Гоумстейкський експеримент

Підземний резервуар Гоумстейкського експерименту, коли басейн навколо резервуара ще не затоплено.

Схема експерименту в шахті Гоумстейк.

Гоумстейкський експеримент (англ. Homestake experiment, також відомий як експериментом Девіса, а в оригінальній літературі — Брукгейвенський експеримент із сонячними нейтрино або Брукгейвенський експеримент з ³⁷Cl) — експеримент, який очолювали астрофізики Раймонд Девіс і Джон Бакалл наприкінці 1960-х років. Його мета полягала в зборі та підрахунку нейтрино, випромінюваних в результаті ядерного синтезу в надрах Сонця. Бакалл виконав теоретичні розрахунки, а Девіс розробив експеримент. Після того, як Бакалл розрахував швидкість, з якою детектор повинен вловлювати нейтрино, експеримент Девіса показав лише одну третину цієї кількості. Експеримент був першим успішним виявленням і підрахунком сонячних нейтрино, а розбіжність результатів створила проблему сонячних нейтрино. Експеримент безперервно діяв з 1970 по 1994 рік. Пенсільванський університет керував експериментом з 1984 року. Пізніше виявилося, що розбіжність між прогнозованою та виміряною швидкістю виявлення нейтрино пов’язана з нейтринними осциляціями.

Методологія

Експеримент проводився на золотій копальні Гоумстейк в Ліді в штаті Південна Дакота. Девіс розмістив в шахті на глибині 1478 м під землею резервуар ємністю 380 кубічних метрів (100 000 галонів), заповнений перхлоретиленом, звичайною рідиною для хімчистки. Проведення експерименту глибоко під землею дозволяло запобігти впливу космічних променів, а великий об'єм рідини був потрібний через дуже малу ймовірність успішного захоплення нейтрино речовиною. Перхлоретилен був обраний тому, що він багатий на хлор. Під час взаємодії з електронним нейтрино атом ³⁷Cl перетворюється на радіоактивний ізотоп ³⁷Ar, який потім можна виділити та підрахувати. Реакція захоплення нейтрино має вигляд:

$\mathrm {\nu _{e}+\ ^{37}Cl\longrightarrow \ ^{37}Ar^{+}+e^{-}.}$

Поріг реакції становить 0,814 МеВ, тобто нейтрино повинно мати принаймні таку енергію, щоб бути захопленим ядром ³⁷Cl.

Оскільки ³⁷Ar має період напіврозпаду 35 днів, кожні кілька тижнів Девіс пропускав гелій через резервуар, щоб зібрати утворений в експерименті аргон. Потім невеликий лічильник газу реєстрував розпад атомів ³⁷Ar. Таким чином Девіс зміг визначити, скільки нейтрино захоплювала ємність з хлором за одиницю часу.

Висновки

Вимірювання Девіса постійно були дуже близькі до однієї третини розрахунків Бакалла. Перша відповідь наукового співтовариства полягала в тому, що або Бакалл, або Девіс зробили помилку. Розрахунки Бакалла неодноразово перевірялися, і помилок не виявили. Девіс уважно переглянув власний експеримент і наполягав, що в ньому немає вад. За Гоумстейкським експериментом послідували інші експерименти з тією ж метою, такі як Kamiokande в Японії, SAGE в СРСР, GALLEX в Італії, Super Kamiokande також в Японії та SNO в Канаді. SNO був першим детектором, здатним виявити нейтринні осциляції, вирішивши таким чином проблему сонячних нейтрино. Результати експерименту, опубліковані в 2001 році, показали, що з трьох ароматів, між якими нейтрино можуть коливатися, детектор Девіса був чутливий лише до одного. Після того, як було доведено, що його експеримент був правильним, Девіс розділив Нобелівську премію з фізики 2002 року за внесок у фізику нейтрино з Масатосі Косібою з Японії, який працював над Kamiokande та Super Kamiokande (іншу частину премії також отримав Ріккардо Джакконі за внесок у рентгенівську астрономію).