/~maria/astron/referatTheSUN/referat.htm Наше Солнце]
- Астрономы получили самую точную оценку массы «частицы-призрака» — www.rian.ru/science/20100622/249169807.html . РИА Новости (22 июня 2010).
- Shaun A. Thomas, Filipe B. Abdalla, and Ofer Lahav Upper Bound of 0.28 eV on Neutrino Masses from the Largest Photometric Redshift Survey — physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.105.031301.pdf (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2010. — В. 3. — Т. 105. — С. 031301.
- Нейтрино — www.femto.com.ua/articles/part_2/2430.html — статья из Физической энциклопедии
- Труды — pontecorvo.jinr.ru/work/pswork3.html Бруно Понтекорво
- Элементы: Частица-призрак: нейтрино — elementy.ru/lib/430999
- Дискография Тимура Шаова — www.shaov.ru/discs_and_lyrics.php
Освещая путь науки: от глубин океана до космической бездны
Известный физик Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения Нобелевской премии сказал: «Открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».
За все эти годы излучение Вавилова – Черенкова действительно нашло множество применений. Большое развитие получила техника черенковских счетчиков. Эти устройства быстро вошли в арсенал физики высоких энергий – для определения скорости частицы, ее заряда и других характеристик. Еще в начале 1960-х годов в СССР был создан самый большой черенковский счетчик в мире. С его помощью, в частности, исследовалось множественное рождение элементарных частиц «мезонов» в ядерных взаимодействиях при высоких энергиях.
Детектор Super-Kamiokande. Фото: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo
В 1996 году в Японии начал работу гигантский черенковский детектор Super-Kamiokande, диаметром примерно 40 метров и вместимостью 50 тыс. тонн воды. Этот гигант позволил сделать важные открытия в физике нейтрино – загадочной, трудноуловимой частицы. Огромный размер счетчика позволяет регистрировать отдельные и не очень частые акты взаимодействия нейтрино с протонами и нейтронами в атомных ядрах элементов, составляющих воду (кислород и водород). «Выдают» себя нейтрино излучением Вавилова – Черенкова, светясь проходя через толщу воды. Это излучение улавливается и детально анализируется. Можно с большой точностью определить тип нейтрино, вызвавшего реакцию, а также энергию и направление импульса. Так в 1987 году Super-Kamiokande зарегистрировал нейтрино, порожденные при вспышке сверхновой в Большом Магеллановом облаке и положил начало нейтринной астрономии.
Позже для лучшей охоты на нейтрино детекторы стали размещать в озерах. К примеру, самый крупный в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп находится на Байкале. Это Baikal-GVD, строительство которого стартовало в 1990 году. Последняя версия телескопа была запущена совсем недавно. Кстати, в проекте его создания приняла участие Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) Ростеха.
Baikal-GVD отводится важная роль в формировании мировой нейтринной сети – он присоединился к детектору IceCube, ловящим нейтрино на Южном полюсе, а также к проектам ANTARES и KM3NeT в Средиземном море. Ученые в ожидании новых сенсационных открытий – регистрации реликтовых нейтрино, которые расскажут о первых секундах нашей Вселенной после Большого взрыва и ее дальнейшей эволюции.
Фото: BAIKAL-GVD
Эффект Вавилова – Черенкова находит место и в медицине, в лучевой терапии. Это излучение возникает, когда при радиотерапии заряженные частицы движутся сквозь среду, то есть человеческое тело. Метод, получивший название «черенкоскопии», сделает радиотерапию более точечной. То есть излучение можно будет направлять и дозировать с высокой точностью, добиваясь основной цели – разрушить опухоль, не задев здоровые ткани.
Излучение Вавилова – Черенкова проливает свет на многое, в буквальном смысле, освещая путь к новым научным открытиям, а кому-то просто «освещает» жизнь. Например, рыбам на многокилометровой глубине океана. Дело в том, что в морской воде растворен радиоактивный изотоп кальция, испускающий быстрые электроны, которые и светятся синим. Благодаря этому у всех глубоководных рыб сохранились глаза и зрение, а свечение Вавилова – Черенкова для них – настоящий «луч света в темном царстве».
