Sự biến đổi beta của hạt nhân và tính chất của neutrino

Kvant 1975, số 6 tr. 10-16 Thẻ E7P7

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

Sự biến đổi beta của hạt nhân và tính chất của neutrino

B. G. Erozolimsky

Toàn bộ thế giới mà tri thức của chúng ta có thể tiếp cận được, như đã biết, bao gồm các hạt vật chất tương tác với nhau – cái gọi là các hạt cơ bản. Trước hết, đây là các electron, proton, neutron, photon và hàng tá hạt khác. Hiện nay rõ ràng là thuật ngữ “các hạt cơ bản” là không phù hợp. Trên thực tế, những hạt này không thể được coi là những khối cơ bản của vũ trụ; bản thân chúng là những sự hình thành phức tạp. Bằng chứng chính cho điều này là tất cả các hạt cơ bản được biết hiện nay đều có khả năng biến đổi lẫn nhau. Rõ ràng, không thể hiểu được “cấu trúc” của các hạt nếu không hiểu các đặc điểm tương tác của chúng với nhau, đặc biệt là dẫn đến sự biến đổi lẫn nhau của các hạt.

Hiện nay, người ta biết đến bốn loại tương tác của các hạt vật chất: hấp dẫn, điện từ, hạt nhân (mạnh) và cái gọi là yếu.

Người đọc chắc chắn đã quen thuộc ở mức độ này hay mức độ khác với ba loại tương tác đầu tiên. Chúng ta chỉ nhớ lại rằng cường độ mạnh nhất là tương tác hạt nhân (đó là lý do tại sao nó còn được gọi là tương tác mạnh). Lực hút giữa các nucleon, tức là proton và neutron trong hạt nhân, quyết định tính ổn định của hạt nhân nguyên tử. Để phá hủy lõi, khắc phục lực hạt nhân cần phải

lãng phí nguồn năng lượng khổng lồ. Lực hạt nhân phân rã rất nhanh theo khoảng cách và chỉ xuất hiện khi các nucleon “tiếp xúc” trực tiếp với nhau.

Tương tác điện từ có phần yếu hơn nhưng vẫn khá mãnh liệt. Đây là lực hút hoặc lực đẩy thông thường của các hạt tích điện.

Tương tác hấp dẫn là tương tác ít mãnh liệt nhất trong tất cả các tương tác; nó không có ý nghĩa thực tiễn trong đời sống của các hạt cơ bản.

Loại cuối cùng là tương tác yếu. Nó được gọi như vậy vì nó thực sự yếu hơn nhiều so với tương tác hạt nhân và điện từ. Tuy nhiên, vai trò của nó trong thế giới vi mô là rất lớn. Hoá ra là các tương tác yếu gây ra phần lớn sự biến đổi của một số hạt cơ bản thành các hạt khác.

Lần đầu tiên, khoa học gặp phải những biến đổi như vậy trong nghiên cứu về phóng xạ tự nhiên, được phát hiện vào cuối thế kỷ 19. Nghiên cứu của các nhà khoa học, chủ yếu là Marie và Pierre Curie và Ernest Rutherford, cho thấy hạt nhân của một số nguyên tố hóa học có khả năng phân hủy tự phát, tức là biến thành hạt nhân của các nguyên tố khác. Những biến đổi như vậy đi kèm với bức xạ. Ba loại bức xạ đã được biết đến, được ký hiệu bằng các chữ cái $\alpha$ , $\beta$ và $\gamma$ . Hóa ra,

Tia α là dòng hạt nhân của nguyên tử helium, tia β là dòng electron và tia γ là dòng photon. Chúng ta sẽ chỉ nói chi tiết về phân rã β (khi sự biến đổi hạt nhân đi kèm với sự phát xạ của các electron nhanh).

