Neytrinolar fizikasiga kirish

Kurs ishining tadqiqot obekti.Oily ta’lim bakalavriat bosqichida fizika kursining “Atom yadrosi va elementar zarralar fizikasi” bo’limining neytrinolar fizikasini o’rganish va uni amaliyotda qo’llanilishi orqali tushintirish jarayoni.
Kurs ishining predmeti. KURS ISHI ni bajarishda “Atomyadrosi va Elementar zarralar fizikasi” bo’limining neytrinolar fizikasini o'rganish va uni takomillashtirishnig zamonaviy ahamiyati.
Kurs ishining metodi.Tadqiqot ishining bajarilishida muammoga oid ilmiy, ilmiy-uslubiy ishlar va adabiyotlarni taxlili, hamda tadqiqot natijalarini umumlashtirish va matematik – statistik ishlov berish metodlaridan foydalanildi.
Ishning ilmiy va amaliy ahamiyati. Oily ta’lim bakalavriat bosqichida fizika kursining “Atom yadrosi va elementar zarralar fizikasi” o’qitish jarayoni zamonaviy uslubda mashg’ulot o’tish ko’rsatiladi.Neytrino zarrasi qanchalik muhimligi ilmiy isbotlab beriladi.
Ko'proq tushunish va o'rganish uchun quvvat yoki materiya, sirli subatom zarralarini o'rganish juda muhim. Fiziklar atom osti zarrachalariga qarashadi -neytrinolar - ular kelib chiqqan turli hodisalar va jarayonlar haqida qo'shimcha tushunchaga ega bo'lish. Biz neytrinolarni o'rganish orqali yulduzlar va ayniqsa quyosh haqidabilamiz. Koinot haqida o'rganish kerak bo'lgan juda ko'p narsa va neytrinolarning qanday ishlashini tushunish fizika va astronomiyaga qiziqqan har qanday olim uchun eng muhim qadamdir.
Neytrinolarning kashf qilinishi, kelib chiqish sabablari tahlil qilinadi, neytrino nima uchun kerak degan savolga javob beriladi.Neytrinolarni qayd qilish metodlari, uning turlari o’rganiladi. Neytrinoning bugungi kundagi Atom yadrosi va elementar zarrachalar fizikasidagi ahamiyati qanchalik kuchliligi o’rganiladi va tahlil qilinadi.
I BOB. NEYTRINOLAR FIZIKASIGA KIRISH
1.1 Neytrinolar fizikasining yuzaga kelishi.
Olimlar uchun no’malum yangi zarra paydo bo’ldi. Bu yangi zarra ham yemirilishlarni o’rganayotganda ma’lum bo’lib qoldi va qandaydir no’malum zarra-cha borligini shunchaki olimlar taxmin qilishdi.Buni aniqlashga urinish-ganida esa,bu zarra olimlardan har safar qochayotganday edi. U olimlar uni tutish uchun qo’yayotgan turli tuzoqlardan bemalol, ya’ni muammosiz va talofatlarsiz o’tib ketar edi. Olimlar buni sababini tushunishmasdi. Qanday qilib unga qo’yilgan to’siqlardan sezilmasdan va eng asosiysi iz qoldirmasdan o’tmaqda deya olimlar ajablanishardi. Olimlar uni izlash uchun boshida o’tkazgan tajribalarda faqatgina energiyani o’g’irlab ketuvchi zarra sifatida namoyon bo’lardi xolos. Uni tutishni boshqacha usullarini qo’llashganda u o’zining xossalarini namoyish qilishni boshladi. Ammo har safra tajribalarda uning turlicha xossalari namoyon bo’laverganidan keyin, olimlar bu zarracha- juda murakkab va ko’p xossalarga ega zarracha degan xulosalrga kelishdi. Bu xosslarni birin-ketin o’rganishni boshlagan olimlar bu zarra zamonaviy fizika uchun juda zarur zarracha ekanligiga ishonch komil qilishdi. Bu zarrachaning turli xossalari o’rganilgan sari zamonaviy fizikaning yo’nalishlari ham , o’zi ham rivojlana bordi.
