Айзек Азимов - Нейтрино - призрачная частица атома

Естественное образование β-частиц на Земле происходит благодаря распаду главным образом атомов трех типов: урана-238, тория-232 и калия-40. Уран-238, последовательно распадаясь, превращается в конечном счете в свинец-206, испуская в процессе распада восемь α-частиц и шесть β-частиц. При последовательном превращении тория-232 в свинец-208 излучается семь α-частиц и четыре β-частицы. При переходе калия-40 в кальций-40 возникает одна β-частица.

Расчеты, проведенные с учетом разности масс этих атомов, их периода полураспада и распространенности в земной коре, показали, что в каждом килограмме вещества земной коры образуются 7330 β-частиц в секунду (6200 — за счет урана-238, 800 — калия-40 и 330 — тория-232).

Вклад остальных радиоактивных атомов (включая очень редко встречающийся уран-235) так мал по сравнению с перечисленными, что им можно пренебречь. С каждой β-частицей излучается антинейтрино, следовательно, каждый килограмм земной коры непрерывно излучает 7330 антинейтрино, а вся земная кора излучает около 1,75·10 26антинейтрино в секунду.

Эти оценки относятся, конечно, только к земной коре. Уран, торий и калий очень распространены в поверхностных слоях Земли, но они имеются и в более глубоких слоях планеты, которые также участвуют в рождении антинейтрино.

Однако оценки содержания перечисленных элементов в глубоких слоях Земли очень грубые и вряд ли их нужно учитывать при расчетах.

Приблизительно половина всех антинейтрино излучается в направлении к центру Земли и, следовательно, проходит через Землю. Если предположить, что антинейтрино распределяются равномерно по объему Земли, окажется, что в любой части Земли объемом 40 см 3 в течение секунды непременно находится одно антинейтрино. Средний объем тела человека равен 70 000 см 3, следовательно, каждую секунду через него проходит около 1750 антинейтрино.

Мы этого, естественно, не замечаем, так как антинейтрино не взаимодействует с атомами нашего тела. За семьдесят лет жизни человека имеется приблизительно только один шанс из миллиарда, что какой-нибудь протон его тела поглотит антинейтрино. Через Землю антинейтрино проходят с такой же легкостью, как и через наши тела, и количество поглощенных частиц ничтожно по сравнению с числом антинейтрино, проходящих через нее беспрепятственно.

Рассмотрим теперь термоядерные реакции, происходящие внутри звезд. В звездах, подобных нашему Солнцу, энергия образуется за счет превращения водорода в гелий. Детали превращения могут быть различны, но общим в реакции синтеза является превращение четырех ядер водорода (каждое с зарядом +1) в ядро гелия (с зарядом +2).

В процессе реакции, в соответствии с законом сохранения заряда, образуются два позитрона, каждый из которых несет заряд +1. Таким образом, заряд в начале и в конце реакции равен +4. Четыре ядра водорода в начале реакции имеют суммарное нулевое лептонное число, как ядро гелия в конце ее. Однако каждый позитрон имеет лептонное число -1, поэтому для компенсации суммарного лептонного числа позитронов одновременно с ними должны возникнуть два нейтрино, каждое из которых имеет лептонное число +1. Следовательно, при исчезновении двух атомов водорода на Солнце возникает одно нейтрино (но не антинейтрино).

Полное число нейтрино, образующихся на Солнце, зависит от полного числа сгоревших ядер водорода. В реакции синтеза гелия из водорода 0,71 % массы превращается в энергию, и, как я уже говорил, Солнце каждую секунду теряет 4 600 000 г своей массы. Если эта потеря массы составляет 0,71 % общей массы водорода, превращающегося в гелий каждую секунду, полная масса водорода, участвующего в реакции, равна 650 000 000 т. Но в 650 000 000 т водорода содержится 3,6·10 38протонов. Следовательно, каждую секунду на Солнце рождаются 1,8·10 38нейтрино. Таким образом, число нейтрино, образующихся на Солнце каждую секунду, почти в триллион раз больше числа антинейтрино, возникающих за одну секунду в земной коре, следовательно, наша Вселенная содержит частиц больше, чем соответствующих античастиц. Во Вселенной, состоящей из антиматерии, в процессе естественной радиоактивности возникали бы нейтрино, а при ядерном синтезе — антинейтрино. В такой Вселенной антинейтрино были бы более распространены, чем нейтрино.

Итак, энергия Солнца излучается в пространстве в основном в форме фотонов и нейтрино, а не одних фотонов, причем большая часть энергии уносится фотонами и только не более 5 % уносится нейтрино. Следует отметить, что фотоны и нейтрино уносят эту энергию по-разному. Фотоны, возникающие в чрезвычайно горячем центре Солнца, где процессы ядерного синтеза протекают при температуре около 15 000 000 °C, легко поглощаются окружающим веществом. Прежде чем снова поглотиться, они проходят расстояние порядка одного сантиметра, затем они излучаются, потом снова поглощаются и т. д. Поэтому свой путь через 600 000 км солнечного вещества от центра Солнца к поверхности фотоны проходят очень медленно. По этой причине солнечное вещество — превосходный теплоизолятор и поверхность Солнца имеет температуру только 6000 °C. Конечно, по земным стандартам там довольно жарко, но нужно принять во внимание, что поверхность с температурой 6000 °C находится на расстоянии лишь немногим более 600 000 км от вещества с температурой 15 000000 °C!

Нейтрино, однажды возникнув, уносится со скоростью света, практически не поглощаясь веществом Солнца (за исключением чрезвычайно незначительного числа случаев). Независимо от того, в каком направлении от центра Солнца вылетает нейтрино, оно будет на его поверхности через три секунды. Затем оно вылетит в межпланетное пространство и достигнет Земли за восемь минут (если оно вылетело в нужном направлении). Оно свободно пролетит через Землю самое большее за 1/25 сек и продолжит свое бесконечное путешествие по Вселенной.

Конечно, нейтрино Солнца разлетаются по различным направлениям и все, за исключением ничтожной части их, пролетают мимо Земли, которая представляет собой очень маленькую мишень на таком большом расстоянии от Солнца. Тем не менее, Земля получает от Солнца 8·10 28нейтрино в 1 сек. Это приблизительно в 450 раз больше числа антинейтрино, испускаемых радиоактивными элементами земной коры, а каждый квадратный сантиметр площади поперечного сечения Земли получает 6·10 10нейтрино каждую секунду.

Солнечная активность является источником большей части получаемых нами нейтрино. Помимо того, на Землю попадают нейтрино от других звезд, но последние настолько далеки от нас, что их нейтрино имеют очень маленькую плотность в околоземном пространстве, поэтому очень немногие из них достигают Земли. (Другими словами, Земля представляет собой значительно меньшую мишень для нейтрино, летящих с альфа Центавра чем для нейтрино Солнца.)