Neytrinolar fizikasiga kirish

2.2. NEYTRINOLARNI QAYD QILISH METODLARI.
Neytrinolarni aniqlashning mavjud usullarini ko'rib chiqishdan oldin, ushbu jarayonda yuzaga keladigan xarakterli xususiyatlar va muammolarni ajratib ko'ramiz. Yerda aniqlangan neytrinolar oqimi quyidagilar bilan tavsiflanadi:
1) energiya jihatidan bir necha turdagi neytrinolarni ajratish mumkin, mos ravishda har xil turdagi neytrinolarga eng sezgir bo'lgan aniqlash usullari ham farqlanadi;
2) oqim materiyani, shu jumladan Yerni deyarli erkin kesib o'tadi, shuning uchun neytrinolar detektorga ham kunduzi,ham kechasi - Yer tomonidan yetib boradi. Bundan tashqari, oqim magnit maydonlar tomonidan burilmaydi va shuning uchun manbasini aniqlash mumkin;
3) oqim boshqa zarrachalarga nisbatan nisbatan zaif ya’ni kichik intensivlikka ega.
Ko'pgina neytrino detektorlari uchun quyidagilar to'g'ri keladi:

1. 
   har bir detektor bir turdagi neytrinolarni aniqlashga moslashtirilgan-odatda ma'lum bir manbadan ma'lum turdagi (lar) ning neytrinosidir;
   

2)detektorlar fon nurlanishidan himoya qilish uchun chuqur er ostida (taxminan 1 km) yoki suv ostida joylashgan; Yerdagi neytrinolarning mavjud manbalaridan, shuningdek, Yerning tabiiy radiatsiyaviy fonidan himoya qilish zarur;
3) detektorlar neytrinolarning o'zaro ta'sirining kichik kesimini va shunga mos ravishda qayd etilgan hodisalarning nisbatan kam sonini hisobga olgan holda etarli statistik ma'lumotlarni to'plash uchun etarlicha katta; odatdagi qiymat yiliga bir necha yuz yoki bir necha minggacha. Neytrinoni ushlash tezligi aniqlash reaktsiyasiga va neytrino energiyasiga bog'liq;
4) loyihalash, o'rnatish va sozlash jarayonida eng muhim vazifalardan biridetektor fonga qarshi kurashishdir; Buning uchun, xususan, quyidagi choralar ko'rilishi kerak: a) detektorni tashqi nurlanishdan, xususan, atmosfera muonlaridan ko'p qatlamli himoya qilish; b) ishlatiladigan materiallarning, aniqlovchi moddaning, aniqlovchi uskunaning, xususan, fotoko'paytirgichning nurlanish chastotasini ta'minlash.
Radiokimyoviy usul.
Misol tariqasida xlor bilan reaksiya yordamida neytrinolarni aniqlashning radiokimyoviy usulining sxematik diagrammasi 1946 yilda Pontecorvo tomonidan taklif qilingan. U mana bu reaksiyaga asoslanadi:
+³⁷Cl--→ +³⁷Ar
Xlor detektori suyuq, ya'ni u suyuq xlor o'z ichiga olgan modda bilan to'ldiriladi. Pontecorvo usulida neytrino ³⁷Cl atomi tomonidan ³⁷Ar radioaktiv izotop hosil bo'lishi bilan tutiladi va u teskari beta-parchalanish kanali orqali 35 kunlik yarimparchalanish davri bilan yana ³⁷Cl ga aylanadi. ³⁷Ar atom K- yoki L- atom qobig’ida turgan elektronini ushlaganda,tashqi qobiqlarning elektronlari bo'sh joyga o'tadi, bu esa ma'lum energiya va rentgen nurlanishi bilan Oje elektronlarining emissiyasiga olib keladi. Chunki Argon olijanob gaz bo'lgani uchun u boshqa moddalar bilan reaksiyaga kirishmaydi va shuning uchun aralashmadan osongina ajratiladi. Pontecorvo hosil bo'lgan argonni CCl4 uglerod tetrakloridini puflash va keyin gazni tushirish hisoblagichidagi 37Ar atomlarini hisoblash orqali olish niyatida edi. Pontecorvor neytrinolarning ikkita eksperimental tadqiqotning mumkin bo'lgan ob'ektlari manbasini ko'rib chiqdi: yadroviy reaktorlar va Quyosh.
