Experimentul cu neutrini Cowan și Reines

Experimentul cu neutrini , numit și experimentul Cowan-Reines de la numele celor doi oameni de știință Clyde Cowan și Frederick Reines, care l-au dezvoltat în 1956 , a confirmat existența antineutrino , o particulă subatomică cu sarcină electrică zero și masă foarte mică.

Istorie

În anii 1930, prin studiul dezintegrării beta , devenise evident că trebuie să existe o particulă cu masă aproape nulă și fără sarcină electrică care nu a fost observată niciodată până în acel moment.

Aceste dovezi au apărut din observarea spectrului continuu de energie cinetică și a impulsului de electroni emis în decăderea beta. Dacă principiul conservării energiei trebuie menținut valabil, singurul mod în care acest spectru continuu ar putea fi explicat este că a treia particulă a fost produsă și emisă împreună cu electronul.

Această ipoteză a fost avansată de Wolfgang Pauli în 1930 și a fost considerată mult timp speculativă. A fost necesar să putem dezvălui direct existența particulelor ipotetice menționate mai sus pentru a schimba definitiv opiniile întregii comunități științifice.

Din fericire, teoria care descrie comportamentul particulelor implică faptul că, pe lângă dezintegrarea beta, trebuie să existe și alte reacții de intensitate cunoscută, inclusiv cele în care particula ipotetică interacționează cu un nucleu, producând transformarea nucleului în sine și emisia de o beta antiparticuloasă (= pozitron). O astfel de reacție, numită descompunere beta inversă, a fost utilizată cu succes de Reines și Cowan pentru a dezvălui prezența particulelor ipotezate mai sus.

Este semnificativ faptul că secțiunea transversală a dezintegrării beta inverse, măsurată în experiment, este de același ordin de mărime cu cea prezisă de teoria Fermi a dezintegrării beta.

Sursa de particule pe care au folosit-o a fost reactorul nuclear al fabricii Savannah River din Carolina de Sud. Aceste realizări importante i-au adus Reines Premiul Nobel în 1995.

Ideea experimentului

Antineutrino-ul prezis ar fi trebuit să interacționeze cu un proton (p) prin dezintegrarea beta inversă pentru a produce un neutron (n) și un pozitron (e ⁺ , antiparticula electronului)

${\bar {\nu }}_{e}+{\text{p}}\rightarrow {\text{n}}+{\text{e}}^{+}$ ${\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e} + {\ text {p}} \ rightarrow {\ text {n}} + {\ text {e}} ^ {+}}$ ${\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e} + {\ text {p}} \ rightarrow {\ text {n}} + {\ text {e}} ^ {+}}$

Positronul se anihilează apoi cu un electron emițând două raze gamma , care sunt detectabile. Neutronul poate fi detectat prin captarea acestuia pe un nucleu adecvat, care apoi eliberează o rază gamma. Coincidența acestor două evenimente - anihilarea pozitronului și captarea neutronilor - a indicat interacțiunea antineutrino.

Majoritatea nucleelor de hidrogen legate în moleculele de apă au ca nucleu un singur proton. Acești protoni servesc drept țintă pentru antineutrini dintr-un reactor. Pe de altă parte, în cazul nucleelor grele, cu protoni și neutroni diferiți, mecanismul de interacțiune este mai complicat și nu este întotdeauna bine descris având în vedere protonii care îi constituie ca protoni liberi.

Aparat experimental

Sursa antineutrinilor utilizată de Cowan și Reines a fost un reactor nuclear , așa cum sugerează divizia de fizică din Los Alamos condusă de JMB Kellogg ^[1] . Fluxul a fost de aproximativ 10 ¹⁷ neutrini pe secundă pe centimetru pătrat, mult mai mare decât orice flux care poate fi obținut din alte surse radioactive .

Neutrinii au interacționat apoi cu protonii din două rezervoare de apă, creând neutroni și pozitroni. Anihilarea pozitronului cu un electron a generat apoi o pereche de raze gamma. Pentru a detecta razele gamma, rezervoarele de apă au fost plasate în rezervoare conținând scintilator lichid. Materialul sclipitor produce sclipiri de lumină atunci când este lovit de raze gamma, iar această lumină a fost detectată prin tuburi fotomultiplicatoare .