Neytrino – elektr zaryadi 0 ga , spini ½ ga va tinch holatdagi massasi 0 ga yaqin bo’lgan elementar zarra. Neytrino-leptonlarga oid elektrik neytral zarra. Leptonlar- kuchli o’zaro ta’sirlashishlarda qatnashmaydigan zarralar gruppasi(bu nom yunoncha “lepton”-“yengil’ so’zidan kelib chiqqan). Barcha leptonlar ½ spinga ega. Zaryadlangan leptonlar- elektron ,myuon , og’ir lepton va ularning mos antizarralari , , hamda neytral leptonlar- neytrinoning turli xillari mavjud. Zaryadlangan leptonlardan birinchi bo’lib 1897-yilda ingliz olimi J.J.Tomson tomonidan kashf qilingan(elektron). Uning antizarrasi- pozitronni 1932-yilda amerika fizigi A.Anderson kosmik nurlar tarkibida aniqladi. 1936-yilda yana kosmik nurlarni o’rganish vaqtida myuonlar va lar topilgan(K.Anderson va S.Neddermeyer).
19-asrning oxirida, fiziklar barcha mumkin bo'lgan qonunlar allaqachon kashf etilganidan va bu kasb o'z ahamiyatini yo'qotayotganidan jiddiy qo'rqishganda, Bekkerel fizikada yangi davrni boshlab, radioaktivlikning ta'sirini aniqladi. O'rganish jarayonida bu ta'sir uch turga bo'lingan: alfa, beta va gamma nurlanish. Birinchisi geliy yadrolari oqimi, ikkinchisi elektronlar oqimi, uchinchisi esa fotonlar oqimi edi. Radioaktivlikning o'zi atomning yuqori energiyali holatdan past energiyali holatga o'tishi deb hisoblangan va bu farq chiqarilgan zarrachaning energiyasiga to'liq teng edi.1914 yilda Jeyms Chedvik beta-parchalanish natijasida hosil bo'lgan elektronlarning energiyasini o'lchaguncha hammasi yaxshi edi. Boshqa barcha turdagi nurlanishlar uchun bo'lgani kabi, bir nechta aniq chiziqlar o'rniga, u uzluksiz spektrni kuzatdi.Bu qandaydir noma’lum zarracha energiya bir qismini olib ketishi mumkinligiga ishora qilardi.Shundan so’ngnoma'lum zarrachani qidirish boshlandi. Atom yadrolarining betta yemirilishida chiqadigan elektronlarning kinetik energiyasi 0 dan biror E(max) qiymatgacha oraliqda istalgan qiymatlar olishini topgan edi. Energiyaning saqlanish qonuniga ko’ra, elektronlar boshlang’ich va oxirgi yadrolarning energiyalari farqi bilan belgilanuvchi juda aniq energiya qiymati olishi kutilgan edi. Boshqa tip yemirilishlar aynan shunday xossaga ega edilar. Paulining taxminicha, energiyaning bir qismini qandaydir ko’rinmaydigan zarra olib ketadi va uning energiyasi bilan elektron energiyasi yig’indisi, haqiqatan, doimiy bo’lib faqat shu zarra bilan elektron orasidagi energiya taqsimoti o’zgaradi. O’sha yillarda faqat elektron, proton va fotongina ma’lum bo’lib, bunday taxmin qilish uchun juda katta ilmiy jasorat kerak edi. Energiyaning saqlanish qonuni quyidagicha usul bilan “qutqarib” qolindi.Radioaktiv yemirilishda elektron bilan birga neytral zarra ham uchib chiqadi. U modda bilan deyarli o’zaro ta’sirlashmaydi va shuning uchun ham to’xtamay tashqariga uchib chiqadi va o’zi bilan ortiqcha energiyani olib ketadi. Shu zarra uchib chiqqanda tepki tufayli yadroda vujudga keladigan harakat miqdorini ham o’lchadilar.Biroq zarraning borligini batamom isbot qilish uchun shu zarraning moddaga bevosita ta’sirini ko’rish kerak edi.Fermi nazariyasi bunday zarrachani qanday izlash haqida juda yaxshi maslahatlar berdi. Beta-parchalanish reaktsiyasini turli yo'nalishlarda "aylantirish" mumkin, xususan, pozitron va neytron hosil bo'lgan proton tomonidan antineytrinoni