Tutib olish reaksiyasining chegara energiyasi 0,814 MeV ni tashkil qiladi. Bu quyosh neytrinolarini o'rganishda ushbu usulning cheklangan qo'llanilishini nazarda tutadi, bu faqat "bor" va "berilliy" neytrinolarni, oqimni aniqlash imkonini beradi. Bu "p-p" neytrino oqimidan sezilarli darajada kamroq.
1949-yilda bu reaksiya yordamida birinchi tajriba L.Alvares (1969-yilda Nobel mukofoti laureati) tomonidan taklif qilingan.³⁷Cl manbai sifatida natriy xlorid NaCl ning konsentrlangan eritmasidan foydalanish kerak edi.Biroq, bu tajriba hech qachon amalga oshirilmagan.Shundan so'ng R. Devis kichik xlor detektorini yaratish bilan shug'ullanadi. Pontecorvo reaktsiyasiga asoslangan birinchi muvaf-faqiyatli tajriba neytrinolar va antineytrinolarning nimaligi va qandayligini tekshi-rish bo'yicha tajriba edi.Ushbu reaktsiya bilan keyingi tajriba quyosh neytrinolarini qidirish bo'yicha Devis tomonidan ham o'tkazilgan bir qator tajribalar edi.Ushbu tajribalarda perxloretilen C₂Cl₄ bilan to'ldirilgan detektor ishlatilgan.Reaksiya natijasida hosil bo'lgan radioaktiv argon geliy gazi idishidan puflash orqali olingan. Keyin argon ultra past darajaga sovutilib, muzlatilgan harorat (77 K) va faollashtirilgan uglerod bilan adsorbsiyalanadi (Adsorbsiya – qattiq yoki suyuq moddalar (adsorbentlar) sirtiga suyuq yoki gaz holidagi modda (adsorbat)larning konsentrlanishi (yutilishi)).Shundan so'ng atomlar argon proportsional hisoblagichlar yordamida ularning radioaktiv parchalanishi orqali qayd etilgan. Ushbu usulning afzalligi detektorning asosiy komponenti - perkloretilenning nisbatan arzonligi (bu kiyimni quruq tozalash uchun ishlatiladigan suyuqlik).

Sintilatsiya usuli.

Bunday detektorning asosiy reaktsiyasi neytrinolarning elektronlarga tarqalishining reaktsiyasi:
+ --→ +

2.2.1-rasm. Neytrinoning elektronga elastik sochilishi reaksiyasining sxemasi .Asosiy farq shundaki, detektor moddasi sifatida ultra toza sintillyatsion suyuqlik ishlatiladi.Aniqlanish elektronning tarqalishi natijasida yuzaga kelgan sintilatorda chaqnashlarda sodir bo'ladi. Sintillash texnologiyasining afzalligi uning yuqori yorqinligidir: u Cherenkov nurlanishining yorqinligidan taxminan 50 marta oshadi va u 50 KeV gacha energiyaga ega bo'lgan hodisalarga sezgir. Shuning uchun sintillyatsiya detektorining energiya chegarasi Cherenkov detektorining chegarasi-dan pastroq bo'lishi mumkin.Xususan, Borexino sintillyatsion detektori yordamida berilliy neytrinolari (0,861 Mev) aniqlanishi kutilmoqda. Aniqlashning ushbu usulining kamchiliklari - hosil bo'lgan sintillyatsion fotonlarning harakat yo'nalishi bo'yicha dastlabki neytrinoning harakat yo'nalishini aniqlab bo'lmasligi, detektor moddasining narxi qanchalik yuqoriligi va kam energiyali neytrinolar aniqlangan taqdirda, qo'shimcha ravishda, detektorni qurish uchun ishlatiladigan material-larning radiatsiya tozaligiga yanada qattiqroq talablar qo'yiladi.