Những electron bay ra với tốc độ lớn đến từ đâu? Rõ ràng, từ hạt nhân, đặc biệt là vì trong quá trình phân rã β, điện tích của hạt nhân chỉ thay đổi một. Vậy có electron trong hạt nhân? Mô hình hạt nhân đầu tiên thực sự được xây dựng từ proton và electron. Chỉ sau này người ta mới biết rõ rằng cấu trúc hạt nhân như vậy là không thể; các tính chất của hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản không phù hợp với giả thuyết này. Theo quan điểm hiện đại, hạt nhân của mọi nguyên tố đều bao gồm proton và neutron. Vậy thì giải thích sự phân rã β như thế nào? Đây là nơi bắt đầu quá trình biến đổi các hạt thành nhau!

Hóa ra là trong quá trình phân rã β của hạt nhân, một trong các neutron trong hạt nhân biến thành proton, kèm theo đó là sự ra đời của một electron mang năng lượng *):

$n \rightarrow p + e^-. \tag{1}$

Trong trường hợp này, số thứ tự của nguyên tố (điện tích hạt nhân) tăng tương ứng một đơn vị. Ví dụ,

${}_{82}\mathrm{Pb}^{214} \rightarrow {}_{83}\mathrm{Bi}^{214} + e^-$

một đồng vị của chì biến thành đồng vị của bismuth có cùng khối lượng nguyên tử.

Cần đặc biệt nhấn mạnh rằng quy trình (1) chứa đựng sự đoạn tuyệt hoàn toàn và dứt khoát với ý tưởng đã ăn sâu vào tâm trí các nhà khoa học thế kỷ trước rằng các hạt vật chất không thể sinh ra hay biến mất. Sự phát xạ của một electron từ hạt nhân trong quá trình biến đổi β được xem xét ở đây không phải là hệ quả của việc nó (electron) đã có trước đó, mà là

*) Trên thực tế, với sự biến đổi như vậy, một hạt khác sẽ được sinh ra, nhưng điều này sẽ được thảo luận sau.

là hành động xuất hiện của một electron trong quá trình phân rã β. Điều này được xác nhận bởi nhiều sự thật. Đặc biệt, vào cuối những năm 40, người ta đã chứng minh rằng neutron tự do (không phải là một phần của hạt nhân) không ổn định và tự biến thành proton và electron với chu kỳ bán rã chỉ khoảng 10 phút. Trong hai thập kỷ qua, với sự trợ giúp của máy gia tốc, một số lượng lớn các hạt cơ bản mới đã được phát hiện: meson (hạt nhẹ hơn proton, nhưng nặng hơn electron), hyperon (hạt nặng hơn proton). Hóa ra, tất cả chúng đều tồn tại trong thời gian ngắn và cũng biến đổi lẫn nhau, giống như một neutron tự do.

Sự ra đời của các lò phản ứng hạt nhân cũng như các kỹ thuật tách đồng vị đã dẫn đến việc phát hiện và sản xuất một số lượng lớn các chất phóng xạ nhân tạo mới. Trong số đó có nhiều chất có phân rã β dẫn đến sự phát xạ không phải electron mà là positron ( $e^+$ ). Điện tích hạt nhân (số nguyên tử) giảm đi một tương ứng. Điều này có nghĩa là trong những hạt nhân như vậy, một trong các proton được chuyển đổi thành neutron và positron theo sơ đồ *)

$p \rightarrow n + e^+. \tag{2}$

Ví dụ, sự chuyển đổi magie thành natri, xảy ra với chu kỳ bán rã 11,6 giây, có thể được viết là:

${}_{12}\mathrm{Mg}^{23} \rightarrow {}_{11}\mathrm{Na}^{23} + e^+.$

Tuy nhiên, quy trình (2) chỉ có thể thực hiện được trong lõi; Ở trạng thái tự do, neutron biến thành proton. Thực tế là khối lượng của neutron, và do đó, năng lượng của chính nó lớn hơn khối lượng của proton. Và do đó, sự biến đổi một proton tự do thành neutron sẽ vi phạm định luật bảo toàn năng lượng.

Vì vậy, khả năng chuyển đổi lẫn nhau từ duy nhất

*) Phản ứng này, giống như phản ứng (1), vẫn viết sai.