Экспериментальные данные
Для высокоэнергетических солнечных нейтрино важен эффект МСВ, и можно ожидать, что P ee = sin 2 θ {\ displaystyle P _ {\ text { ee}} = \ sin ^ {2} \ theta}, где θ {\ displaystyle \ theta}- солнечный угол смешивания. Это было убедительно подтверждено в Нейтринной обсерватории Садбери (SNO), которая решила проблему солнечных нейтрино. SNO измерила поток солнечных электронных нейтрино и составил ~ 34% от общего потока нейтрино (поток электронных нейтрино, измеренный с помощью реакции заряженного тока, и общий поток с помощью нейтрального тока реакция). Результаты SNO полностью соответствуют ожиданиям. Ранее Камиоканде и Супер-Камиоканде измеряли смесь реакций заряженного и нейтрального тока, которые также подтверждают возникновение эффекта MSW с аналогичным подавлением, но с меньшей уверенностью.
ppBeB
Для солнечных нейтрино низкой энергии, с другой стороны, влияние материи незначительно, и формализм колебаний в вакууме верен. Размер источника (т. Е. Ядра Солнца) значительно больше, чем длина колебания, поэтому, усредняя по коэффициенту колебаний, получаем P ee = 1 — 1 2 sin 2 (2 θ) {\ displaystyle P_ {\ text {ee}} = 1 — {\ tfrac {1} {2}} \ sin ^ {2} \ left (2 \ theta \ right)}. Для θ = 34 ° это соответствует вероятности выживания P ee ≈ 60%. Это согласуется с экспериментальными наблюдениями низкоэнергетических солнечных нейтрино с помощью эксперимента Homestake (первый эксперимент, раскрывающего проблему солнечных нейтрино), за которым следуют GALLEX, GNO и SAGE (в совокупности галлий радиохимические эксперименты) и, совсем недавно, эксперимент Borexino, в котором наблюдались нейтрино из pp (, Be (862 кэВ), pep (1,44 МэВ) и B (только измерения Borexino подтверждают картину МСВ; однако все эти эксперименты согласуются друг с другом и предоставляют нам убедительные доказательства эффекта МСВ.
Эти результаты дополнительно подтверждаются экспериментом на реакторе KamLAND, который уникальным образом способен измерять параметры колебаний, которые также согласуются со всеми другими измерениями.
Переход между низкоэнергетический режим (эффект МСВ незначителен) и высокоэнергетический режим (вероятность колебаний определяется эффектами вещества) лежит в области около ut 2 МэВ для солнечных нейтрино.
Эффект МСВ может также изменять нейтринные осцилляции в Земле, и будущий поиск новых осцилляций и / или лептонных CP-нарушений может использовать это свойство.
Как советские физики пролили свет на «синее свечение»
В своей статье Черенков рассказывает о проведенных опытах, а также их результатах по измерению свойств нового свечения: яркости, поляризации, спектрального состава. Вавилов же пытается предоставить теоретическую интерпретацию обнаруженного излучения. Его статья так и называлась – «О возможных причинах синего гамма-свечения жидкостей». На основании проведенных опытов Сергей Вавилов утверждал, что наблюдаемое синее свечение «вообще не может быть каким-либо видом люминесценции».
Согласно его предположению, излучение вызвано движением электронов в среде в отличие от обычного теплового излучения, которое вызвано движением атомов. Сам Вавилов, хотя и высказал такое предположение, не считал его окончательным. Он был в поиске – продолжал активные обсуждения с коллегами, планировал дальнейшие эксперименты для объяснения природы излучения.
Павел Черенков, Илья Франк, Игорь Тамм
Первыми найти верное обоснование удалось советским физикам Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Ивановичу Франку. В 1937 году они опубликовали ряд теоретических работ, где черенковское излучение объяснялось равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц среды со скоростями, которые превышают скорость света в данной среде. К примеру, скорость света в воде на четверть меньше, чем в вакууме. Поэтому электрон высокой энергии обгонит свет в воде, и при этом не превысит скорости света в вакууме. Если такая частица идет через воду, она создает электромагнитную взрывную волну, которая переносит в себе энергию на разных длинах волн электромагнитного излучения, включая и видимый свет. На фиолетовом конце радуги энергии создается больше, чем на красном, поэтому свет нам кажется голубым. Уже значительно позднее, в середине 1950-х годов, этот эффект советским физикам удалось запечатлеть на цветном фото.
