Experimentul Cowan–Reines, pentru confirmarea existenței neutrinului

Experimentul cu neutrini Cowan-Reines a fost realizat de Clyde L. Cowan de la Universitatea Washington și de Frederick Reines, absolventul Stevens Institute of Technology și al Universității New York,  în 1956. Experimentul a confirmat existența neutrinilor. Neutrinii, particule subatomice fără sarcină electrică și masă foarte mică, au fost presupuși a fi o particulă esențială în procesele de dezintegrare beta în anii 1930. Fără masă și nici sarcină, astfel de particule păreau imposibil de detectat. Experimentul a exploatat un flux imens de antineutrini electronici (ipotetici) care provin dintr-un reactor nuclear din apropiere și un detector format din rezervoare mari de apă. Au fost observate interacțiuni de neutrini cu protonii apei, verificând pentru prima dată existența și proprietățile de bază ale acestei particule.

În anii 1910 și 1920, observațiile electronilor din dezintegrarea beta nucleară au arătat că energia lor are o distribuție continuă. Dacă procesul ar implica doar nucleul atomic și electronul, energia electronului ar avea un vârf unic, îngust, mai degrabă decât un spectru de energie continuă. A fost observat doar electronul rezultat, astfel încât energia sa variabilă a sugerat că energia poate să nu fie conservată. Această dilemă și alți factori l-au determinat pe Wolfgang Pauli să încerce să rezolve problema prin postularea existenței neutrinului în 1930. Dacă principiul fundamental al conservării energiei urma să fie păstrat, dezintegrarea beta trebuia să fie o dezintegrare a trei corpuri, mai degrabă decât două. Prin urmare, pe lângă un electron, Pauli a sugerat că o altă particulă a fost emisă din nucleul atomic în dezintegrarea beta. Această particulă, neutrinul, avea o masă foarte mică și nu avea sarcină electrică; nu a fost observată, dar transporta energia lipsă.

Sugestia lui Pauli a fost dezvoltată într-o teorie propusă pentru dezintegrarea beta de către Enrico Fermi în 1933. Teoria susține că procesul de dezintegrare beta constă din patru fermioni care interacționează direct între ei. Prin această interacțiune, neutronul se descompune direct într-un electron, neutrin conjecturat (ulterior determinat a fi un antineutrin) și un proton. Teoria, care s-a dovedit a fi remarcabil de corectă, s-a bazat pe existența neutrinului ipotetic. Fermi a prezentat mai întâi teoria sa „tentativă” a dezintegrării beta către revista Nature, care a respins-o „deoarece conținea speculații prea îndepărtate de realitate pentru a fi de interes pentru cititor”.

O problemă cu conjectura neutrinului și teoria lui Fermi a fost că neutrinul părea să aibă interacțiuni atât de slabe cu alte materii încât nu ar fi niciodată observat. Într-o lucrare din 1934, Rudolf Peierls și Hans Bethe au calculat că neutrinii ar putea trece cu ușurință prin Pământ fără interacțiuni cu nicio materie.

Potențial pentru experiment

Prin dezintegrarea beta inversă, neutrinul prezis, mai corect un electron antineutrino (ν^–_e), ar trebui să interacționeze cu un proton (p) pentru a produce un neutron (n) și pozitron (e⁺),

ν^–_e + p → n + e⁺

Șansa apariției acestei reacții a fost mică. Probabilitatea apariției oricărei reacții este proporțională cu secțiunea sa transversală. Cowan și Reines au prezis o secțiune transversală pentru ca reacția să apară de aproximativ 6×10⁻⁴⁴ cm². Unitatea obișnuită pentru o secțiune transversală în fizica nucleară este un barn, care este cu 1×10⁻²⁴ cm² și cu 20 de ordine de mărimi mai mari.

În ciuda probabilității reduse a interacțiunii cu neutrini, semnăturile interacțiunii sunt unice, făcând posibilă detectarea interacțiunilor rare. Pozitronul, omologul antimateriei pentru electron, interacționează rapid cu orice electron din apropiere și se anihilează reciproc. Cele două raze gamma coincidente (γ) rezultate sunt detectabile. Neutronul poate fi detectat prin captarea acestuia de către un nucleu adecvat, eliberând o a treia rază gamma. Coincidența anihilării pozitronilor și a evenimentelor de captare a neutronilor oferă o semnătură unică a unei interacțiuni antineutrin.

O moleculă de apă este compusă dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen, iar majoritatea atomilor de hidrogen ai apei au un singur proton pentru nucleu. Acești protoni pot servi drept ținte pentru antineutrini, astfel încât apa simplă să poată servi drept material primar de detectare. Atomii de hidrogen sunt legați atât de slab în apă încât pot fi priviți ca protoni liberi pentru interacțiunea cu neutrini. Mecanismul de interacțiune al neutrinilor cu nuclei mai grei, cei cu mai mulți protoni și neutroni, este mai complicat, deoarece protonii constituenți sunt puternic legați în interiorul nucleilor.