tutib olish ko'rib chiqilishi mumkin. Bunday hodisaning ehtimolini hisoblash qiyin emas edi, ammo natija fiziklarni juda hayratda qoldirdi. O'zaro ta'sir aniq sodir bo'lishi uchun neytrino qo'rg'oshin bo'ylab Quyoshdan Yergacha bo'lgan masofadan 10 million marta kattaroq masofani bosib o'tishi kerak. Bu olimlarni uzoq vaqt davomida neytrinolarning o'zaro ta'sirini qidirishdan chekinishga va bilvosita dalillarni qidirishga majbur qildi.Bu zarrani nomini Neytrino deb atashdi.Bu nomni 1932-yilda E.Fermi o’ylab topgan bo’lib, u italyanchadan tarjimada “neytroncha” degan ma’noni bildiradi. Neytrinoning mavjudligi haqidagi gipotezani V.Pauli 1930-yilda energiyaning saqlanish qonunini qutqarish maqsadida tavsiya qilgan edi.Butun fizika zaminida yotgan bu fundamental qonunga nima tahdid qilardi? Atom yadrolarining betta yemirilishida chiqadigan elektronlarning kinetik energiyasi 0 dan biror E(max) qiymatgacha oraliqda istalgan qiymatlar olishini topgan edi. Energiyaning saqlanish qonuniga ko’ra, elektronlar boshlang’ich va oxirgi yadrolarning energiyalari farqi bilan belgilanuvchi juda aniq energiya qiymati olishi kutilgan edi. Boshqa tip yemirilishlar aynan shunday xossaga ega edilar. Paulining taxminicha, energiyaning bir qismini qandaydir ko’rinmaydigan zarra olib ketadi va uning energiyasi bilan elektron energiyasi yig’indisi, haqiqatan, doimiy bo’lib faqat shu zarra bilan elektron orasidagi energiya taqsimoti o’zgaradi. O’sha yillarda faqat elektron, proton va fotongina ma’lum bo’lib, bunday taxmin qilish uchun juda katta ilmiy jasorat kerak edi. Energiyaning saqlanish qonuni quyidagicha usul bilan “qutqarib” qolindi.Radioaktiv yemirilishda elektron bilan birga neytral zarra- neytrino ham uchib chiqadi. U modda bilan deyarli o’zaro ta’sirlashmaydi va shuning uchun ham to’xtamay tashqariga uchib chiqadi va o’zi bilan ortiqcha energiyani olib ketadi. Neytrino uchib chiqqanda tepki tufayli yadroda vujudga keladigan harakat miqdorini ham o’lchadilar.Biroq neytrinoning borligini batamom isbot qilish uchun neytrinoning moddaga bevosita ta’sirini ko’rish kerak edi.E.Fermi 1934-yilda yaratgan -yemirilish nazariyasi (neytrino ishtirokida) eksperimentlarda tasdiqlandi.Birinchi bilvosita dalillarni 1936 yilda Aleksandr Ilich Leipunskiy qo'lga kiritgan. U taklif qildi va tez orada o'zi uglerod izotopining parchalanish reaktsiyasini tadqiq qildi: Dastlabki uglerod atomi tinch holatda, shuning uchun neytrino mavjud bo'lmasa, u holda bor atomi va pozitronning umumiy impulsi nolga teng bo'lishi kerak. Qiziqarli zarralar zaryadga ega bo'lganligi sababli, ularning momentini o'lchash qiyin emas edi. Tajriba shuni ko'rsatdiki, bor atomi va pozitronning kengayishi kompensatsiyalanmagan, ya'ni ma'lum bir zarracha, kutilgandek, impulsni olib ketadi Neytrino gipotezasi beta-parchalanish batafsil o'rganilgandan so'ng paydo bo'ladi. Nuklon darajasidagi formula: n → p + e+?, va dastlab 1930-yilda zarraning ikki zarraga, ya'ni proton va elektronga parchalanishi aytilgan. Yadro nasl yadroga aylanadi va elektron uchib chiqadi. Taxminan 1928-1929 yillar yillar davomida beta parchalanish spektroskopiyasi paydo bo'ldi, ya'ni barcha spektrlar paydo bo'ldi.elektronlar shunday ko'rinadi (1-rasmga qarang). Shu sababli, tabiiy bor savol: Energiya qayerga ketadi? .

