Об ядерном реакторе, нейтрино и антинейтрино!

Друзья!
Из Сети.

"...Общей особенностью всех современных нейтринных телескопов являются меры, направленные на экранирование аппаратуры от всех посторонних частиц. Нейтрино, хотя их в природе очень много, засекаются детекторами очень редко. Любой посторонний шум от космических или земных частиц наверняка их заглушит.
Поэтому стандартное размещение нейтринной обсерватории — в шахте или, в некоторых случаях, под водой, чтобы вышележащая толща блокировала ненужное излучение. Эта толща тоже тщательно подбирается — горные породы, например, должны быть как можно менее радиоактивными. Граниты нам не подойдут, глины тоже. Хорошее место для детектора — шахта в толще чистого известняка.
Еще одно важное требование — быть как можно дальше от атомных электростанций. Работающий ядерный реактор является очень мощным источником антинейтрино, которые в данном случае излишни.
Лучшее направление для работы нейтринной обсерватории — прием частиц, пришедших снизу, сквозь нашу планету. Для нейтрино она прозрачна, для всего остального — нет.
Современные детекторы определяют нейтринное событие по «разрушительному эффекту». Когда неуловимая частица все-таки взаимодействует с веществом детектора, она вызывает разрушение первоначального атомного ядра с образованием каких-то иных частиц. Их-то затем и обнаруживают в детекторе.
Чтобы вызвать такую реакцию, нейтрино должно иметь собственную энергию не ниже определенного, нужного для данного детектора, уровня. Поэтому современная техника всегда имеет ограничение снизу — регистрирует нейтрино, имеющие энергию выше определенного уровня. В таком порядке мы их и рассмотрим.
Зачем мы вообще изучаем нейтрино?
"Нейтрино рассказывают нам чрезвычайно много о том, как Вселенная создается и удерживается от распада. Нет другого способа ответить на многие вопросы"-.
Натаниэль Боуден, ученый из Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса".https://hightech.fm/
...Други!
"Широкую известность получил эксперимент, поставленный в 2012 году в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилабе) в Чикаго – в ходе упоминаемого эксперимента ученым действительно удалось передать в пучке нейтрино информацию, а именно закодировать слово «neutrino». Информация была передана с мощнейшего современного генератора нейтрино NuMI на расстояние более километра и зафиксирована детектором MINERvA". https://habr.com/ru/users/OlegSivchenko/
Так что уже создаются практические радионейтрино-станции!
Частица-призрак постепенно раскрывает свои тайны!
Вл.Назаров
****************
1.В чем уникальность нейтрино и какие тайны они могут нам открыть


Нейтрино — самые загадочные фундаментальные частицы Стандартной модели. В чем их уникальность, зачем тратят столько усилий на их исследования и какие тайны они могут нам открыть? Объясняет главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов.
Частица из странности
Нейтрино предсказал в 1930-е немецкий физик Вольфганг Паули, существованием этой частицы он объяснял очень странное явление. Во время бета-распада ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса во всех распадах электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперименты показали, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.
Паули предположил, что в процессе деления ядра появляется еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы ее зафиксировать не могут. В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на новое ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.
Лишь в конце 1950-х нейтрино удалось наконец зарегистрировать. Представим мысленно еще раз весь процесс: распад ядра на другое ядро и появление электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, создающий такие распады, и есть поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеивается на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе из ниоткуда, вы можете сделать вывод, что это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Это и является основным убедительным средством регистрации нейтрино.
Такие разные
Как есть электроны и позитроны, частицы и античастицы — так есть нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникает в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — ?если появляется позитрон, то есть происходит прямой бета-распад и обратный бета-распад.
Есть электроны и соответствующий им тип нейтрино — электронный, и есть аналоги, лептоны второго и третьего поколений: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. У электрона, мюона и тау-лептона электрический заряд –1, а нейтрино — нейтральные частицы. Когда мы говорим, что зарегистрировали мюонное нейтрино, это значит, что оно было зарегистрировано в том процессе, когда появляется мюон; нейтрино электронное — ?когда появляется электрон; тау-нейтрино — когда появляется тау-лептон.
Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — тау-антинейтрино. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что такие частицы существуют.
Проходят сквозь стены
Нейтрино очень тяжело экспериментально изучать. Они свободно проходят через все преграды. Чтобы остановить нейтрино, нужно построить стенку, например, из свинца, шириной от Солнца до следующей звезды. Так что остается только описанный выше опосредованный способ регистрации — по результатам взаимодействия нейтрино с ядром.