Сергей Вавилов был одним из первых, кто принял идею Тамма и Франка. Павел Черенков также согласился с теорией, после проведения ряда экспериментов по ее проверке. По совету Вавилова аспирант подготовил небольшую заметку на английском языке о новом эффекте и послал ее в известный лондонский естественно-научный журнал Nature. Однако редакция журнала не приняла заметку к публикации. Вавилов посоветовал Черенкову отправить заметку в американский журнал Physical Review. Там она и была напечатана в 1937 году.
Черенков (третий справа), Франк (второй справа) и Тамм (третий слева) на вручении Нобелевской премии в 1958 году
В 1946 году Сергей Вавилов, Игорь Тамм, Илья Франк и Павел Черенков получили Сталинскую премию I степени – в то время высший государственный знак научного признания. Мировую славу открытия Вавилов не застал – ученого не стало в 1951 году. Спустя всего семь лет Тамму, Франку и Черенкову была присуждена Нобелевская премия по физике – «за открытие и объяснение эффекта Черенкова».
6.2 Ћсобенности Ядерных реакций в звездах.
€спользуЯ теорему вириала ,
центральнаЯ температура в звезде может быть
оценена как
| (6.4) |
ѓаз в центре ‘олнца вполне идеален, и частицы (протоны) движутсЯ со
скоростЯми в соответствии с Њаксвелловским распределением
. Ћтсюда долЯ протонов с энергией
оказываетсЯ
, что безнадежно мало даже длЯ солнечной массы
с числом частиц
.
Љак было впервые показано ѓ.Ђ. ѓамовым, Ядерные реакции в центре ‘олнца
все же возможны из-за эффекта квантовомеханического туннелированиЯ
волновой функции под кулоновский барьер. €мпульс частицы в
квантовой механике (‹. „е Ѓройль (De Brogile))
, где
—
волновое число. „вижение частицы с зарЯдом
с импульсом соответствует волноваЯ
функциЯ
.
ЉинетическаЯ энергиЯ частицы
, где — потенциальнаЯ
энергиЯ в кулоновском поле c зарЯдом . Ћтсюда
.
‚ классической механике при происходит
отражение частицы от барьера, т.е. частица не проникает в область
. ‚ квантовой
механике при имеем
и
волноваЯ функциЯ
.
ќто означает, что
всегда есть отличнаЯ от нулЯ вероЯтность подбарьерного перехода
 |
(6.5) |
| (6.6) |
| (6.7) |
‡нание скорости реакции позволЯет легко рассчитать изменение
концентрации взаимодействующих элементов
со временем:
ђассмотрим теперь некоторые особенности основных термоЯдерных
реакций, происходЯщих в звездах главной последовательности.
Эксперимент с галлием
Кроме хлора существуют и другие элементы, я́дра которых могут взаимодействовать с нейтри́но. Одним из них является изотоп элемента галлия. Его
массовое число составляет 71. После захвата нейтри́но этот изотоп превращается в ядро элемента германия. Существенное отличие от эксперимента с хлором состоит в
том, что в эксперименте с галлием можно подсчитать и нейтри́но низких энергий. Галлиевый детектор считает нейтрино, возникающие в результате реакций
водородного цикла. Таким образом, эксперимент с галлием позволил бы определить интенсивность реакции, которая вносит основной вклад в выделение энергии на
Солнце, а не фиксировать нейтри́но побочной реакции.
Почему же тогда эксперимент с галлием до сих пор никем не поставлен? Первая трудность состоит в том, как подсчитать все атомы германия,
возникающие при взаимодействии галлия с нейтрино. Прежде всего необходимо создать соответствующие детекторы. Вторая трудность является общей для всех
опытов с нейтри́но. Дело в том, что эти частицы очень редко взаимодействуют с атомными ядрами. Чтобы зафиксировать в течение суток хотя бы одно превращение
атома галлия в атом германия под воздействием солнечных нейтрино, требуется контейнер по меньшей мере с 37 тоннами галлия. Это количество сравнимо со всеми
запасами чистого галлия в мире. Галлий получают как побочный продукт при выработке алюминия. Стоимость одной тонны галлия в настоящее время составляет
почти миллион марок ФРГ. Конечно, галлий не расходуется в нейтри́нном эксперименте, и его можно потом повторно использовать. Однако непонятно, будет
ли это существенно дешевле. В то же время известно, что правительство каждого государства должно иметь запас галлия на случай войны, поскольку галлий
требуется для электронной промышленности. Так что идея эксперимента с галлием имеет в этом смысле определенные достоинства. Известно, что в Институте ядерной
физики им. Макса Планка в Ге́йдельберге был разработан детектор для германия, а в США, Израиле и Германии проведены исследования по подготовке предварительного
эксперимента, вначале с одной тонной галлия.
