Нейтринная астрономия изучает физические процессы в космосе, происходящие с участием нейтрино, и решает проблемы регистрации космических нейтрино. В обычных звездах типа Солнца нейтрино рождаются в ядерных реакциях (см. п. 12).
    Потоки нейтрино от других звезд на 10 порядков менее интенсивны, чем от Солнца (главным образом, за счет геометрического фактора (R/R₀)², где R₀ = 10¹³ см − расстояние от Солнца до Земли); поэтому их труднее регистрировать.
    Но результат можно получить, если регистрировать нейтрино в разных точках на Земле − т.е. если разными детекторами одновременно будет зарегистрировано нейтрино. Такие совпадения будут свидетельствовать о вспышках − кратковременных потоках нейтрино, возникающих при эволюции звезд, например, при коллапсе звезды могут возникать мощные потоки нейтрино, которые могут быть одновременно зарегистрированы в разных детекторах на Земле. Вспышки сверхновых в нашей Галактике очень редки − ~ 1 раз за 50÷100 лет.

15.6.1 Свойства нейтрино

    Гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1930 году, чтобы избежать нарушения закона сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Непрерывный спектр β-распада требовал введения частицы с z = 0, спином J = 1/2 и E_ν + Е_е = Е_max верхней границы β-спектра.
    Геакции под действием нейтрино протекают очень медленно и такие взаимодействия называют слабыми. Сечение слабого взаимодействия очень мало, и нужны огромные потоки нейтрино, чтобы зарегистрировать процесс взаимодействия нейтрино с веществом, поэтому только в 1956 году было доказано, что нейтрино существует. Наблюдалась реакция взаимодействия нейтрино с протоном вблизи ядерного реактора.
    Открытие несохранения четности (Р-четности) в β-распаде показало, что нейтрино должно иметь поляризацию вдоль направления движения (чтобы выполнялся закон сохранения момента количества движения).

Рис. 104: Левая и правая системы координат.

    Направление вращения спина не меняется при отражении. Знак величины (·), где − импульс, называется спиральносю (λ) и меняется при переходе от правой системы координат к левой (рис. 104).
    До открытия несохранения четности казалось очевидным, что существуют оба спиральных состояния нейтрино:

    Оба нейтрино должны с одинаковой вероятностью вылетать при β-распаде. Опыт показал, что при β⁺-распаде позитрон всегда правополяризован, т.е. и нейтрино будет всегда левополяризовано (e⁺_R и ν_L). При (β^--распаде − наоборот (е^-_L и _R).
    Понятие спиральности как внутреннего свойства частиц существует только для частиц с массой m = 0.
    Если m ≠ 0 (и v ≠ с),то возможны переходы L ↔ R. Если m_ν = 0, то v_ν = с, и такие переходы невозможны. В таком случае ν_R и _L вообще нельзя наблюдать, и неизвестно, существуют ли такие частицы.
    Обычно частицы со спином J = (1/2)ћ описываются уравнениями Дирака с 4 компонентами ν_R, ν_L, _R, _L по аналогии с описанием электронов е^-_L, е^-_R, е⁺_L, е⁺_R. Для электронов все 4 компоненты наблюдаемы (компонента е^-_R не участвует в β-распаде, но взаимодействует с другими электрическими зарядами). Кроме того, т.к. m_e ≠ 0, то возможны переходы е^-_L ↔ е^-_R. Для нейтрино, как показывает опыт, две дираковские компоненты ν_R и _L ненаблюдаемы и, может быть, вообще не существуют в нашем мире.
    Если m_ν ≠ 0, то становятся возможными переходы

ν_L ↔ ν_R и _R ↔ _L.