Cherenkov usuli.
Cherenkov detektori avvalgilaridan tubdan farq qildi, chunki asosiy jarayon quyosh neytrinolarining suv elektronlari (odatda oddiy yorug'lik H₂O) tomonidan tarqalishidir.Neytrinoning suvning bir qismi bo'lgan atom bilan to'qnashuvi natijasida elektron atom qobig'idan uchib chiqib, suvda to'q ko'k porlashni hosil qiladi.
+ --→ +
Neytrino hodisasi haqida ma'lumot olish imkonini beradigan ishlab chiqarilgan fotonlarni ro'yxatga olish usullaridir. Bu aniqlash usuli bevosita, chunki elektron-ning chiqishi to'g'ridan-to'g'ri o'rnatiladi va u Bu bilanfarq qiladi: radiokimyoviy usullar (Homestake, GALLEX, ..), ularning asosiy reaksiya hosilalari qatʼiy boʻlmagan va oʻzaro taʼsir qilish fakti koʻp vaqt talab qiladigan va boshlangʻich neytrinoning harakat yoʻnalishi haqida maʼlumot bermaydigan murakkab kimyo-viy usullar bilan aniqlanadi. Ushbu usul neytrinolarning barcha lazzatlarini aniqlash imkonini beradi, ammo bu usul elektron neytrinolarga maksimal darajada sezgir.Uning afzalligi shundaki, neytrinoning qayerdan kelganini aniq aniqlash mumkin, chunki chiqarilgan elektron neytrinoning yo'nalishini saqlab qoladi.Ushbu usul uchun ro'yxatga olingan neytrinolarning chegara energiyasi detektorning tuzilishiga qarab 5-8 MeV oralig’ida bo'ladi.Chegaraviy energiya atomdan urilgan elektron Cherenkov nurini chiqarish uchun suvdagi yorug'lik tezligidan kattaroq tezlikda uchishi kerakligi bilan aniqlanadi.
Ushbu usulning muhim afzalligi detektorning asosiy moddasi - suvning arzonligi bo'lib, o'rnatishdagi suv ham nishon, ham detektor sifatida ishlaydi. Suvdan foydalanish natijasida past fon sifatida radioaktiv moddalarning minimal konsentratsiyasi bilan uning yetarli miqdorini topish qiyin emas. Cherenkov nurlanishi bilan aniqlash past energiyali alfa zarralari bilan bog'liq barcha fon hodisalarini qirqib olish aniqrog’i olib tashlashni osonlashtiradi. Bundan tashqari, tarqalish tajribalari zarrachaning kelish vaqtini aniq aniqlash imkonini beradi, bu neytrino hodisalari va ushbu manbaning xususiyatlari o'rtasidagi bog'liqlikni izlash uchun statsionar neytrino manbai holatida muhimdir.
Reaksiyada chiqarilgan elektronlarning energiya taqsimoti ma'lum darajada tushayotgan neytrinolarning spektrini aks ettiradi.Bu SCMni tasdiqlash uchun quyosh neytrinolarini aniqlashda muhim ahamiyatga ega. Ushbu modelga ko'ra, quyosh neytrinolarining bir nechta turlari mavjud, ular bir-biridan spektr va intensivliklari bilan farq qiladi. Shu tarzda, tarqalish reaktsiyalari radiokimyoviy aniqlash usulidan ham ijobiy farq qiladi, bu faqat neytrinolarni hisoblash tezligini aniqlash imkonini beradi.Ammo bu usulning kamchiliklari ham bor. Aniqlangan hodisa neytrino yoki elektron tomonidan sochilishi mumkin bo'lgan boshqa neytral zarralar tomonidan sodir bo'lganligini aniqlashning aniq usuli yo'q. Fonni kamaytirish zarurati Cherenkov detektorining yuqori chegara energiyasining yana bir sababidir. Shuning uchun quyosh neytrinolarining butun spektridan Cherenkov detektori faqat bor va hep-neytrinolariga sezgir. Bu haqiqat, shuningdek, natijada olingan samarali neytrino tarqalishi kesimining eng mos absorber(Absorber – absorbsiya jarayoni amalga oshiriladigan uskunaning asosiy apparati.Unda gaz-lardagi moddalar (shu jumladan zararli moddalar) suyuqlikka yutiladi. Kimyo sanoatida, kosmik kemalarning hayotni ta’minlash tizimlari va boshqalarda qoʻllaniladi)lar uchun samarali yutilish kesimiga nisbatan kichik bo'lishi neytrinolarni hisoblash tezligining past bo'lishiga olib keladi.