Cu toate acestea, acest prim experiment nu a fost suficient de decisiv și, prin urmare, a fost perfecționat pentru a îmbunătăți fiabilitatea rezultatelor. Prin adăugarea de clorură de cadmiu în rezervorul de apă a fost posibilă detectarea neutronilor. Cadmiul este un absorbant de neutroni foarte eficient și emite raze gamma atunci când absoarbe un neutron ^[2] .

${\text{n}}+^{108}{\text{Cd}}\rightarrow ^{109}{\text{Cd}}^{*}\rightarrow ^{109}{\text{Cd}}+\gamma$ ${\ displaystyle {\ text {n}} + ^ {108} {\ text {Cd}} \ rightarrow ^ {109} {\ text {Cd}} ^ {*} \ rightarrow ^ {109} {\ text {Cd }} + \ gamma}$ ${\ displaystyle {\ text {n}} + ^ {108} {\ text {Cd}} \ rightarrow ^ {109} {\ text {Cd}} ^ {*} \ rightarrow ^ {109} {\ text {Cd }} + \ gamma}$

Dispozitivul a fost astfel încât raza gamma emisă de cadmiu ar fi fost detectată la 5 microsecunde după razele gamma emise de pozitron, dacă ar fi efectiv produse de neutrino.

Rezultate

Experimentul preliminar a fost efectuat la locul Hanford , dar a fost apoi mutat la locul râului Savannah din Carolina de Sud, lângă Aiken, unde exista o protecție mai bună împotriva razelor cosmice . Experimentul a fost plasat la 11 metri de reactor și la 12 metri sub pământ.

Două rezervoare au fost folosite pentru un total de aproximativ 200 de litri de apă și circa 40 kg de dizolvat _CDCI2. Rezervoarele de apă au fost plasate între trei straturi de scintilatoare care conțineau tuburi fotomultiplicatoare de 127 mm.

După luni de zile luând date, au acumulat date pentru aproximativ trei neutrini pe oră. Pentru a fi absolut siguri că au detectat evenimente neutrino, au oprit reactorul pentru a verifica dacă există o diferență în numărul de evenimente detectate.

Secțiunea transversală a prezis pentru reacție a fost de aproximativ 6 x 10 ^-44 cm ² și secțiunea transversală măsurată a fost de 6,3 x 10 ^-44 cm ^2. Rezultatele lor au fost publicate pe 20 iulie 1956 în Science ^[3] .

Clyde Cowan a murit în 1974; în 1995, premiul Nobel pentru fizică i-a fost acordat lui Frederick Reines pentru munca sa asupra fizicii neutrinilor ^[4] .

Notă

^ Experimente Reines-Cowan. Detectarea Poltergeistului , la permalink.lanl.gov .
^ ScienzaPerTutti, 4. Descoperirea neutrinului , pe Scienzapertutti.lnf.infn.it . Adus pe 3 martie 2017 .
^ (EN) CL Cowan, F. Reines și FB Harrison, Detection of the Free Neutrino: a Confirmation , în Știință, vol. 124, nr. 3212, 20 iulie 1956, pp. 103-104, DOI : 10.1126 / science.124.3212.103 . Adus pe 21 noiembrie 2016 .
^ Premiul Nobel pentru fizică 1995 , la www.nobelprize.org . Adus pe 21 noiembrie 2016 .

Elemente conexe

[1] Experimente Reines-Cowan. Detectarea Poltergeistului , la permalink.lanl.gov .

[2] ScienzaPerTutti, 4. Descoperirea neutrinului , pe Scienzapertutti.lnf.infn.it . Adus pe 3 martie 2017 .

[3] (EN) CL Cowan, F. Reines și FB Harrison, Detection of the Free Neutrino: a Confirmation , în Știință, vol. 124, nr. 3212, 20 iulie 1956, pp. 103-104, DOI : 10.1126 / science.124.3212.103 . Adus pe 21 noiembrie 2016 .

[4] Premiul Nobel pentru fizică 1995 , la www.nobelprize.org . Adus pe 21 noiembrie 2016 .

[1]

[2]

[3]

[4]