1.1.1-rasm. Betta–parchalanish spektri

Aslida, o'sha paytda ham chegara energiyalari hisoblab chiqilgan. Birinchi energiya munosabatlari qayd etilganda, tajriba kuzatilgan va biz taxmin qilgan narsalar o'rtasidagi to'liq nomuvofiqlikni ko'rsatdi. Ya'ni, monoxromatik spektr o'rniga biz har bir elektron emissiya bilan birga bo'lganini kuzatamiz.1938 yilda A.Alixonov neytrinolarning mavjudligini tekshirishning juda nafis usulini taklif qildi.Gap shundaki, o'ttizinchi yillarning o'rtalarida o'rganish elektron ta'qib qilish kabi hodisa (beta-parchalanishning uchinchi turi).Tajribaning ikkinchi varianti 1938 yilda Alixonov va Alixanyan tomonidan taklif qilingan va 1942 yilda Allen tomonidan amalga oshirilgan. G'oya berilliy atomida elektron tutilishini o'rganish edi: + 0.86 МeV Bu formula ⁷Be da e-tasvirdir. Alixonov quyidagilarni taklif qildi: e-qo'lga olish sodir bo'ladi, chunki biz ⁷Li undan olingan deb hisoblaymiz, bu biz xarakterli rentgen chiziqlari bilan kuzatilishi mumkin. Pastki orbitaldan elektron yadroning o'zida ma'lum bir ehtimolga ega va proton bilan reaksiyaga kirishib, neytrino hosil qilishi mumkin. Dastlab, atom tinch holatda va agar zarracha to'satdan undan uchib chiqsa, hosil bo'lgan litiy atomi boshqa yo'nalishda uchib ketishi kerak. Tajriba sirli zarracha mavjudligini yana bir bor isbotladi. Shunday qilib, neytrino mavjudligining ishonchli dalillari olindi, ammo zarrachani to'g'ridan-to'g'ri aniqlash uzoq vaqt davomida hal qilinmagan va juda hayajonli muammo bo'lib qoldi. Ammo energiyani hisoblash va har safar energiyaning bir xil qismini yo'qotgani-mizda, bizda bir yadrodan ikkinchisiga shakllanish jarayoni borligiga ishonch hosil qilish mumkin edi. Ba'zi zarrachalar energiya olib ketadi degan xulosaga kelinishiga zamin yaratildi. 1942 yilda Jeyms Allen tajriba o'tkazadi ⁷Be da e-qo'lga kuzatish va faqat holatda, degan xulosaga keldi 0,86 MeV kinetik energiyasini olib ketadigan yana bitta zarracha.Olimlar uchun juda murakkab xossaga ega zarracha paydo bo’lgandi.Biroq fiziklar neytrinoni “tutish”guncha 20 yildan ortiq vaqt o’tdi. Bunday holga zarrachaning g’alati xossalari sabab bo’ldi.Ammo neytrinolarning ro'yxatga olinishi faqat ellikinchi yillarning o'rtalarida sodir bo'lgan. Neytrinolarni ro'yxatga olish uchun fizika bo'yicha nobel mukofoti 1956 yilda olingan. Neytrinolarni aniqlashgaoid birinchi urinishlar Xanfordda bo'lib o'tgan. Xanford dunyodagi birinchi atom elektr stantsiyalaridan biridir.Bunday tajriba 1953-yilda amerikalik fiziklar Fred Raynes