Tính chất kỳ lạ này, biểu hiện ở độ phân rã β của hạt nhân, đã trở thành một đặc tính không thể thiếu của hầu hết các hạt cơ bản đã biết. Hiện nay, lĩnh vực vật lý này – vật lý của các tương tác yếu – đang phát triển nhanh chóng. Kể từ những năm 30, khi E. Fermi tạo ra lý thuyết đầu tiên về phân rã β của hạt nhân, rất nhiều việc đã được thực hiện để đảm bảo rằng tất cả các sự kiện đã biết đều nhận được sự biện minh về mặt lý thuyết. Đúng vậy, những ý tưởng hiện tại còn rất xa mới có được sự hài hòa và hoàn chỉnh giúp phân biệt bức tranh hiện tại về tương tác điện từ.

Theo quan điểm hiện đại, mọi tương tác đều có thể được mô tả bằng cách sử dụng một trường nhất định và sự xuất hiện lực hút hoặc lực đẩy giữa các hạt là do khả năng “sinh ra” và hấp thụ lượng tử của trường này của chúng. Lý thuyết xác lập mối liên hệ sâu sắc giữa cơ chế tương tác của các lực tác dụng giữa các hạt - nguồn của một trường nhất định và sự “biến đổi” của các hạt này, kéo theo sự ra đời của lượng tử của trường này.

Ví dụ, sự tương tác giữa các điện tích được gây ra bởi một trường điện từ, lượng tử của nó là các photon. Tương tác tương tự dẫn đến sự ra đời của lượng tử (photon), chẳng hạn, khi một điện tích (electron) bay nhanh bị giảm tốc. Phản ứng “chuyển hóa” ở đây là:

$e \rightarrow e' + \gamma,$

trong đó $e'$ là electron có năng lượng thay đổi.

Tình huống tương tự xảy ra trong trường hợp tương tác yếu. Chính các lực tương tác giữa các hạt, chẳng hạn như nucleon, là các lực đứng trên nền của lực hạt nhân và lực điện từ, do đó các biểu hiện của chúng chỉ có thể được phát hiện một cách gián tiếp và sau đó là trong các thí nghiệm rất tinh vi. Nhưng chúng ta đã biết đến các quá trình biến đổi trong đó lượng tử của trường này được sinh ra từ lâu - đó là các phép biến đổi β của hạt nhân và sự phân rã yếu của các hạt điện từ.

Theo nghĩa này, các phản ứng (1) và (2), các phản ứng biến đổi proton và neutron thành nhau, có thể được hiểu là các quá trình tạo ra lượng tử trường tương tác yếu ( $e^{-}$ và $e^{+}$ ). Tuy nhiên, một nghiên cứu chi tiết cho thấy tình hình ở đây phức tạp hơn đáng kể. Trường lực yếu thực chất được biểu diễn bằng hai loại lượng tử: electron (positron) và các hạt có những đặc tính hoàn toàn đáng kinh ngạc, đó là neutrino, nên các phản ứng (1) và (2) được viết sai. Cùng với một electron hoặc positron, neutrino cũng phải được sinh ra.

Lịch sử khám phá neutrino là một trong những trang khoa học rực rỡ nhất của thế kỷ 20 và xứng đáng với điều đó.

Cơm. 1. Hình chiếu quỹ đạo bên trong của electron được thể hiện bằng màu đỏ.

Cơm. 2. Phổ beta của neutron tự do.

Không cần thiết phải nói về nó một cách ngắn gọn. Sự tồn tại của neutrino được W. Pauli dự đoán về mặt lý thuyết là kết quả của những nỗ lực tìm hiểu một sự thật kỳ lạ được phát hiện trong phân rã beta của hạt nhân. Các phép đo năng lượng của các electron phát ra trong quá trình phân rã β cho thấy các electron không có năng lượng cố định đặc trưng cho sự biến đổi β này. Có một phạm vi rộng, hay nói cách khác, một phổ năng lượng, kéo dài từ 0 đến một giá trị tối đa nhất định.

