Odkrycie neutrina

W latach 40-tych skonstruowano pierwszy reaktor jądrowy. Okazało się, że procesy w nim zachodzące są wyjątkowo wydajnym źródłem anty-neutrin. W 1954 roku dwu amerykańskich fizyków Frederic Reines i Clyde Cowan postanowiło wykorzystać reaktor do przeprowadzenia pierwszej bezpośredniej obserwacji neutrin. Eksperyment, który przygotowali, bazował na tzw. odwrotnej przemianie beta, w której lecące anty-neutrino oddziałuje z protonem ośrodka produkując neutron i anty-elektron. Anty-elektron oddziałuje z jednym z elektronów zawartych w detektorze i w procesie anihilacji daje błysk światła. Neutron natomiast jest wyłapywany przez jądro atomowe ośrodka. W tym procesie również powstaje błysk światła. Reines i Cowan poszukiwali właśnie takich dwukrotnych rozbłysków. Eksperyment zakończył się sukcesem, efekty związane z oddziaływaniem anty-neutrina zostały zaobserwowane.


Na poprzedniej stronie wprowadziliśmy do teorii opisującej rozpad beta nową cząstkę - neutrino. Każda teoria w fizyce wymaga jednak eksperymentalnego potwierdzenia. Jak potwierdzić istnienie neutrina? Wydaje się to być bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe. Przecież raz stworzone w czasie rozpadu neutrino nie będzie oddziaływać elektromagnetycznie ani silnie jądrowo z materią detektora. Przy próbie detekcji neutrina trzeba zdać się na owo tajemnicze oddziaływanie słabe. Należy zadać pytanie, czy skoro neutrino rodzi się dzięki temu oddziaływaniu, to czy nie może ono wpływać na otaczającą je materię również za pośrednictwem tegoż oddziaływania? Pytanie takie zadali Hans Bethe i Rudolf Peierls w połowie lat 30-tych. Odpowiedzią zaś był tzw. odwrotny rozpad beta. W chemii często mamy do czynienia z reakcjami odwracalnymi, w których substraty możemy zastąpić produktami, a produkty substratami. W świecie cząstek powinien być możliwy podobny mechanizm. Skoro zachodzi rozpad beta, w którym neutron zamienia się w proton, elektron i neutrino, to być może możliwy jest proces odwrotny, w którym lecące neutrino oddziałuje z protonem zawartym w jądrze atomu, a w wyniku oddziaływania powstaje neutron oraz pozyton (anty-elektron), który opuszcza jądro atomowe. Proces ten spełniał wszystkie znane zasady zachowania, więc nie ma powodów, aby nie zachodził!

Rozpad beta i odwrotny rozpad beta

Mniej więcej w tym samym czasie, co rozważania Bethego i Peierlsa, Enrico Fermi, posługując się relatywistyczną mechaniką kwantową jako fundamentem, zapisał równania, które pozwalały na przewidywanie własności reakcji wywołanych oddziaływaniem słabym. Równania te, pomimo że oparte na dość ogólnych rozważaniach, które nie wnikały w naturę oddziaływania słabego, pozwalały dokładnie odtworzyć spektrum elektronów produkowanych w rozpadzie beta. Ponadto równanie można było zastosować do reakcji odwrotnego rozpadu beta i przewidzieć w ten sposób prawdopodobieństwo jego zajścia. Okazało się, że jest ono wyjątkowo małe. Neutrino powstające w procesie rozpadu beta może przeniknąć przez zbiornik wodny o długości około 1000 lat świetlnych, zanim zostanie zaabsorbowane w odwrotnym rozpadzie beta!!! W latach 30-tych eksperyment, w którym udałoby się wykryć odwrotny rozpad beta, wydawał się nie do przeprowadzenia. Pauli zaczynał żałować, że wprowadził do fizyki obiekt, którego najprawdopodobniej nigdy nie uda się wykryć...

Na szczęście w fizyce okres "nigdy" trwa zazwyczaj nie dłużej niż 20 lat. W tym wypadku było podobnie.

Pierwszy reaktor nuklearny zbudowany w Chicago w 1942 roku

II wojna światowa dla większości fizyków pracujących w USA minęła na pracy nad rozszczepieniem uranu. Najpierw w 1942 roku uruchomiono pierwszy reaktor jądrowy na uniwersytecie w Chicago, później w 1945 skonstruowano pierwszą bombę jądrową. Nowe pokolenie fizyków wychowane na projekcie Manhattan po zakończeniu wojny szukało dla siebie nowej pracy, pracy, w której wykorzystają zdobyte przez siebie wojenne doświadczenie i jednocześnie przysłużą się rozwojowi, a nie zagładzie ludzkości. Wśród tych fizyków był Fred Reines i Clyde Cowan. Ich współpraca zaowocować miała odkryciem poltergeista cząstek elementarnych - neutrina. Uczeni ci zdali sobie sprawę, że produkty powstające w czasie procesu rozszczepienia uranu są wyjątkowo wydajnym źródłem neutrin, rozpadają się bowiem bardzo szybko w procesach beta. Źródło to jest o wiele rzędów wielkości wydajniejsze niż naturalne izotopy promieniotwórcze, którymi dysponowali naukowcy w latach 30-tych. Bomba atomowa lub reaktor jądrowy o dużej mocy wydawały się wręcz idealnymi narzędziami, które mogły posłużyć do wykrycia neutrin. Reines i Cowan po długich rozważaniach i wstępnych pomiarach, które dawały dwuznaczny wynik, postanowili posłużyć się reaktorem w Savannah River w Południowej Karolinie jako źródłem neutrin. Detekcja ich miała natomiast opierać się na obserwacji przewidzianego 20 lat wcześniej odwrotnego rozpadu beta. Był rok 1955...