Radiokimyoviy usul. Galliy detektori
Kam energiyali neytrinolarni ro'yxatga olish uchun kam energiyali neytrinolarning galliy atomi bilan o'zaro ta'sirida germaniy atomi hosil bo'lishidan foydalanish mumkin. Biroq, galliy noyob va qimmat metall bo'lib, uning jahon ishlab chiqarish hajmi kichik va ishonchli natijalarga erishish uchun detektorda ushbu elementning taxminan 40 tonnasi bo'lishi kerak edi. Shuning uchun galliy detektorlari ancha keyin paydo bo'ldi. 1966 yilda Yadro tadqiqotlari institutining yosh nazariyotchisi V.Kuzmin Pontecorvo g'oyasiga asoslanib, galley ⁷¹Ga izotopi tomonidan neytri-nolarning yutilish reaktsiyasi radioaktiv germaniyning hosil bo'lishi chegara bilan davom etishini ta'kidladi, atigi 0,233 MeV.
⁷¹Ga+ --→⁷¹Ga+
Reaksiya natijasida kimyoviy jihatdan GeH₄ ga aylanadigan yarim yemirilish davri T_1/2 = 11,4 kunlik radioaktiv ⁷¹Ge izotopi hosil bo‘ladi. Bundan keyin germaniy atomlarining soni mutanosib hisoblagich bilan o'lchanadi.Shunday qilib, tajribaning umumiy sxemasi B. Pontecorvo taklif qilgan tajriba sxemasini aynan takrorlaydi. Galliy detektori neytrinolarni (233 keV) aniqlash uchun juda past chegaraga ega va shuning uchun u quyosh neytrinolarining barcha turlariga, shu jumladan asosiy quyosh neytrino oqimi - p-p neytrinolariga sezgir. Ishlaydigan galyum detektorlari faqat 90-yillarda paydo bo'lgan - bular GALLEX, SAGE va GNO detektorlari.
Akustik usul.
Hozirgi vaqtda neytrinolarni aniqlashning eng rivojlangan usullari Cherenkov (optik, ultrabinafsha va radio diapazonida), zaryadlangan zarralardan Vavilov-Cherenkov effektidan foydalangan holda - neytrinolarning o'zaro ta'siri natijasi, sintilatsiya va radiokimyoviy, beta parchalanishning yadroviy reaktsiyasini qayd etadi. Biroq, bu usullar barcha energiyalarga taalluqli emas va ularning cheklovlari mavjud. Ayni paytda diapazonni kengaytirish va neytrinoni aniqlash samaradorligini oshirish mumkin bo'lgan muqobil usullar mavjud. -rasmda hozirda ba'zi neytrino teleskoplari ishlayotgan energiya diapazonlari ko'rsatilgan va akustik usul yuqori energiyali neytrinolarni aniqlash va GZK uzilishining ta'sirini o'rganish, shuningdek, bunday energiyaga ega neytrinolarning kelib chiqishi va kosmologik nazariyalarni sinab ko'rish uchun ayniqsa muhim va foydali bo'lishi mumkin. Suvdagi akustik impulslarni (zichlik va bosim to'lqinlarini) qayd qiluvchi qurilmalarga gidrofonlar deyiladi. Ularning vazifasi to'lqinning energiyasini raqamli signalga va oxir-oqibat, bu to'lqin haqidagi ma'lumotga aylantirishdir. Neytrinolarni ro'yxatga olishda bizni qiziqtiradigan asosiy xususiyatlar akustik pulsning amplitudasi va to'lqin tarqalish tekisligidir. Ushbu ma'lumotlardan kaskad