САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ 
 
 
 

КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ  ФИЗИКИ 
 
 
 

ПРОБЛЕМА  СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО 
 
 
 

РЕФЕРАТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                          Студент: Дорохин  А. В.

                                          Группа: МФ-49

                                          Проверил: Абрамович С. Н. 
 
 
 
 
 
 
 

Саров

2002 
 

Содержание

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

 

      До  начала 30-х годов прошлого столетия никто не подозревал о существовании нейтрино. Они родились на кончике пера швейцарского физика-теоретика В. Паули в 1931 году в трудной и неясной ситуации, царившей в физике в то время. А ситуация была такая: эксперименты показали, что при испускании электронов атомными ядрами либо не соблюдается известный всем закон сохранения энергии, либо куда-то уносится энергия. Чтобы пояснить всю остроту положения, достаточно сказать, что даже сам Н. Бор допускал возможность нарушения закона сохранения энергии в микромире. Однако Паули нашел объяснение этому парадоксу, допустив существование нейтрино – частицы, являющейся, как выяснилось позже, главным действующим лицом во многих ядерных спектаклях, происходящих как на Земле, так и в космосе. Благодаря нейтрино недостаток энергии, обнаруженный в опытах по бета-распаду, легко объяснялся: энергию уносили нейтрино. Тем самым краеугольный камень физики – закон сохранения энергии – был спасен. "Крестным отцом" нейтрино стал известный итальянский физик Э. Ферми: именно он дал новой частице имя, означающее по-итальянски "малая нейтральная частица", "маленький нейтрон". Он же предсказал ряд ее свойств.

      Около четверти века нейтрино существовали только в формулах теоретической физики. Впервые их зарегистрировали американские ученые Ф. Райнес и К. Коуэн в экспериментах 1953 – 1956 гг., поместив сложную экспериментальную установку под "град" нейтрино, источником которых был мощный ядерный реактор. Уже первые эксперименты подтвердили свойства этих частиц, предсказанные теорией. Нейтрино перестали быть мифом и теперь являются полноправными элементарными частицами. Бурное развитие техники физического эксперимента за последние несколько десятков лет сделало возможными эксперименты по регистрации нейтрино, рожденных в естественных условиях, возникла новая область науки – нейтринная астрофизика. Первым объектом изучения стало наше Солнце.

      Нейтрино  обозначается буквой n, является электрически нейтральной частицей со спином 1/2, то есть фермионом. Принадлежит к классу лептонов, то есть, к легким частицам. Возможно, нейтрино имеют нулевую массу. К настоящему времени известно шесть лептонов, три из которых имеют отрицательный заряд: электрон, мюон и t-лептон, и три соответствующих аромата (сорта) нейтрино: электронное n_e, мюонное n_m и тау-нейтрино n_t, а также шесть антилептонов. Выдающийся физик, академик Б. М. Понтекорво теоретически предсказал существование двух сортов нейтрино – “электронных” и ”мюонных”. Очень скоро это предсказание блестяще оправдалось на опыте. Вскоре было открыто также тау-нейтрино. Понтекорво был также первым, кто указал на важность нейтрино для изучения звездных и, в первую очередь, солнечных недр.

      Важнейшим отличительным свойством нейтрино является их огромнейшая проникающая способность. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом растет с ростом энергии нейтрино. Общее количество фоновых нейтрино неизвестно, и оно может быть так же велико, как и количество фотонов. Нейтрино образуются при превращениях атомных ядер: в Земле в процессах распадов, в атмосфере при бомбардировке космическими лучами, в Солнце и в звездах.

      Регистрируют  нейтрино с помощью нейтринных обсерваторий, приборов, расположенных глубоко под землей, в шахтах. Земля не является преградой для нейтрино, но задерживает всевозможные помехи, которые существуют на ее поверхности. То есть, чем глубже находится нейтринный "телескоп", тем меньше посторонние помехи. Хотя радиоактивный фон и фон реликтовых нейтрино существует и глубоко под земной поверхностью.

ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРИНО В НЕДРАХ СОЛНЦА

      По  существующему представлению, в звездах, подобных Солнцу, синтез ядер гелия из протонов должен происходить с помощью протон-протонного (р-р) или углеродно-азотного (С-N) циклов.

      В первой реакции p-p цикла при столкновении двух протонов образуются ядро дейтерия и позитрон. Вероятность этой реакции очень мала, поскольку для совершения процесса требуется выполнение двух крайне редких условий. Во-первых, в момент столкновения протонов энергия одного из них должна быть намного больше средней тепловой энергии, чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания. Таких частиц очень мало. Во-вторых, необходимо, чтобы за короткое время (~10^-21с) один из протонов превратился в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон соединяется с протоном с образованием дейтрона, нейтрино покидает звезду, а позитрон аннигилирует с электроном с образованием гамма-квантов, которые поглощаются в звездном веществе. Особое внимание к первой реакции протон-протонного цикла обусловлено тем, что скорость энерговыделения в недрах Солнца задается именно ею, поэтому она определяет и темп жизни Солнца, и особенности процессов, происходящих в глубоких его недрах. Сечение этой реакции столь мало, что в ближайшем будущем вряд ли удастся в лабораторных условиях его измерить. Это сечение вычисляется теоретически.

