Опыт Коуэна и Райнеса

Опыт Коуэна и Райнеса впервые обнаружил нейтрино в 1956 году — через 26 лет после того, как Вольфганг Паули предложил его и сам усомнился в том, что его когда-нибудь удастся найти.

Участвовавшие физики назвали своё предприятие Project Poltergeist — по имени духа, который даёт о себе знать, не будучи видимым.

Первая, отвергнутая мысль

Фредерик Райнес и Клайд Коуэн работали в Лос-Аламосе. Их первое соображение было настолько же дерзким, насколько тогда напрашивающимся: детектор хотели поставить в шахту рядом с ядерным взрывом и за долю секунды провести измерение, пока мимо проходит могучая вспышка нейтрино.

От плана отказались — не потому, что он был неосуществим, а потому, что нашёлся лучший. Ядерный реактор поставляет антинейтрино постоянно, а постоянство позволяет нечто решающее: реактор можно выключить и измерить ту же установку без сигнала.

Этот отрицательный контроль оказался в итоге самым сильным доводом опыта.

Ход обнаружения

Использовался обратный бета-распад: антинейтрино попадает в протон и порождает из него нейтрон и позитрон.

Приём состоял в том, что при этом друг за другом возникают два сигнала.

Позитрон тут же наталкивается на электрон и аннигилирует. При этом возникают два гамма-кванта по 511 килоэлектронвольт каждый, разлетающиеся в противоположные стороны, — первая вспышка.

Нейтрон же несколько микросекунд блуждает, пока его не захватит ядро кадмия. Оно тоже отдаёт энергию в виде гамма-излучения — вторая вспышка.

Две вспышки с правильным промежутком во времени, с правильными энергиями, в правильном месте: эту сигнатуру трудно было с чем-то спутать. Сегодня она называется запаздывающим совпадением и до сих пор несёт на себе любое реакторное измерение, от KamLAND до JUNO.

Установка

После первой, неубедительной попытки на реакторе в Хэнфорде в 1953 году оба в 1956 году перебрались на реактор Саванна-Ривер в Южной Каролине — с лучшей защитой и более крупной установкой, на двенадцать метров под землёй.

Между тремя баками со сцинтиллятором находились два сосуда примерно по 200 литров воды, в которой был растворён хлорид кадмия. Вода поставляла протоны, кадмий ловил нейтроны. Более ста фотоумножителей смотрели в каждый бак со сцинтиллятором.

Выход составлял около трёх событий в час.

Проверки

Убедительным опыт делали не три события, а проверки рядом с ними.

Выключение. При остановленном реакторе сигнал исчезал.

Обращение порядка. Если поменять местами ожидаемый порядок двух вспышек, не оставалось ничего.

Удаление кадмия. Без ловца нейтронов второй сигнал пропадал.

Каждая из этих проб могла бы опрокинуть результат. Ни одна не опрокинула.

Попутно измеренная скорость счёта дала первое экспериментальное значение сечения взаимодействия нейтрино — и оно совпало с расчётом Ганса Бете и Рудольфа Пайерлса, которые двадцатью годами ранее заключили из него, что обнаружение невозможно.

Телеграмма

14 июня 1956 года Коуэн и Райнес отправили в Цюрих известие: нейтрино однозначно обнаружены. Паули, как рассказывают, отметил этот вечер с друзьями и ящиком шампанского — который он же, по преданию, до того и поставил на спор, утверждая, что это никогда не удастся.

Отголоски

Райнес получил Нобелевскую премию в 1995 году. Коуэн умер в 1974 году; премия посмертно не присуждается. Райнес всю жизнь называл его равноправным партнёром, и в специальной литературе опыт до сих пор носит имена обоих.

Связанные понятия

• Фредерик Райнес и Клайд Коуэн
• Антинейтрино — то, что возникает на реакторе
• Вольфганг Паули — предложение 1930 года
• Сцинтиллятор — техника обнаружения

Источники

• C. L. Cowan, F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, A. D. McGuire: Detection of the Free Neutrino: A Confirmation, Science 124, 103 (1956).
• F. Reines: The neutrino: from poltergeist to particle, Нобелевская лекция 1995 года.