Фредерик Райнес

Фредерик Райнес ( RY-nəs; 16 наурыз 1918 – 26 тамыз 1998 ж.) — американдық физик. Нейтрино экспериментінде Клайд Коуэнмен бірге нейтриноны анықтағаны үшін оған 1995 жылы физика бойынша Нобель сыйлығы берілді. Ол тарихтағы «элементар бөлшекті ашумен және оның іргелі қасиеттерін кейіннен мұқият зерттеумен тығыз байланысты» жалғыз ғалым болуы мүмкін.

Стивенс технологиялық институтының және Нью-Йорк университетінің түлегі Райнес 1944 жылы Манхэттен жобасының Лос-Аламос зертханасына жұмысқа орналасып, Ричард Фейнман тобында теориялық бөлімде жұмыс істеді. 1946 жылы сол жерде топ жетекшісі болды. Ол бірқатар ядролық сынақтарға қатысып, 1951 жылы Тынық мұхитындағы «Жылыжай операциясы» сынақтар сериясының директоры болды.

1950 жылдардың басында Ханфорд және Саванна Ривер Сайтста (SRS) жұмыс істей отырып, Райнес пен Коуэн 1956 жылы маусымда анықталмай жүрген нейтриноларды алғаш рет анықтаған жабдық пен процедураларды әзірледі. Райнес өзінің мансабының негізгі бөлігін нейтриноның қасиеттері мен өзара әрекеттесуін зерттеуге арнады, оның жұмысы көптеген зерттеушілер үшін нейтриноны зерттеуге әсер етеді. Бұл ғарыштық сәулелермен құрылған атмосферадағы нейтриноны анықтау, және 1987 жылғы Supernova SN1987A сәулеленген нейтриноны анықтауды қамтиды, ол нейтрино астрономиясының өрісін ашты.

 Ерте жылдар 
Фредерик Райнес Нью-Джерси штатының Патерсон қаласында дүниеге келген, Гасси (Коэн) мен Израиль Райнестің төрт баласының бірі. Оның ата-анасы Ресейдегі бір қаладан келген еврей эмигранттары болған, бірақ олар кейінірек үйленетін кезде ғана Нью-Йоркте кездескен. Оның дәрігер болған үлкен әпкесі Паула және заңгерлер болған Дэвид пен Уильям есімді екі ағасы болды. Оның «ерте білім алуына оқыған аға-әпкелері қатты әсер еткенін» айтқан. Ол діни сионистік қозғалыс Мизрачидің негізін қалаушы болған раввин Ицчак Яаков Райнестің үлкен жиені.

Отбасы Нью-Йорк штатындағы Хиллберн қаласына көшті, онда әкесі дүкенді басқарды және онда балалық шағының көп бөлігін өткізді. Ол Игл скаутшы болды. Өткенге көз жүгіртіп, Райнес былай деді: «Менің балалық шағымның естеліктері осы типтік американдық ауыл дүкені мен шағын американдық қалашықтағы өмір, соның ішінде павильон стендінде отшашу мен патриоттық музыкамен белгіленген шілде айындағы Тәуелсіздік күнін мерекелеумен байланысты».

Райнес хорда және солист ретінде ән айтты. Біраз уақыт ол әншілік мансап мүмкіндігін қарастырды және Метрополитен операсының вокалды жаттықтырушысының нұсқауын, отбасында ақша болмағандықтан тегін сабақ алды Кейінірек отбасы Кеннеди бульварында және 57-ші көшеде тұратын Солтүстік Бергенге, Нью-Джерсиге көшті. Солтүстік Бергеннің орта мектебі болмағандықтан, ол Юнион Хиллдегі, Нью-Джерсидегі (бүгін Юнион-Сити, Нью-Джерси) орта мектепке барды. 1935 жылы Юнион Хилл орта мектебін бітірді.