В проведенных уже экспериментах (GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE (Soviet-American Gallium Experiment)
на Баксане (Россия – США)) нейтрино также «не хватает».
Полномасштабный эксперимент тоже будет рано или поздно осуществлён. Подтвердит ли он наши представления
о внутреннем строении Солнца? Или же астрофизики узнают, что все их догадки о процессах выделения энергии в недрах звёзд неверны́?
По некоторым предположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя, возможны превращения (осцилляции) различных сортов нейтрино
(эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонное нейтрино). К такому открытию пришли учёные,
работающие в нейтринной обсерватории в Онтарио (Канада) в 2001-2002гг. Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия с веществом, чем
электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснён, без изменения стандартной модели Солнца, построенной на базе всей совокупности сегодняшних астрономических данных.
Учёт аномального магнитного момента нуклонов
Как было отмечено в Разделе 2.3, исходя из выражений (2.3.9) и (2.3.10), в сверхсильном магнитном поле В В для нейтрино, движущихся против направления поляризации нейтронной среды (Scos9 = — 1), среда из нейтронов будет прозрачной. Аналогичный эффект «прозрачности» нейтронной среды наблюдается в случае сильного магнитного поля 5cr В В є,, и проанализирован в Разделе 2.4 при распространении нейтрино против направления вектора напряжённости магнитного поля, cos# = — 1, и полной поляризации нейтронов среды вдоль направления магнитного поля, 5 = +1 (см. обсуждение выражения (2.4.12)).
Указанная особенность поведения сечения процесса обратного /3-распада объясняется квантованием движения заряженных частиц по уровням Ландау в магнитном поле и тем, что спиновые состояния электрона и протона зависят от величины напряжённости магнитного поля: в сильном (и сверхсильном) поле электрон всегда поляризован против направления поля, а в сверхсильном поле поляризации протона и электрона противоположны.
Для наглядного описания данного эффекта «прозрачности» нейтронной среды воспользуемся законом сохранения в квантовой механике суммарного момента импульса j частиц:
Полный момент импульса частицы состоит из орбитального и спинового момента: В случае, когда частица движется вдоль выбранной оси (в нашем случае выделенное направление совпадает с направлением вектора напряжённости поля В), её орбитальный момент равен нулю (т.к. р г). Поэтому в релятивистском случае говорить о сохранении суммарного спина системы можем только при движения частиц вдоль одной оси (отметим, что в нерелятивистском пределе полный спин системы сохраняется, однако для нашего случая это не применимо). Учитывая, что в сильном магнитном поле электрон (в сверхсильном поле также и протон) может двигаться только параллельно выделенного направления вектора напряжённости магнитного поля, следовательно, в случае движения нейтрино вдоль этой оси и покоящегося нейтрона закон сохранения суммарного момента импульса системы сводится к закону сохранения «проекции спина» взаимодействующих частиц: Ниже приведём описание явления «прозрачности» среды для случая сверхсильного и сильного внешнего поля. При напряжённости магнитного поля В В движение электрона и протона в плоскости, перпендикулярной В, вырождено, а их поляризации — противоположны (s = 1 — спин протона всегда направлен по полю, s = — 1 — спин электрона — против). Т.к. налетающее нейтрино левополяризованное (спин направлен против импульса частицы), то процесс обратного /3-распада нейтрона в случае сверхсильного поля будет запрещён законом сохранения полного момента импульса (2.6.1) при отличии суммарной проекции спина системы от нуля. Следовательно, сечение процесса обращается в нуль при условии В магнитном поле напряжённостью Во- В В вырожденным является только движение электрона, в этом случае его спин всегда ориентирован против направления вектора напряжённости поля (s = -1). Учитывая, что поляризация протона может быть любой, можем заключить, что процесс обратного / -распада в случае сильного поля будет запрещён законом сохранения «проекции спина» системы (2.6.3) при выполнении условия: что продемонстрировано на Рис. 2.11(b). Таким образом, в соответствии с соотношением (2.6.3) закона сохранения «проекции спина», сечение процесса обращается в нуль в случае, когда сумма проекций спинов первоначальных частиц отлична от суммы проекций спинов образованных частиц: при распространении взаимодействующих частиц вдоль одной оси. При рассмотрении процесса обратного /?-распада нейтрона в сильном магнитном поле необходимо учитывать эффекты взаимодействия аномального магнитного момента (АММ) протона и нейтрона с магнитным полем. В частности, как показано в работах , учёт взаимодействия аномального магнитного момента протона и нейтрона приводит к смещению масс этих частиц. Эти эффекты играют существенную роль только в случае сверхсильного поля, когда соответствующий вклад АММ электрона в его энергию в этом случае пренебрежимо мал , т.к. вклад аномального магнитного момента нуклонов возрастает линейно с ростом величины магнитного поля, в то время как вклад АММ электрона растёт логарифмически (см. также ). В результате нейтрон становится стабильным в присутствии магнитного поля напряжённостью В 1.5 х 1018 Гс. С другой стороны в магнитном поле напряжённостью В 2.7 х 1018 Гс протон является нестабильной частицей относительно обратного /3-распада: р — п + е+ + ve.