Но есть и плюс: так как для нейтрино нет преград, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором этот источник находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг в режиме реального времени. Тот же принцип действует и в случае с ядерным реактором: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там происходят.
А если говорить о неядерных процессах и нейтрино более высоких энергий? У таких нейтрино длина свободного пробега относительно взаимодействия в веществе с энергией падает, и если, например, энергия нейтрино в 100 раз больше, чем масса протона, вещество становится не совсем прозрачным, то есть нейтрино все-таки с ним взаимодействует. Соответственно, немножко искажается поток этих нейтрино. Представим следующий процесс: космические лучи летят к Земле, взаимодействуют в атмосфере, в результате рождаются частицы второго или третьего поколения, которые распадаются за счет слабых процессов. Появляются энергичные нейтрино, которые проходят через центр Земли, вступают в реакции с веществом внутренних оболочек планеты. Мы можем поставить детектор на выходе, а потом сравнить поток вторичных и первичных нейтрино. Таким образом можно определить характеристики вещества Земли, то есть распределение плотных и неплотных компонентов. Получится своеобразный рентгеновский снимок или эхограмма нашей планеты.
Применений у нейтрино много, но, чтобы ими пользоваться, нужно разобраться в физике нейтрино и понимать, как они взаимодействуют в тех или иных случаях.
В поисках стерильного
С нейтрино связаны странные процессы: например, превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого — ?это называется нейтринными осцилляциями. За исследования в этой области уже присудили несколько Нобелевских премий по физике.
В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми частицами и подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. У каждого из них есть свой «близнец» — антинейтрино. Согласно одной из гипотез, кроме трех перечисленных поколений нейтрино существует еще и четвертое — ?стерильные нейтрино. Эти частицы не участвуют даже в слабом взаимодействии, отчего зарегистрировать их крайне сложно.
Обнаружить их можно по факту уменьшения потока антинейтрино в процессе осцилляций — при переходе «обычных» нейтрино в стерильные и обратно.
Сейчас в России проводят три эксперимента, цель которых — поиск стерильных нейтрино, все эти исследования поддерживает «Росатом». Первый эксперимент, DANSS, проходит на Калининской АЭС. В качестве источника нейтрино используется ядерный реактор одной из энергетических установок. На станции стоит детектор, который регистрирует антинейтрино, приходящие из ядерного реактора.
Второй эксперимент — «Нейтрино4». Его проводят в Димитровграде на исследовательском реакторе СМ3 в НИИАР. Третий, BEST, проводится в Кабардино-Балкарии, в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Там в качестве источника нейтрино используют короткоживущий изотоп хром51. По результатам взаимодействия нейтрино с детектирующим веществом (галлием) судят о том, есть стерильное нейтрино или нет. Эксперименты по изучению нейтринных осцилляций, конечно, проводят не только в России. В Китае, например, проходит реакторный нейтринный эксперимент Daya Bay, в международную коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран, в том числе из России. Там источник антинейтрино — ?шесть ядерных реакторов, а в трех залах, на расстоянии от 500 до 1800 м от источника, расположены восемь антинейтринных детекторов.
Многие слышали про эксперимент IceCube, который проводится в Антарктике. Глубоко подо льдом, на расстоянии от 1450 до 2450 м друг от друга, расположены тросы с прикрепленными к ним детекторами. Как мы помним, только нейтрино могут пройти Землю насквозь, так что IceCube регистрирует нейтрино, пришедшие из Северного полушария.
В японской подземной лаборатории находится детектор Super-Kamiokande — там работал японский ученый Такааки Кадзита, получивший Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций.
А в США в начале 2020-х планируется эксперимент DUNE. Там осцилляции нейтрино будут изучать одновременно два детектора: ближний (в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, где расположен ускоритель) и дальний, который будет находиться на расстоянии 1300 км, в Сэнфордской подземной исследовательской лаборатории.
Теоретические предсказания, касающиеся стерильных нейтрино, ученые пытаются уточнить уже на протяжении десятка лет, однако пока нельзя говорить о том, что какой-то эксперимент имеет стопроцентный успех.
Тем не менее это новая физика, которая сейчас активно развивается. Вне зависимости от результатов этих экспериментов мы существенно расширим наши знания об устройстве мира и дополним (или опровергнем) Стандартную модель.
https://strana-rosatom.ru/
****************
2.Нейтрино. Частица-призрак.

Вы можете сейчас сказать – какое мне дело до какого-то там нейтрино? Какое это вообще имеет отношение ко мне и моей семье? Ведь это что-то очень далёкое, что-то изучаемое в ускорителях частиц, зарытых глубоко под землю. Расскажите лучше, как на даче теплицу подешевле построить. Или там насос какой починить в пропитанном машинным маслом гараже. Всё больше пользы будет.