Reines i Cowan przy swoim pierwszym detektorze

Jak zarejestrować odwrotny rozpad beta? Przypomnijmy, że w procesie tym neutrino oddziałuje z protonem zamieniając go w neutron, przy czym następuje jednoczesna produkcja pozytonu (anty-elektronu). Jeśli reakcja zachodzi w ośrodku materialnym, a nie w próżni, to pozyton opuszczający obszar reakcji napotyka dość szybko na któryś z elektronów ośrodka. Następuje anihilacja. W czasie anihilacji para cząstka - anty-cząstka zamieniana jest na dwie cząstki światła (fotony), które biegną w kierunkach niemalże przeciwnych. Podstawową oznaką zajścia odwrotnego procesu beta jest więc pojawienie się dwóch rozbiegających się fotonów (błysków światła). Reines i Cowan w swoim doświadczeniu postanowili skorzystać ze zbiornika (a właściwie kilku) wypełnionego wodą. Odwrotny proces beta polegałby więc na zamianie jednego z protonów zawartych w wodzie na neutron. Neutron taki w wyniku oddziaływania zyskiwałby pewną energię kinetyczną i mógłby swobodnie poruszać się w ośrodku. Swoboda ta byłaby ograniczona jednak poprzez atomy ośrodka, z którymi zderzałby się w czasie ruchu, zmniejszając za każdym zderzeniem swoją energię. W końcu neutron stałby się bardzo powolny. A powolne neutrony mają tendencję do bycia absorbowanymi przez jądra atomów ośrodka. W wyniku absorpcji powstaje nowe jądro atomowe, które zazwyczaj jest w tzw. stanie wzbudzonym, czyli zawiera pewną dodatkową porcję energii, która jest emitowana z jądra w postaci cząstek światła (fotonów promieniowania gamma). Reines i Cowan dodali do wody chlorek kadmu, który zapewniał wydajną absorpcję neutronów. Obliczyli, że od momentu zajścia odwrotnej reakcji beta do momentu spowolnienia uwolnionego neutronu, jego absorpcji i emisji fotonów gamma przez powstałe jądro mija okres około 15 mikrosekund. W wyniku reakcji pojawiałyby się dwa fotony rozbiegające się w przeciwnych kierunkach pochodzące z anihilacji pozytonu oraz po upływie około 15 mikrosekund dodatkowe fotony wytworzone w procesie wychwytu neutronu przez jądro atomowe. Aby odkryć neutrina, trzeba więc zarejestrować fotony pojawiające się w wyniku reakcji. Aby to zrobić, zbiorniki wodne zostały otoczone detektorami zbudowanymi z substancji scyntylacyjnej. W wyniku przejścia przez nie wysokoenergetycznych fotonów powstałych w wodzie substancja ta zaczynała świecić. Świecenie było rejestrowane przez zestaw fotopowielaczy umieszczonych na jej brzegach.

Zasada eksperymentu Reinesa i Cowana

Tak przygotowany detektor został umieszczony około 10 metrów od rdzenia reaktora, od którego oddzielała go osłona zatrzymująca wszystkie cząstki materii prócz nieuchwytnych neutrin. Dodatkowo nad detektorem znajdowała się specjalna kilkunastometrowa osłona redukująca wpływ promieniowania kosmicznego, które stanowić mogło istotne tło dla badanego procesu. Eksperyment trwał ponad rok, po którym Frederic Reines i Clyde Cowan oznajmili, że ponad wszelką wątpliwość zaobserwowali błyski światła odpowiadające odwrotnemu procesowi beta, który musiał być indukowany przez neutrina pochodzące z reaktora. Cząstka, której istnienie zostało zapostulowane 20 lat wcześniej przez Wolfganga Pauliego, ostatecznie została odnaleziona.

Eksperyment Reinesa i Cowana

Przypomnijmy tu jeszcze raz konwencję, której się trzymamy - w wyniku rozpadu beta zgodnie z dzisiejszą nomenklaturą powstaje cząstka zwana anty-neutrinem. Również anty-neutrino zostało tak naprawdę zaobserwowane przez Reinesa i Cowana. Jednak w momencie dokonywania odkrycia cząstkę tę nazywano po prostu neutrinem. Jako że nie omówiliśmy jeszcze sposobu odróżnienia neutrina od anty-neutrina, póki co określamy oba te obiekty nazwą "neutrino".