Năng lượng của các electron được đo bằng các thiết bị đặc biệt - máy quang phổ beta, trong đó các electron có năng lượng khác nhau khác nhau về quỹ đạo trong từ trường hoặc điện trường, hoặc theo biên độ của các xung điện phát sinh trong máy dò loại quang phổ (ví dụ, trong máy đếm nhấp nháy). Hình 1 thể hiện sơ đồ của một máy quang phổ từ đơn giản có trường liên tục. Các electron từ nguồn Và rơi vào từ trường được hình thành bởi điện từ C. Quỹ đạo của electron trong trường như vậy được biểu diễn bằng một đường xoắn ốc có trục song song với trục của Soleno *). Có thể chứng minh rằng các electron, bạn

Cơm. 3. Phổ beta của đồng vị vàng phóng xạ.

đến từ một nguồn có kích thước đủ nhỏ với cùng năng lượng, chúng tập trung gần một điểm nhất định, nơi lắp đặt nhiễu xạ D, phía sau có bộ đếm Sch. Quỹ đạo của bộ phận có năng lượng khác sao cho các hạt này không đi qua nhiễu xạ D. Từ tác động trực tiếp của các electron (dọc theo đường sức điện trường) trong phản ứng, các nhiễu xạ D được bảo vệ bởi các nhiễu xạ vòng K. Bằng cách thay đổi độ lớn của từ trường (dòng điện trong đế), do đó người ta có thể “xem” có bao nhiêu electron phát ra từ nguồn có năng lượng này hoặc năng lượng khác, nghĩa là khám phá phổ năng lượng của chúng.

Ví dụ, đây là phổ β của neutron tự do (Hình 2) hoặc phổ của đồng vị phóng xạ của vàng $^{79}\text{Au}^{198}$ (Hình 3). Trục tọa độ hiển thị, trên thang đo tùy ý, số phần có năng lượng E (chính xác hơn là có năng lượng trong một khoảng khá nhỏ $\Delta E$ , từ E đến E + $\Delta E$ ) và trục abscissa hiển thị năng lượng tính bằng kiloelectronvolt. Từ Hình 2 và 3, rõ ràng là phổ β là liên tục; hiện diện các electron có năng lượng bất kỳ từ 0 đến $E_{\text{max}}$ .

Trong quang phổ được trình bày ở Hình 3, có thể nhìn thấy các vạch hẹp riêng lẻ. Điều này chỉ ra rằng ngoài các electron có phổ liên tục, còn có một số nhóm electron nữa có bước sóng có năng lượng nhất định (cái gọi là electron “đơn sắc”). Tuy nhiên, bản chất như vậy

Các dòng hoàn toàn khác nhau; các electron tương ứng với các vạch này không liên quan đến phân rã β.

Nếu quá trình phân rã β được biểu diễn theo sơ đồ (1) hoặc (2), thì sự hiện diện của phổ electron liên tục là hoàn toàn không thể hiểu được. Trên thực tế, quá trình biến đổi β đi kèm với việc giải phóng một năng lượng hoàn toàn xác định, năng lượng này được phân bổ giữa hai hạt tạo thành (một electron và hạt nhân giật lùi - hạt nhân của một nguyên tố mới) theo cách duy nhất có thể, do đó năng lượng của electron phải hoàn toàn xác định. Điều này tuân theo trực tiếp các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Vì hạt nhân ban đầu tích lũy nên động lượng của nó (động lượng p) bằng 0. Tổng động lượng của các hạt thu được cũng phải bằng 0, nghĩa là electron và hạt nhân giật lùi sẽ bay xa nhau theo hai hướng ngược nhau. Chúng ta hãy biểu thị khối lượng của electron và tốc độ của nó bằng $m_e$ và $v_e$ , khối lượng của hạt nhân giật lùi và tốc độ của nó bằng $M$ và $u$ và viết định luật bảo toàn động lượng:

$m_e v_e - Mu = 0.$

(3)

Mặt khác, tổng động năng do các hạt tạo thành phải bằng $E_0$ - tổng năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã β:

$E_e + E_M = E_0.$

(4)

Để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta có thể giả sử rằng chúng ta liên hệ năng lượng và động lượng của một hạt với công thức cổ điển $E = \frac{p^2}{2m}$ .

