През 50-те години на миналия век, в един от най-големите физически експерименти на своето време, двама физици откриват неутрино – частица, постулирана от теоретиците четвърт век по-рано.
Катедра по физика, Унив. на Калифорния, Ървайн
Ловци на духове. Рейнс (вляво) и Коуан при контролите на експеримента в Ханфорд, Вашингтон, където те са получили предварителни доказателства за съществуването на неутрино.
APS е пуснал целия архив на Physical Review онлайн, към 1893 г. Фокус ориентирите съдържат важни документи от архива.
Неутриното е живяло четвърт век като теоретично предложение преди откриването му през 50-те години, както се съобщава в две статии на Physical Review . Идентифицирането на неуловимата частица изисква система за откриване с безпрецедентен размер, свързана с гениален анализ на данните, за да издърпа мъничък сигнал от шумния фон. Откриването на неутрино с корени във военния проект на Манхатън бележи нарастващото значение на “големите научни” проекти, които все повече ще доминират във физиката на частиците.
През 1930 г. Волфганг Паули предлага, че неоткрита частица – нарича я „неутрон“ – се излъчва заедно с позитрон при радиоактивен бета-разпад. Тази нова частица би обяснила някои озадачаващи аспекти на данните от ядрения разпад. По-късно Енрико Ферми нарича частицата на Паули „неутрино“, за да я разграничи от познатия вече неутрон, открит през 1932 г. Смята се, че неутрино рядко взаимодейства с други частици и затова би било много трудно да се открие.
В началото на 50-те години Фредерик Рейнс и Клайд Коуан от Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико проектират детектор за идентифициране на неутрино при интензивния изблик на частици и радиация, излъчван при тест за ядрена бомба. Но те се отказаха от този план, когато измислиха по-чувствителна схема, която може да работи с по-малката, но по-стабилна емисия на неутрино от реактор.
Рейнс и Коуън се фокусираха върху реакцията, при която неутрино удря протона, създавайки неутрон и позитрон. (Всъщност входящата частица е антинейтрино, но теоретиците все още не знаеха дали неутрино и антинейтрино са различни частици). Резервоар, съдържащ 300 литра вода, доставяше изобилие от протони. Всеки позитрон, генериран във водата, бързо би се забавил и унищожил с електрон, създавайки двойка откриваеми гама лъчи.
Но тези открития биха били много по-големи от позитрони, създадени от други емисии на реактора, както и космически лъчи. За да открият също неутроните от неутрино-протонни реакции, Рейнс и Коуан разтварят кадмиев хлорид във водата – до 40 килограма на сто литра. Водата забавя бързи неутрони, което им позволява да бъдат улавяни от кадмиеви ядра във възбудено състояние, което се разлага чрез излъчване на MeV фотон. Само когато този ядрен гама лъч последва анигилираща двойка с няколко микросекунди, експериментът регистрира неутрино-индуцирано събитие.
Използвайки този метод на „забавено съвпадение“ на сайта Ханфорд в щата Вашингтон, Рейнс и Коуън обявиха „вероятното“ откриване на неутрино през 1953 г. във Физическия преглед . След това те се преместиха в по-мощен реактор в река Савана, Южна Каролина, където използваха два 200-литрови резервоара за откриване, обградени с още по-голям апарат за откриване и с по-добро екраниране на други емисии от реактора. След като натрупаха 100 дни работно време, те обявиха в Science неутрино открития със скорост 3 на час [1], следвайки подробен отчет във Физическия преглед през 1960г.
Приемайки дял от Нобеловата награда за физика за 1995 г. (Коуан почина през 1974 г.), Рейнс отбеляза, че преди работата му и Коуан, „голям“ експеримент по физика може да използва еднолитров детектор. Това е техният опит в изследванията на оръжия, предполага Франсис Халцен от Университета на Уисконсин, Мадисън, който облекчава Рейнс и Коуан да се справят с такова голямо увеличение на експерименталния мащаб. Халцен, главен изследовател на планираната обсерватория за неутрино на IceCube на Южния полюс, припомня разговор, в който Рейнс подчерта колко важно е да се приближи до откриването на неутрино с теория на теорията – защото един опитен експериментатор би казал, че няма шанс за успех.
–Давид Линдли
Дейвид Линдли е писател на свободна наука в Александрия, Вирджиния.