    Майорана предположил, исходя из возможностей уравнений Дирака для частиц с нулевым зарядом, что нейтрино совпадает со своим антинейтрино. Тогда ν_L и ν_R составляют пару, и эти нейтрино называются майорановскими в противоположность 4-компонентным − дираковским нейтрино.
    Вопрос о том, какие нейтрино существуют в природе − майорановские или дираковские − пока не решен.
    В 1962 году Ледерман в Брукхейвене (США) на ускорителе протонов с Е_р ~ 30 ГэВ открыл существование двух типов нейтрино.
    Проводились поиски альтернативных мод распада

μ → e + ν +      и    μ → e + γ.

    Последнюю реакцию никто не наблюдал, хотя распад не был запрещен известными законами сохранения.
    Поэтому казалось, что, если ν и − одна и та же частица, то аннигиляция ν + на виртуальном уровне возможна и будет идти реакция μ → e + γ. Так как такие распады не наблюдались, то надо было предположить, что ν + в реакции μ → e + ν + различны, т.е.

μ^- → e^- + ν_μ + _e,  μ⁺ → e⁺ + ν_e + _μ.

    Пришлось ввести сохраняющееся лептонное число L, которое для e⁺, _e равно −1 (L_e = −1), а для e^-, ν_e L_e = +1. Для L_μ аналогично. Очевидно, что распад μ → e + γ невозможен, а тогда невозможна и реакция ν_μ + n → е^- + р, а разрешена реакция ν_μ + n → μ^- + р.
    На таком рассуждении и был основан опыт Ледермана.
    На пучке протонов с Е_р ~ 15 ГэВ в Брукхейвене рождались пионы с энергией ~ 3 ГэВ, которые распадались π⁺ → μ⁺ + ν_μ. Броня из железа толщиной 13 м поглощала все заряженные частицы, и пучок ν_μ попадал в искровую камеру, состоящую из 90 алюминиевых пластин толщиной 2.4 см каждая. В установке было 10 тонн р и n, пропущено было 10¹⁴ нейтрино от распада π в паре с μ.
    Если бы ν_μ не отличались от ν_e, то наблюдались бы реакции

ν_μ + n → е^- + р и ν_μ + n → μ^- + р.

т.е.е^- и μ^- наблюдались бы одинаково часто. На опыте наблюдались только μ^-, т.е. первая реакция не шла.
    Сейчас открыт τ-лептон и соответствующее ему ν_τ.
    В табл. 23 приводятся рассматриваемые в настоящее время лептоны.

Таблица 23

Семейство лептонов

	частицы			античастицы
участвуют в слабом взаимодействии	e-L νeL	μ-L νμL	τ-L ντL	e+R eR	μ+R μR	τ+R τR
не участвуют в слабом взаимодействии	e-R νeR	μ-R νμR	τ-R ντR	e+L eL	μ+L μL	τ+L τL

    Особенности взаимодействий лептонов

1. Компоненты R для частиц и L для античастиц не участвуют в слабых взаимодействиях.
2. Соответствующие заряженные частицы и античастицы участвуют в электромагнитных взаимодействиях.
3. Для заряженных лептонов возможны переходы L ↔ R.
4. ν_R и _L при m_ν = 0 никак себя не проявляют.
5. Если масса нейтрино не равна 0, возможны осцилляции нейтрино.

15.6.2 Эксперименты с нейтрино и планирование их практического применения

    В настоящее время используются детекторы нейтрино, содержащие огромные количества вещества.
    Сечение взаимодействия нейтрино σ_ν растет линейно с энергией нейтрино и для процесса
ν + р → h + μ

σ(ν + p) = (0.83 ± 0.11)·10^-38 см²·E_ν (ГэВ),

а для реакции ν + р → е + h

σ(ν + р) = (0.28 ± 0.06)·10^-38 см²· E_ν (ГэВ).

Для процесса ν + n сечение в 2 раза выше, чем для реакции ν + р, т.е.

σ(ν + n)/σ(ν + р) = 2.1±0.3

при E_ν > 1.5 ГэВ.