Từ phương trình (3) và (4), suy ra rằng tốc độ $v_e$ , và do đó năng lượng của electron $E_e$ , được xác định duy nhất ( $E_e = \frac{E_0}{1+m_e/M}$ ). Do đó, phổ β phải là một vạch duy nhất. Nhân tiện, thật dễ dàng để xác minh rằng vì $M \gg m_e$ , rồi $E_e \approx E_0$ , tức là hạt nhân giật lùi mang đi một phần rất nhỏ trong tổng năng lượng phân rã.

Giá trị của năng lượng điện tử dự kiến này là gì? Ví dụ, hãy xem xét độ phân rã β của neutron tự do. Vì vậy, những sự biến đổi đó cho thấy khối lượng của neutron lớn hơn khối lượng của proton một chút, cụ thể là:

$m_n - m_p = 2,5 m_e.$

Theo một trong những quy định chức năng của lý thuyết năng lượng tương đối, nó gắn liền với sự tương ứng $E = mc^2$ , trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng. Khi đó năng lượng cần được giải phóng trong quá trình biến đổi neutron thành proton và electron bằng

$E_0 = (m_n - m_p - m_e)c^2 = 1,5m_e c^2 = 780 \text{ кэв.}$

Từ Hình 2, rõ ràng năng lượng $E_0$ chính xác là $E_{\text{max}}$ - năng lượng biên của phổ β. Điều này có nghĩa là trên thực tế, electron không mang đi toàn bộ năng lượng phân rã (cho đến năng lượng của hạt nhân giật lùi), mà chỉ mang đi một phần của nó, và độ lớn của phần này đôi khi nhận các giá trị khác nhau.

Phần năng lượng còn lại đi đâu? Những thay đổi lặp đi lặp lại trong đó thuốc phóng xạ β được đặt bên trong một nhiệt kế có thành rất mỏng cho thấy rằng không có bức xạ nào đã biết mang đi một phần năng lượng, và trong nhiệt kế nó giải phóng năng lượng trung bình chỉ bằng một nửa tổng năng lượng của phân rã β.

Sự “biến mất” năng lượng này thậm chí còn tạo ra lý do để đặt câu hỏi về tính đúng đắn của định luật bảo toàn năng lượng trong vũ trụ vi mô, khiến Pauli nảy ra ý tưởng rằng một phần khác đang phân rã beta. Nó không bị nhiễm điện và khối lượng của nó cực kỳ nhỏ. Fermi gọi phần này là netiirino. Neutrino có thể tự do di chuyển qua những độ dày vật chất rất lớn và do đó không bị các bức tường của máy đo nhiệt độ bắt giữ. Tổng năng lượng của quá trình biến đổi β được phân bổ giữa neutrino và electron,

trung bình chỉ để lại một nửa số electron*). Vì vậy, cùng với các phản ứng (1) và (2), chúng ta cần viết các phản ứng sau:

$n \rightarrow p + e^- + \tilde{v},$
$p \rightarrow n + e^+ + v.$

Ký hiệu v tương ứng với một neutrino và $\tilde{v}$ - một phản neutrino (sự khác biệt giữa chúng sẽ được thảo luận sau).

Một sự xác nhận quan trọng cho giả thuyết này là các thí nghiệm trong đó các phần hạt nhân hình thành do phân rã β đã được nghiên cứu. Người ta đã chứng minh rằng hạt nhân và electron hoàn toàn không bị tách ra theo hướng ngược nhau. Điều này cũng cho thấy sự ra đời của một hạt khác trong quá trình phân rã β. Xét cho cùng, định luật bảo toàn động lượng (động lượng) yêu cầu khối tâm của tất cả các hạt bị tách ra do phân rã β vẫn giữ nguyên - xét cho cùng, hạt nhân bị tách ra ban đầu sẽ kết thúc (cho đến chuyển động nhiệt). Kinh nghiệm cho thấy sự hình thành hạt nhân và electron bị tách biệt ở bất kỳ góc nào. Nhưng khi đó tổng vectơ động lượng của chúng không bằng 0! Nếu chúng ta cho rằng phần bị đẩy ra mang theo một động lượng nào đó thì định luật bảo toàn động lượng có thể được thỏa mãn.