      Дейтрон, возникший в первой реакции, быстро (секунды или доли секунды, в зависимости от температуры) превращается в изотоп ³Не, соединяясь с протоном. Дальнейшее развитие цикла протекает по различным каналам, в зависимости от температуры и химического состава звездного вещества. Установлено, что при Т₁ < 15Ä10⁶ К, при 15Ä10⁶ < T₂ < 25Ä10⁶ К и при T₃ > 25Ä10⁶ К преобладает соответственно один из трех различных вариантов реакций.

      Какой бы из циклов ни осуществлялся, конечный итог один: четыре протона превращаются в ядро гелия-4. При этом неизбежно образуются два нейтрино и гамма-кванты, а также два позитрона, которые впоследствии, соединяясь с электронами, тоже дают гамма-излучение. При образовании одного ядра гелия-4 из четырех протонов выделяется энергия 26,7 МэВ, равная разности энергии покоя четырех протонов и энергии покоя ядра ⁴Не. Эта энергия уносится электромагнитным излучением и нейтрино.

      В рассмотренных выше ядерных реакциях возникают гамма-кванты, которые распространяются в солнечном веществе по всем направлениям. На своем пути они взаимодействуют с атомами среды, ионами и электронами. В среднем такое взаимодействие имеет место на пути в 1 см, в то время как радиус Солнца составляет 7Ä10¹⁰ см. При каждом столкновении фотоны гибнут, порождая новые. В результате энергия фотонов постепенно уменьшается. Проходят сотни тысяч лет, прежде чем "дальним родственникам" рожденных в недрах Солнца гамма-квантов удается выбраться наружу. Но, к сожалению, они мало чем похожи на своих "предков": в ядерных реакциях рождаются гамма- и рентгеновские кванты, а выходят из Солнца фотоны оптического и ультрафиолетового диапазона. Это излучение никак не отражает свойств среды, в которой первоначально возникли кванты.

      Иное  дело – нейтрино. Для того чтобы покинуть Солнце, им нужно всего 2 с. Важно и то, что, пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества, нейтрино сохраняют всю ту информацию, какую они получили в термоядерных реакциях. Даже ночью солнечные нейтрино приходят к нам, проходя через толщу Земли, совершенно не замечая ее существования.

      Ежесекундно в недрах Солнца сгорает 3,6Ä10³⁸ протонов. Поскольку при превращении четырех протонов в ядро гелия-4 рождаются два нейтрино, в недрах Солнца должны ежесекундно генерироваться 1,8Ä10³⁸ нейтрино. Если теперь эту величину разделить на 4πR², где R = 150Ä10⁶ км – расстояние от Земли до Солнца, то получим величину полного потока нейтрино на Земле – 6,6Ä10¹⁰ нейтрино на 1 см² в 1 с. Важно отметить, что полный поток солнечных нейтрино слабо зависит от конкретных физических условий, реализуемых в глубоких недрах нашего светила. В то же время потоки отдельных групп нейтрино сильно зависят от состояния вещества в центральной части Солнца. Так, например, при изменении температуры от 12Ä10⁶ до 14Ä10⁶ К поток нейтрино, возникающих от распада ⁸В, меняется более чем в 15 раз, а поток нейтрино углеродно-азотного цикла – более чем в 10 раз. Это обстоятельство является исключительно важным, так как по мере удаления от центра Солнца скорость генерации нейтрино при распадах ⁸В, ¹⁵N и ¹⁵О падает настолько сильно, что их можно не учитывать. Таким образом, измерение даже одного потока нейтрино от распада ⁸В позволяет судить о температуре в центральной области Солнца.

      Согласно последним представлениям, горение водорода в недрах Солнца осуществляется в основном (от 98,4 % до 99,75% по различным данным) через протон-протонный цикл и только ≈1% – через углеродно-азотный цикл. Расчетное значение температуры в центре составляет 15,6Ä10⁶ К, а плотность – 148 г/см³. Нейтрино разных групп отличаются характером спектра, средней энергией, потоком и эффективной областью их генерации. Область генерации термоядерной энергии практически совпадает с областью генерации p-p-нейтрино. Скорость генерации ⁸В-нейтрино очень сильно зависит от температуры, поэтому поток таких нейтрино является мерилом температуры в центре Солнца. Наиболее растянутой по радиусу является область генерации нейтрино в результате реакции: ³Не + р à ⁴Не + е⁺ + n_е (так называемое hep-нейтрино). Две особенности являются характерными для этой группы нейтрино. Во-первых, поток этих нейтрино является индикатором концентрации гелия-3, очень хорошего термоядерного горючего. Во-вторых, энергетический спектр нейтрино простирается до высоких энергий: максимальная энергия составляет 18,77 МэВ. Такая особенность открывает уникальную возможность регистрации нейтрино этой группы. Не исключена возможность того, что горение гелия-3 в недрах Солнца является важным источником энергии.

 

ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО

 

      Наблюдения  солнечных нейтрино ведутся уже более тридцати лет. Наблюдаемое количество солнечных нейтрино оказалось значительно меньше вычисленного значения.

      Основными реакциями, происходящими в недрах Солнца, являются (Stockman, Jan. 12th, 1997):

p + p à d + е⁺ + n 
p + p + e à d + n 
d + p à ³He + g 
³He + ³He à p + p + ⁴He 
 
³He + ⁴He à ⁷Be + g 
⁷Be + е^- à ⁷Li + n 
⁷Li + p à ⁴He + ⁴He 
 
⁷Be + p à ⁸B + g 
⁸B à ⁸Be* + е⁺ + n 
⁸Be* à ⁴He + ⁴He.