Да, Вы, наверное, правы. Но частица нейтрино сама о себе не расскажет.
Неизмеримое количество нейтрино
И сейчас я приведу Вам один головокружительный факт – через Ваше тело каждую секунду проходит примерно двести триллионов нейтрино! Да, я не ошибся: за то время, пока Вы читаете каждое слово этого предложения, через Вас проходит около 200 000 000 000 000 этих частиц!
Хотите знать почему? Тогда отложите в сторону своё рукоделие или слесарные инструменты и продолжайте читать.
К 1930 году учёным относительно хорошо был известен процесс бета-распада, при котором свободный нейтрон примерно через 15 минут в среднем распадается на протон и электрон. Всех этот процесс вполне устраивал. Потому что он был прост: вот нейтрон. Вот протон и электрон. Всё чётко вроде. Вследствие этого все люди были спокойны и доброжелательны по отношению друг к другу.
Однако в итоге оказалось, что не всё так просто. Поскольку выяснилось, что в ходе бета-распада не выполняются законы сохранения энергии и количества движения. Энергия и импульс нейтрона оказались больше, чем у образовавшихся протона и электрона. Однако никаких других частиц при этом не наблюдалось.
Ситуация была аховая. Фондовые биржи демонстрировали падение ключевых показателей, а в городах начались акции протеста. И тогда физик-теоретик Вольфганг Паули решил избавить человечество от этой напрягавшей всех ситуации. Он предложил возможное решение проблемы: такая непростая ситуация сложилась потому, что при бета-распаде рождается какая-то неизвестная частица. Частица-призрак, если можно так сказать. И учёные просто не могут её увидеть. Но именно она забирает недостающие энергию и импульс. Паули предположил, что эта частица должна иметь крайне низкую массу, или не иметь массы и заряда вовсе.
Бета-распад нейтрона. Из открытых источников.
Бета-распад нейтрона. Из открытых источников.
Ситуация в мире сразу же нормализовалась. Демонстранты побросали плакаты прямо на тротуары, и угрюмо разошлись по своим хижинам. Рынки стабилизировались. Скучная жизнь землян вошла в привычное русло.
Маленький нейтрон
Нужно было срочно дать имя для новой неуловимой частицы. Пока про неё никто не забыл. И это сделал ради всего человечества гениальный Энрико Ферми. Он рассуждал так: поскольку у новой частицы нет заряда, и её очень трудно увидеть, и, вероятно, у неё нет массы, тогда что? Правильно. Это «очень маленькая незаряженная частица». Что-то вроде «мини-нейтрона». Этакий «нейтрончик». Что по-итальянски звучит как «нейтрино». Всё просто на самом деле. Как пионерская панамка.

Итак, существование частицы-невидимки было предсказано. И она даже получила имя. Однако прошло целых 26 лет с момента появления гипотезы Паули, прежде чем эту частицу удалось наконец обнаружить. Это случилось лишь в 1956 году. Группа учёных под руководством американских физиков Клайда Коуэна и Фредерика Райнеса объявила, что нейтрино действительно существует. Кстати, это открытие принесло им Нобелевскую премию. С небольшим опозданием – в 1995 году.
Оказалось, что нейтрино – это лептон, как и электрон. Все мы помним конечно же, что лептон – это фермион, не участвующий в сильном ядерном взаимодействии, отвечающем за объединение протонов и нейтронов в атомы. Но в отличие от электрона нейтрино также не чувствует и электромагнитной силы, потому что не имеет заряда. Почти единственным взаимодействием, на которые он способен, является гравитационное. Но при этом оно очень слабое. И ещё нейтрино участвует в слабом ядерном взаимодействии. Именно оно отвечает за бета-распад, порождающий нейтрино.
Имея подобные свойства, нейтрино может проходить через просто гигантские объёмы материи, почти никак не взаимодействуя с ней. Ему нужно, например, столкнуться «лоб в лоб» с протоном, чтобы образовались нейтрон и позитрон. Но, конечно, шансы на это ничтожны. Поэтому нейтрино очень трудно остановить и обнаружить. Но есть и хорошая новость. Поскольку нейтрино практически нельзя остановить, они совершенно не опасны для людей и кошек. Так как проходят сквозь них, не взаимодействуя с формирующей их материей.
Вскоре после того, как экспериментально было обнаружено, что нейтрино существует, оказалось, что существует три вида нейтрино: одно связано с электроном, а два других связаны с двумя другими лептонами: мюоном и тауоном.