Elaborare

Având în vedere șansa mică de interacțiune a unui singur neutrin cu un proton, neutrinii au putut fi observați numai folosind un flux imens de neutrini. Începând cu 1951, Cowan și Reines, amândoi oameni de știință de la Los Alamos, New Mexico, au crezut inițial că exploziile de neutrini din testele de arme atomice care aveau loc atunci ar putea furniza fluxul necesar. În cele din urmă, au folosit un reactor nuclear ca sursă de neutrini, așa cum a recomandat liderul diviziei de fizică din Los Alamos, J. M. B. Kellogg. Reactorul avea un flux de neutrini de 5×10¹³ neutrini pe secundă pe centimetru pătrat, mult mai mare decât orice flux realizabil din alte surse radioactive. A fost folosit un detector format din două rezervoare de apă, oferind un număr imens de ținte potențiale în protonii apei.

În acele cazuri rare în care neutrinii au interacționat cu protonii din apă, au fost creați neutroni și pozitroni. Cele două raze gamma create prin anihilarea pozitronului au fost detectate prin blocarea rezervoarelor de apă între rezervoarele umplute cu scintilator lichid. Materialul scintilator emite flash-uri de lumină ca răspuns la razele gamma, iar aceste flash-uri de lumină sunt detectate de tuburile fotomultiplicatoare.

Detectarea suplimentară a neutronului din interacțiunea cu neutrini a oferit un al doilea nivel de certitudine. Cowan și Reines au detectat neutronii prin dizolvarea clorurii de cadmiu, CdCl₂, în rezervor. Cadmiul este un absorbant de neutroni extrem de eficient și emite o rază gamma atunci când absoarbe un neutron.

n + ¹⁰⁸Cd → ^109mCd → ¹⁰⁹Cd + γ

Aranjamentul a fost de așa natură încât, după un eveniment de interacțiune cu neutrini, s-ar detecta cele două raze gamma de la anihilarea pozitronului, urmate de raza gamma de la absorbția neutronilor de către cadmiu cu câteva microsecunde mai târziu.

Experimentul conceput de Cowan și Reines a folosit două rezervoare cu un total de aproximativ 200 de litri de apă cu aproximativ 40 kg de CdCl₂ dizolvat. Rezervoarele de apă au fost intercalate între trei straturi de scintilatoare care conțineau 110 tuburi de fotomultiplicator de câte 127 mm.

Rezultate

(Supernova SN 1987A. Deși neutrinii trec prin gazele exterioare ale unei supernove fără a se împrăștia, ei furnizează informații despre nucleul adânc al supernovei, cu dovezi că aici, chiar și neutrinii se împrăștie într-o măsură semnificativă. )

Un experiment preliminar a fost efectuat în 1953 la Hanford Site din statul Washington, dar la sfârșitul anului 1955 experimentul s-a mutat în fabrica Savannah River de lângă Aiken, Carolina de Sud. Situl Savannah River avea o protecție mai bună împotriva razelor cosmice. Această locație ecranată se afla la 11 m de reactor și la 12 m sub pământ.

După luni de colectare a datelor, datele acumulate au arătat aproximativ trei interacțiuni cu neutrini pe oră în detector. Pentru a fi absolut siguri că au văzut evenimente neutrinilor din schema de detectare descrisă mai sus, Cowan și Reines au oprit reactorul pentru a arăta că există o diferență în rata evenimentelor detectate.

Au prezis o secțiune transversală pentru reacție de aproximativ 6×10^-44 cm², iar secțiunea lor măsurată a fost de 6,3×10⁻⁴⁴ cm². Rezultatele au fost publicate în numărul din 20 iulie 1956 al Science.

Clyde Cowan a murit în 1974, la vârsta de 54 de ani. În 1995, Frederick Reines a fost onorat cu Premiul Nobel pentru munca sa din fizica neutrinilor.

Strategia de bază a utilizării detectoarelor masive, adesea pe bază de apă, pentru cercetarea neutrinului, a fost exploatată de mai multe experimente ulterioare, incluzând detectorul Irvine – Michigan – Brookhaven, Kamiokande, Observatorul Neutrino Sudbury și Experimentul Homestake. Experimentul Homestake este un experiment contemporan care a detectat neutrini din fuziunea nucleară din nucleul solar. Observatoare precum acestea au detectat explozii de neutrini din supernova SN 1987A în 1987,  inițiind nașterea astronomiei neutrino. Prin observațiile neutrinilor solari, Observatorul Neutrino Sudbury a fost capabil să demonstreze procesul de oscilație a neutrinilor. Oscilația neutrinului arată că neutrinii nu sunt fără masă, o dezvoltare profundă în fizica particulelor.