Nhưng điều đáng chú ý nhất là giữa giá trị năng lượng còn thiếu $E_v$ và giá trị của xung “không bù” $p_v$ hóa ra luôn có một mối quan hệ rất đơn giản: $E_v = p_v c$ , trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng. Nhưng đây là mối quan hệ nổi tiếng giữa năng lượng và động lượng của một photon - một hạt chuyển động với tốc độ ánh sáng và có khối lượng nghỉ bằng không. Mối quan hệ tương tự được thiết lập bởi thuyết tương đối đối với các vật thể chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, nghĩa là đối với các vật thể có khối lượng rất nhỏ hoặc

*) Để trong phạm vi năng lượng của hạt nhân, tách biệt.

Hơn nữa bằng khối lượng nghỉ bằng không *). Vì vậy, giả sử rằng trong quá trình phân rã β, một neutrino được phát ra, chúng ta đảm bảo đáp ứng các định luật bảo toàn chức năng chung (năng lượng và động lượng) và có thể tính toán chính xác năng lượng của các hạt - sản phẩm phân rã.

Ví dụ, hãy xem xét một lần nữa sự phân rã của neutron tự do. Cho một electron và một proton bay tách nhau một góc 90° thì động năng của electron là $E_e = 200$ keV. Năng lượng của proton là gì?

Hãy lập hai phương trình: định luật bảo toàn năng lượng

$E_0 = E_v + E_p + E_e$

và định luật bảo toàn động lượng (Hình 4)

$p^2_v = p_e^2 + p_p^2.$

Ở đây $E_0 = 780$ keV là tổng năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã β của neutrino (xem Hình 2), $E_v$ và $p_v$ là năng lượng và động lượng của neutrino và $E_v = p_v c$ . Động lượng của electron $p_e$ và động năng của nó, có tính đến sự hiệu chỉnh của lý thuyết về sự ghép tương đối với nhau, như sau:

$p_e^2 c^2 = E_e^2 + 2 E_e m_e c^2.$

Thật vậy, động lượng của electron bằng $p_e = \frac{m_e v}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$ (m là khối lượng nghỉ của electron), tổng năng lượng của electron bằng $E = \frac{m_e c^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$ và năng lượng nghỉ bằng $E_\pi = m_e c^2$ . Khi đó động năng của electron

$E_e = E - E_\pi = m_e c^2 \left( \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}} - 1 \right).$

*) Ví dụ, xem bài viết của I. P. Stakhanov “Khối lượng và năng lượng trong lý thuyết về mối liên hệ tương đối”, «Kvant», 1975, số 3.

Bằng cách bình phương cả hai vế của đẳng thức và tính đến biểu thức động lượng của electron, chúng ta thu được mối quan hệ đã viết ở trên giữa động năng và động lượng của electron.

Mối quan hệ giữa động lượng và động năng của một proton có thể được viết bằng công thức cổ điển $p_p^2 = 2M_pE_p$ ( $M_p$ là khối lượng của proton), vì tốc độ của proton nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng.

Lời giải của phương trình (7) và (8), có tính đến mối quan hệ giữa động năng và động lượng của các hạt, sẽ cho giá trị $E_p \approx 50\ эв$ cho năng lượng của proton.

Vì vậy, trong quá trình biến đổi $\beta$ của một hạt nhân, không phải luôn hình thành hai hạt mà là ba hạt. Đây chính xác là điều dẫn đến thực tế là phổ $\beta$ hóa ra là liên tục: phần năng lượng được electron mang đi phụ thuộc vào năng lượng mà neutrino được phát ra. Lý thuyết đầu tiên về quá trình này được đề xuất vào đầu những năm 30 bởi E. Fermi.