Дети Солнца
Каждое нейтрино может принимать участие в ядерных реакциях, в которых появляется какой-то соответствующий лептон. Поэтому недостаточно сказать просто «нейтрино». Чтобы не возникло путаницы при проведении каких-нибудь экспериментов на дому с обычными бытовыми коллайдерами, всегда нужно уточнять, какое именно это нейтрино. Поскольку есть электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Например, при бета-распаде образуется электрон, поэтому нейтрино, которое там участвует, должно быть электронным. Запомните это, друзья мои. Это очень важно.
Кроме того, у нейтрино есть античастица – антинейтрино. И интересно вот что – та частица, которую Паули предложил для объяснения распада нейтрона на протон и электрон, это не нейтрино. Это на самом деле электронное антинейтрино!
Нейтрино образуются разными способами: например, когда четыре протона объединяются, образуя ядро ??гелия в ядерном синтезе, два из них становятся нейтронами, испуская электронные нейтрино (среди прочего). Такие нейтрино в огромном количестве производит Солнце. И они очень интересны. Поскольку другим частицам и излучению, испускаемым Солнцем, требуется много лет, чтобы покинуть его из-за его огромной плотности. Но нейтрино на это чхать с высокой колокольни: они вылетают из Солнца так, как будто на их пути ничего нет (ну, почти).
Поэтому через Землю все время проходит просто колоссальное количество нейтрино, исходящих от Солнца.
Каждый квадратный сантиметр поверхности любого предмета на Земле получает около семидесяти миллиардов нейтрино в секунду. Это означает, что каждую секунду на Землю попадает около 90 000 000 000 000 000 000 000 000 000 нейтрино. Это одна из тех цифр, которые мне трудно осознать. И если вам, друзья мои, знакомо это число, напишите его название в комментариях.
Конечно же все эти нейтрино проходят через Землю почти не осознавая этого. Хотя некоторые все-таки неосторожно ударяются о нуклон и при этом исчезают. Однако подобные события происходят крайне редко.
Чтобы дать вам представление о том, как трудно их остановить, давайте проведём небольшой мысленный эксперимент.
Байкальский подводный нейтринный телескоп. Крупнейший подобный инструмент в России. Детекторы телескопа находятся на глубине более 1 км. Они регистрируют нейтрино по оставляемому ими следу, имеющему природу черенковского излучения. Из открытых источников.
Байкальский подводный нейтринный телескоп. Крупнейший подобный инструмент в России. Детекторы телескопа находятся на глубине более 1 км. Они регистрируют нейтрино по оставляемому ими следу, имеющему природу черенковского излучения. Из открытых источников.
Световой год свинца
Представьте, что Вашему непосредственному начальнику пришла в голову гениальная идея: нужно срочно построить барьер, который остановит половину солнечных нейтрино, достигающих какого-то подсобного помещения или каптёрки. Например, с помощью свинцовой стены. Он вызывает Вас к себе в кабинет и спрашивает: какой толщины должна быть такая стена? Вы просите час на расчёты и удаляетесь на свой рабочее место, оборудованное специальными арифмометрами. Итак, результат получен. Он шокирует. Готовы? Толщина свинцовой стены, способной остановить половину солнечных нейтрино должна иметь значение… один световой год! У начальства вряд ли найдётся в ответ на эту информацию пара нормальных слов. Только одни неприличные эмоции. Однако задача поставлена: до конца рабочего дня изготовить хотя бы макет такой стены. Для демонстрации высшему руководству. И чтобы лампочки там всякие мигали!
Нейтрино образуются и при ядерном делении. Как искусственном (на атомных электростанциях), так и естественном. Одни нейтрино обладают большей энергией, другие – меньшей. Иногда их бывает очень много. Например тех, что рождаются в сверхновой, когда скорости термоядерных реакций ускоряются на много порядков. И этим активно пользуются астрономы. Ведь в сверхновой плотность настолько большая, что очень трудно получить хоть какую-то информацию о том, что происходит у неё внутри. Однако «скользкие» нейтрино ускользают оттуда без проблем. И дают учёным необходимую информацию.
Поначалу учёные думали, что у нейтрино совсем нет массы. Однако сегодня науке известно, что это не так. Она у них есть. Но очень маленькая – менее одной десятитысячной массы электрона.
Вот такая вот интересная частица, этот нейтрино. Или эта?
Всем добра!
https://dzen.ru/alivespace.ru?noredir=true
******************
Материалы из Сети подготовил Вл.Назаров
Нефтеюганск
21 августа 2023 года.