Процессы, в которых генерируются нейтрино:

π^± → μ^± + ν_μ(_μ)   с E_ν = 0.031 ГэВ;
K^± → μ^± + ν_μ(_μ)  c E_ν = 0.237 ГэВ.

Электронные нейтрино образуются в реакции K → е + π + ν_e.
    Практическое применение нейтрино планируется реализовать в следующих экспериментах:
1) просвечивание Земли пучком ν от ускорителя с Е_р ~ 20 ТэВ и определение плотности Земли в разных участках, поиск полезных ископаемых (проект Глэшоу); 2) регистрация нейтрино от астрофизических объектов для изучения взрывов сверхновых звезд, коллапса черных дыр. Для этих экспериментов нужны детекторы очень большого объема. Предлагается использовать воду озер, морей и океанов (объем v > 10⁷ тонн воды), а также огромные толщи материкового льда в Антарктиде для регистрации черенковского излучения, возникающего от мюонов, сопровождающих потоки нейтрино.
    Первый детектор большого объема был построен в Японии с целью обнаружить распад протона. Сейчас он используется для регистрации нейтрино. Этот детектор получил название Камиоканде и следующая его модификация − Супер Камиоканде. Он представляет собой большой бак, наполненный водой. По стенкам бака располагаются фотоумножители, которые должны зарегистрировать процессы, происходящие при взаимодействии частиц (например, нейтрино) с протонами воды. Чувствительная площадь этого детектора около 1000 м².
    В России сооружен и многие годы работает детектор в эксперименте под горой Чегет на Баксане в Кабардино-Балкарии. В этом эксперименте используются для регистрации нейтрино жидкие сцинтилляторы. Другой эксперимент в России выполняется на озере Байкал. В эксперименте BAIKAL гирлянда фотоумножителей опускается на глубину до 1.5 км.
    Крупным проектом, использующим морскую воду, был проект ДЮМАНД, в котором предполагалось системы фотоумножителей погружать глубоко под воду и с их помощью просматривать значительные объемы морской воды. Этот проект просуществовал недолго. Море вблизи Гавайских островов оказалось неспокойным и гирлянды фотоумножителей были затоплены. В настоящее время аналогичным способом предполагается измерять потоки нейтрино в эксперименте NESTOR вблизи берегов Греции, в котором фотоумножители будут погружаться на глубину более четырех тысяч метров. Еще одним крупнейшим проектом по регистрации нейтрино является проект AMANDA в Антарктиде, в котором вместо воды будет использован материковый лед. Глубина погружения фотоумножителей в толщу льда предполагается равной 2÷2.5 км. Чувствительная площадь этого детектора должна быть ~ 10 тысяч квадратных метров.
    Во всех этих детекторах вода или лед, окружающие детекторы, служат для испускания черенковского излучения при прохождении через них заряженных частиц. Черенковское излучение в дальнейшем должно регистрироваться с помощью фотоумножителей. Регистрация нейтрино осуществляется с помощью электронных методов.
    В электронных методах работают следующие реакции:

ν + n → p + e^-;
+ р → n + e⁺;
ν + e^- → ν + e^-;
+ e^- → + e^-.

Регистрируются заряженные частицы из этих реакций. Детекторы должны иметь разрешающее время 10^-9 с.

15.6.3 Эксперименты для регистрации нейтрино от взрывающихся звезд

    В эксперименте ДЮМАНД планировалось собрать гирлянды ФЭУ с радиусом обзора ~ 50 мегапарс для регистрации нейтрино с энергией E_ν > 10¹⁵ эВ. Объем детектора ~ 1 км³ (~ 10⁹ тонн воды). В таком объеме содержится ~ 10 нуклонов, что позволит регистрировать вспышки сверхновых звезд.
    По-видимому, в 1974 году на Земле (в Чили) была зарегистрирована вспышка сверхновой звезды (в 6 счетчиках возникло 24 импульса). Реакция могла быть + р → n + e⁺.