vaKlayd Kouen tomonidan amalga oshirildi. Yadro reaktorida yadrolarning radioaktiv yemirilishi natijasida vujudga kelgan neytrino oqimi suvga tushirildi. Neytrinolar vodorod yadrolari (protonlar) bilan o’zaro ta’sirlashib, neytronlar va pozitronlar hosil bo’ladi. Bu reaksiyani hosil bo’layotgan pozitronlarning o’rab turgan elektronlari bilan birga annigilyatsiya va neytronlarning yadrolar tomonidan tutilishi natijasida hosil bo’ladigan -kvantlarni kuzatib bilish mumkin edi.1955 yilda Savannah daryosi zavodi qurildi, zavod balandligi taxminan 10 m edi. Reyns va Koen juda katta hajm kerakligini tushunishdi. Bu juda murakkab sintilat-siya tipidagi detektorlar edi. Bu yadro reaktorlaridan antineytrinolarni ro'yxatga olish va ularga bu zarrani birinchi bo'lib qayd etgan birinchi odamlarga juda katta shuhrat keltirdi.

1.1.2-ram. Reyns va Koen tajribasidagi detektor sxemasi
Atom yadrosining vujudga kelishida, uning o’rganilishida , uning rivojlanishida izotoplar va neytrinoning kashf qilinishi juda katta turtki bo’ldi. Neytrino – elektr zaryadi 0 ga , spini ½ ga va tinch holatdagi massasi 0 ga yaqin bo’lgan elementar zarra.
Shu tajribalar asosida olimlar neytrino qilgan xulosalar ,Neytrino elektrik neytral bo’lgani uchun elektromagnit o’zaro ta’sirlarda ishtirok etmaydi. Barcha leptonlar kabi , kuchli o’zaro ta’sirga ham berilmaydi, neytrinoni kuzatishning katta qiyinchiliklari shundan kelib chiqadi: uning o’zi yadro nurlanishlari detektorlarida iz qoldirmaydi va uning ishtirokida sodir bo’lgan reaksiyalarda tug’ilgan zaryadli zarralarning izi bo’yicha qayd qilinadi. Biroq, kuchsiz o’zaro ta’sirlar vujudga keltiradugan bunday reaksiyalarning ehtimolligi juda kichik bo’lgani sababli, neytrino g’oyat katta o’tishga egadir.Hatto, Yerdan Quyoshgacha masofaga teng qalinlikdagi po’lat plita ham unga to’siq bo’la olmaydi; bunday plita faqat 100 000 000 dan 1 ta neytrinonigina tutib qola oladi xolos.Yadro reaktorlari yaratilganidan keyingina neytrino vujudga keltiradigan reaksiyalarni kuzatish mumkin bo’ldi.Uran bo’linish parchalarining -yemirilishi natijasida 1 bo’linishiga taxminan 6 zarra miqdorida antineytrino chiqadi. Qudratli reaktordan chiqadigan antineytrino oqimi 1sm² ga 1 s da 10¹³ zarraga borganidan, hatto kichik ehtimollikda ham antineytrino vujudga keltiradigan reaksiya yuz berishi mumkin. Neytrino bevosita birinchi kuzatilgan reaksiya . F.Raynes va K.Kouen tomonidan 1953-yilda Xanford(AQSH)da reaktordagi tajribalarda kuzatiladi ( -antineytrino, -proton, - neytron, -pozitron).