История «нового света»
В сентябре 1932 года Сергей Иванович Вавилов был назначен научным руководителем Государственного оптического института (ГОИ), в связи с чем переехал в Ленинград. В северной столице он также возглавил физический отдел Физико-математического института Академии наук СССР.
По воспоминаниям сотрудников института с приходом Сергея Ивановича научная жизнь в физическом отделе заметно оживилась. Эти изменения коснулись прежде всего аспирантов. К примеру, был организован ряд лекционных курсов по математике и физике, чтобы восполнить пробелы в фундаментальных знаниях. Кроме того, у всех аспирантов появились научные руководители. Троих молодых ученых – Николая Добротина, Павла Черенкова и Антона Севченко – Вавилов взял под свое научное руководство. Впоследствии все трое стали известными физиками, а один – лауреатом Нобелевской премии.
В учение о люминесценции Сергей Вавилов внес огромный вклад. Это ему, в частности, принадлежит определение люминесценции через время высвечивания. Вавиловым были разработаны и экспериментальные методы, позволяющие определить основные характеристики люминесцирующих веществ
К исследованиям своего аспиранта Черенкова, ученый подошел с большим вниманием и энтузиазмом. Принимал участие в измерениях, познакомил аспиранта с собственным методом фотометрии по порогу зрения.
Вавилов С.И. с сотрудниками Государственного Оптического института за работой в лабораториях, 1934 г. Фото: Архив РАН
Какое же загадочное излучение увидел Черенков во время своих экспериментов? Свечение различных жидкостей под действием гамма-лучей наблюдалось и ранее. Вероятно, первой увидела такое излучение Мария Кюри. В ее работах упоминается слабое синее свечение в растворах с радием. Другой исследователь, Малле, в 1926 году также заметил особое свечение жидкостей рядом с радиоактивными веществами. Однако французский физик принял наблюдаемое им свечение за люминесценцию и никаких дальнейших исследований не провел. Нужно отдать должное упорству Павла Черенкова, с которым он подошел к изучению обнаруженного явления. Помогли опыт и знания Сергея Вавилова, в частности, понять, что обнаруженное свечение – не люминесценция, а что-то иной природы.
Первые сообщения об открытии были опубликованы в конце мая 1934 года в журнале Доклады Академии наук СССР. Одна статья была написана Павлом Черенковым, другая – его научным руководителем Сергеем Вавиловым. По сути, обе публикации представляли собой две части единого исследования о неизвестном ранее явлении, которое получило название «излучение Вавилова – Черенкова».
1. Свойства нейтрино
Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:
- электронное нейтрино/электронное антинейтрино;
- мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино
- тау-нейтрино/анти-тау-нейтрино
Масса нейтрино крайне мала. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7×10−3 эВ².
Масса нейтрино важна для предположения объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.
Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга. Это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино. Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в котором были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Подтверждение нейтринных осцилляций потребует внесения изменений в Стандартную Модель.
В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной.
2. История открытия
Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере
Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов ХХ века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.
С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть, спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным, и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр альфа-частиц при альфа-распаде.
Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 г. знаменитый датский физик Н. Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии! Однако было и другое объяснение — потерянную энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.
Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы выдвинул 4 декабря 1930 г. Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:
Впоследствии нейтроном была названа, как оказалось, другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах 1933—1934 итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино».
На Сольвеевском конгрессе 1933 г. в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином 1/2. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.