Оценим, на каком расстоянии от Земли произошла такая вспышка. Если при вспышке выделилась энергия Е = 10⁵³ эрг, то при средней энергии нейтрино ε_ν ~ 30 МэВ поток нейтрино J_ν = 2·10⁵⁷. Поток нейтрино, пришедших на Землю, J^'_ν = J_ν/4πR², где R − расстояние от Земли до звезды. Число зарегистрированных на Земле нейтрино N_рег = J'_ν·σ_ν·N₀, где N₀ − число ядер в мишени (на пути нейтрино в Земле) ~ 10³⁰, поперечное сечение взаимодействия нейтрино с ядром мишени
σ_ν ~ 10^-40 см . Число зарегистрированных нейтрино N_рег ~ 10. Вспышка длится 10^-4÷10^-2 с. Тогда расстояние до вспыхнувшей звезды

Таким образом, зарегистрированная вспышка возникла на расстоянии ~ 5 кпс. Заметим, что от Солнца до центра Галактики ~ 10 кпс.
    В звездах непрерывно идут процессы, приводящие к образованию нейтрино. Поток нейтрино от звезд очень велик, поэтому процессы, происходящие в звездах, в принципе, могут быть зафиксированы.

15.6.4 Томография Земли

    Практическое применение нейтрино предполагается реализовать в экспериментах по томографии Земли.
    На рис. 105 и 106 изображены схемы проектов по томографии Земли, предложенных Нобелевскими лауреатами А. Де Рухула (ЦЕРН), С.Л. Глэшоу (Гарвардский университет), Р.Р. Вильсоном (Колумбийский университет), Г. Шарпаком (ЦЕРН), в которых планируется исследование залежей нефти, поиск тяжелых металлов, определение плотности Земли с помощью пучков нейтрино от ускорителей.
    Пучок нейтрино от ускорителей, расположенных на поверхности Земли, направляется через толщу Земли. В проекте GENIUS регистрация эффекта от пучка нейтрино реализуется путем регистрации звуков, вызываемых мюонами, идущими в равновесии с нейтринным пучком. В экспериментах GEMINI и GEOSCAN регистрируются мюоны на выходе пучков частиц. В проекте GEOTRON ускоритель располагается под поверхностью воды и распадная труба направляется в толщу Земли.

Рис. 105: Схемы проектов GENIUS, GEMINI, GEOSCAN.

Рис. 106: Схема проекта GEOTRON.

    Потоки мюонов, проходящие сквозь Землю, будут испытывать различные потери энергии, которые будут зависеть от свойств земных пород, встречающихся на их пути. Таким образом, по поглощению мюонов может быть определена плотность этих пород и залежи полезных ископаемых: нефти, газа и твердых пород различного состава (рис. 107).

Рис. 107: Предполагаемое строение Земли, которое может быть обнаружено при просвечивании разных участков пучками нейтрино.

    Во всех этих проектах предполагается использовать пучки протонов с энергией Е_р = 10 ТэВ. Они направляются на неподвижную мишень, в которой протекает реакция

р + А → π^±K^±.

Родившиеся заряженные пионы и каоны с помощью магнитов направляются в полую трубу, в которой происходит их распад по следующим каналам:

π+ → μ⁺ + ν_μ,    К+ → μ⁺ + ν_μ.

Распадная труба ориентирована в глубь Земли и образовавшиеся в результате распада нейтрино могут просвечивать Землю по разным направлениям. Нейтрино, проходя сквозь Землю, образуют поток мюонов, который и регистрируется по выходе из Земли (GEMINI и GEOSCAN). В проекте GENIUS с помощью микрофонов регистрируется звук, распространяющийся в грунте от заряженных мюонов, идущих в равновесии с потоком нейтрино.

Литература

1. Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. -М.: Наука, 1981.
2. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. -М.: Наука, 1983.
3. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. -М.: Наука, 1988.
4. Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001.