Lý thuyết hiện đại đã kết hợp hiện tượng phân rã $\beta$ của hạt nhân với sự biến đổi tương tự của các hạt khác thành một loại hiện tượng chung của tương tác yếu phổ quát. Một trong những phát biểu đáng chú ý nhất của lý thuyết này là dự đoán về khả năng xảy ra các quá trình nghịch đảo với các quá trình (5) và (6):

$\overset{\sim}{\nu} + n \rightarrow p + e^-, \tag{9}$
$\overset{\sim}{\nu} + p \rightarrow n + e^+. \tag{10}$

Lý thuyết này cũng dự đoán cường độ của các quá trình như vậy. Hóa ra là trước khi bắt được neutrino (có năng lượng 1 MeV), hạt này (trung bình) có thể đi qua một lớp vật chất (ví dụ: nước) dày khoảng $10^{15}$ km!!! Một neutrino có thể tự do đi qua toàn bộ Trái đất để chỉ một trong số các hạt $5 \cdot 10^{12}$ bị Trái đất hấp thụ, tức là nó gây ra sự phân rã “ngược” $\beta$ . Đó là lý do tại sao không có nhiệt lượng kế nào trong các thí nghiệm ban đầu về phân rã $\beta$ có thể phát hiện ra hạt “khó nắm bắt” này.

Tuy nhiên, quá trình như vậy đã được phát hiện trong một thí nghiệm cực kỳ tinh tế và có độ nhạy kỷ lục do các nhà khoa học Mỹ Reines và Cowan thực hiện vào năm 1953 (exp.

Thí nghiệm được thực hiện gần một lò phản ứng hạt nhân công nghiệp mạnh).

Thí nghiệm này là bằng chứng cuối cùng về sự tồn tại của neutrino. Thí nghiệm ghi lại trung bình khoảng ba sự kiện bắt giữ neutrino mỗi giờ. Tần suất của các sự kiện này hoàn toàn phù hợp với những dự đoán định lượng của lý thuyết.

Việc nghiên cứu tính chất của hạt này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay. Ví dụ, người ta phát hiện ra rằng neutrino phát ra trong quá trình phân rã neutron (quá trình 5) và neutrino phát ra khi proton biến đổi thành neutron (quá trình 6) thực ra là những hạt khác nhau. Hóa ra cả hai loại neutrino đều có mômen quay riêng - spin hướng dọc theo trục quay. Tuy nhiên, đối với neutrino sinh ra từ sự phân rã (5), hướng spin tương ứng với chiều quay thuận tay phải, và đối với neutrino sinh ra từ phản ứng (6) thì hướng quay tương ứng với chiều quay thuận tay trái. Theo đó, loại neutrino đầu tiên được gọi là “phản neutrino” và được ký hiệu là $\overset{\sim}{\nu}$ .

Hơn nữa, các nghiên cứu về phân rã meson được thực hiện tại các máy gia tốc lớn ở Brookhaven (Mỹ) và Cern (Thụy Sĩ) cho thấy có một cặp neutrino khác - phản neutrino, về mặt nào đó khác biệt đáng kể so với các neutrino liên quan đến phân rã loại (5) và (6). Trong mọi trường hợp, dưới tác dụng của các neutrino đó (được gọi là muon), quá trình $\beta$ -Reines-Cowan ngược lại (quá trình 10) không xảy ra. Nhưng các quá trình bắt giữ neutrino tương tự bởi neutron hoặc proton cũng xảy ra, và thay vì electron hoặc positron, các $\mu$ -meson có dấu tương ứng được sinh ra:

$n + \nu_\mu \rightarrow p + \mu^-, \tag{11}$
$\overset{\sim}{\nu}_\mu + p \rightarrow n + \mu^+. \tag{12}$

Người ta cũng đã chứng minh được rằng mọi neutrino đều có khối lượng nghỉ rất nhỏ (hoặc thậm chí bằng không); vì vậy, ví dụ, về rất nhiều điều bình thường