tomonidan suvda qolgan energiyani, uning kelish yo'nalishini va shunga mos ravishda dastlabki neytrinoning energiyasi va yo'nalishini topish mumkin. Hozirgi vaqtda eng rivojlangan va qo'llaniladigan bosim impulslarini piezoelektrik elementlar bilan ro'yxatga olish texnologiyasi bo'lib, u elektr zanjiriga ulanganda kristalning (yoki kristalli bo'lmagan pyezoelementning) deformatsiyasi va qutblanishi tufayli ushbu kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqim impulsini beradi. Joriy zarba triggerlar tomonidan tekshiriladi va raqamli signal sifatida qayd etiladi. Ushbu tamoyilga asoslangan gidrofonlar joylashuv va navigatsiya uchun harbiy maqsadlarda qo'llaniladi. Ular ishlab chiqarishda arzon, sezgirligi yaxshi, ammo kamchiliklari - bu pyezoelektr elementi kiritilgan sxemada elektronikadan ichki shovqin mavjudligi, shuningdek, bunday elektronikani har bir gidrofonga o'rnatish kerakligi.Katta chuqurlikda yoki muzda ishlaganda qulay emas.Ikkinchi turdagi ro'yxatga olish qurilmalari optik tolali gidrofonlardir. Bu hali ham laboratoriyalarda sinovdan o'tkazilayotgan va haqiqiy akustik neytrino detektorlarida qo'llanilmagan yangi texnologiya. Amaliyot printsipi shundaki, optik tola elastik deformatsiyalanadigan silindrga o'ralgan va bu silindr,o'z nav-batida, qattiq ramkaga qo'yiladi.

2.2.2-rasm.Zamonaviy neytrino detektorlarining ishlash diapazonlari.
Gidrofonning optik tolali lasan bir xil optik tola bilan impulsli lazerga ulanadi, u har bir alohida impuls gidrofonning butun uzunligi bo'ylab oldinga va orqaga harakat qiladigan davr bilan tola bo'ylab impulslarni chiqaradi. Gidrofonning kirish qismida va uning boshqa uchida lazer impulslari qisman aks ettirilgan Bragg oynalari mavjud. Ko'rsatilgan impulslar fotodetektor tomonidan qayd etiladi va deformatsiyalanmagan holatda, gidrofonning uzoq uchidan aks ettirilgan impuls qabul qiluvchiga fazada kelishi kerak, keyingisi kirish oynasida aks etadi. Bosim to'lqini elastik tsilindrni deformatsiya qiladi, buning natijasida optik toladagi yorug'lik yo'li o'zgaradi va impulslar orasidagi shovqin paydo bo'ladi. Uni ro'yxatga olish orqali tolaning deformatsiya darajasi va akustik to'lqinning amplitudasi haqida ma'lumot olish mumkin. Akustik signalning tarqalish yo'nalishi va tekisligini aniqlash uchun gidrofonlar qatoriga ega bo'lish kerak. Ushbu turdagi qurilmalarning asosiy afzalligi - har bir gidrofon yonida qo'shimcha elektronikaning yo'qligi. Lazer impulslari ishga tushiriladigan yorug'lik qo'llanmasiga bir nechta gidrofonlar joylashtirilishi mumkin, bu sezilarli darajada massivlarni yaratishni osonlashtiradi va detektorning narxini pasaytiradi. Elektron bilan bog'liq shovqinlar ham yo'q.
Akustik usul ishlab chiqilayotganligi va istiqbolli ko'rinishi sababli, ba'zi neytrino teleskoplari boshqa, masalan, Cherenkov detektori bilan bir qatorda akustik texnikani o'z ichiga oladi. Neytrinolarni aniqlashning akustik usulini ishlab chiqishning asosiy muammolaridan biri bu hisoblash uchun eksperimental tasdiqlangan nazariy modelning yo'qligi. Endi biz kaskadda ionlanish natijasida issiqlik ajralib chiqish jarayonlarini va issiqlik manbalarining muhitda taqsimlanish parametrlari boshlang'ich neytrino parametrlari bilan qanday bog'liqligini faqat sifat jihatidan tasavvur qilamiz. Dastlabki neytrino haqidagi ma'lumotlar akustik signalning parametrlariga qanchalik aniq kiradi. Shuning uchun, har bir aniq holatda, neytrinolar haqida ma'lumot olish algoritmlari o'zgartiriladi va tasdiqlangan nazariya bilan tavsiflanmaydi. Yana bir muammo kichik statistika bilan bog'liq, chunki ma'lumotlarni yig'ish yaqinda boshlangan.Akustik neytrino teleskoplarning kelajakdagi rejalashtirilgan loyihalari, shuningdek, gibrid detektorlar bu muammoni hal qilishi mumkin. Agar optik Cherenkov teleskoplari tomonidan olingan neytrinolarning kelish yo'nalishlari xaritasini akustik usul bilan berilgan taqsimot bilan birlashtirish mumkin bo'lsa, keyin bu koinotdagi neytrinolarning manbalarini aniqlashga yordam beradi, shuningdek, akustik detektorlarni kalibrlash va tegishli nazariyani qurish uchun qimmatli ma'lumotlarni beradi..
Boshqa metodlar(umumiy)
Quyosh neytrinolarini aniqlash bo'yicha birinchi tajriba 1967 yilda R. Devis rahbarligida sobiq Homestake oltin konida (Janubiy Dakota, AQSh) o'tkazilgan.Ushbu tajribada xlor-argon detektori ishlatilgan. Neytrinolarni aniqlash uchun quyidagi reaksiya ishlatilgan: +³⁷Cl--→ +³⁷Ar
Eslatib o'tamiz, reaktsiya energiyalari 0,814 MeV dan katta bo'lgan neytrinolar ta'sirida sodir bo'ladi.Bular.xlor detektori "bor" (8B) neytrinolariga eng sezgiridir. Natijalarga xalaqit beradigan asosiy qiyinchilik shu yillarda SSM yetarli darajada rivojlanmaganligi edi,neytrinolar bu zanjirlarning har biriga tushadi. Dastlab, "bor" va "beriliy" neytrinolarining shakllanishi bilan kechadigan reaktsiya ehtimoli juda kichik - 0,015% deb hisoblangan, bu xlor-argondan foydalanishning ma'nosizligiga olib keldi. Quyosh neytrinolarini aniqlash usuli. Biroq, Bakal tomonidan SSMda kiritilgan bir qator tushuntirishlardan so'ng, bu reaktsiyalarning ehtimoli 15% gacha ko'tarildi, bu birinchi tajribaga turtki berdi. . Unda Devis deyarli barcha 7Be yadrolari proton bilan reaksiyaga kirishib, keyinchalik "bor" neytrinolarini chiqaradi deb taxmin qildi.Detektor 3800 litrli perkloretilen idishi edi.Tajriba muvaffaqiyatsiz yakunlandi - bitta ham neytrino aniqlanmadi.Buning sababi, reaktsiyalarning asosiy zanjiri aniq ppII bo'lib, "berilliy" neytrinolarning paydo bo'lishiga olib keldi. Ammo 1960 yilda hisoblangan bor neytrinosini ushlash darajasi past baholandi, bu yana xlor-argon tajribasini amalga oshirishning iloji yo'qligini ko'rsatdi va faqat qo'lga olish intensivligi to'g'ri hisoblangandan so'ng, Brukhaven Quyosh Neytrino rasadxonasida tajribani amalga oshirishga tayyorgarlik boshlandi. Tajriba 1967 yilda boshlangan va uning birinchi natijalari Quyosh kutilgan yuqori energiyali neytrinolarning atigi uchdan bir qismini ishlab chiqarishini ko'rsatdi.