Кішкентай кезінен бастап Райнес ғылымға қызығушылық танытты және заттарды жасауды және салуды ұнататын. Кейінірек ол былай деп еске алды:Менің есімдегі ғылымға деген қызығушылықтың алғашқы қозулары діни мектепте зерігу кезінде болды, сол кезде имитациялау үшін қолдан бұралған телескоптан ымырт түскенде терезеден сыртқа қарап, мен жарықтың бір ерекшелігін байқадым; бұл дифракция құбылысы болатын. Бұдан мен үшін жарыққа деген қызығушылық басталды.Бір қызығы, Райнес әдебиет және тарих курстарында үздік болды, бірақ орта мектептің бірінші курсында жаратылыстану және математика пәндерінен орташа немесе төмен баға алды, дегенмен ол сол салаларда төменгі және жоғары курстарда оған білім беретін мұғалімнің мектеп зертханасының кілтін беруі арқылы жігерлендіруімен жақсарды. Бұл оның жоғарғы курста ғылымға деген сүйіспеншілігін арттырды. Жоғарғы курстағылардан жылнамалық дәйексөз үшін не істегісі келетіні туралы сұралған сұраққа ол: «Керемет физик болу» деп жауап берген.

Райнес Массачусетс технологиялық институтына қабылданды, бірақ оның орнына Нью-Джерси штатындағы Хобокен қаласындағы Стивенс технологиялық институтына оқуға түсуді таңдады, онда ол 1939 жылы машина жасау саласында ғылым бакалавры (BS) дәрежесін және ғылым магистрі (MS) дәрежесін алды. 1941 жылы математикалық физика дәрежесін алып, «Оптикалық дифракция теориясына сыни шолу» тақырыбында диссертация жазды. Ол 1940 жылы 30 тамызда Сильвия Самуэлске үйленді. Олардың Роберт және Алиса атты екі баласы болды. Содан кейін ол Нью-Йорк университетіне түсіп, 1944 жылы философия докторы (Ph.D.) дәрежесін алды. Ол жерде ғарыштық сәулелерді Серж А. Корфтың басшылығымен зерттеу жүргізді, бірақ Ричард Д. Презенттің жетекшілігімен «Ядроның бөлінуі және ядроның сұйық тамшы моделі» тақырыбында диссертациясын жазды. Диссертацияның жариялануы Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғанға дейін кейінге қалдырылды; ол 1946 жылы Physical Review журналында пайда болды.

 Лос-Аламос зертханасы 
нобай| Фредерик Райнес Лос-Аламос белгішесі
оңға|нобай| Жылыжай операциясы – ит ату
1944 жылы Ричард Фейнман Райнесті Манхэттен жобасының Лос-Аламос зертханасының теориялық бөлімінде жұмыс істеуге шақырды, ол келесі он бес жыл бойы сонда қалады. Ол Ганс Бетенің Т (теориялық) бөлімінің бөлігі болған Фейнманның Т-4 (диффузия мәселелері) тобына қосылды. Диффузия критикалық массаларды есептеудің маңызды аспектісі болды. 1946 жылы маусымда ол Т-1 (Айдаһар теориясы) тобын басқарып, топ жетекшісі болды. «Айдаһардың құйрығын қытықтау» тәжірибесінің жемісі, Айдаһар қысқа уақыт ішінде сыни күйге жете алатын машина болды, оны зерттеу құралы немесе қуат көзі ретінде пайдалануға болады.

Райнес бірқатар ядролық сынақтарға қатысып, олардың нәтижелері туралы есептерді жазды. Оларға 1946 жылы Бикини атоллындағы «Қиылыс» операциясы, 1948 жылы Эниветок атоллындағы «Құмтас» операциясы және Невада полигонындағы «Рейнджер» және «Бастер-Джангл» операциясы кіреді. 1951 жылы Тынық мұхитындағы ядролық сынақтар сериясының «Жылыжай» операциясының директоры болды. Бұл бірінші американдық сынақтар күшейтілген бөлу қаруын көрінуі, термоядролық қарудың маңызды қадамы еді. Ол ядролық жарылыстардың әсерін зерттеді және Джон фон Нейманмен бірге ауа жарылыс толқынының маңызды аспектісі болып табылатын Мах діңінің қалыптасуы туралы мақаланың авторы болды.

Осы ядролық сынақтардағы рөліне қарамастан немесе мүмкін болғандықтан, Райнес атмосферадағы ядролық сынақтардың радиоактивті ластану қаупіне алаңдады және жерасты ядролық сынақтардың жақтаушысы болды. Спутник дағдарысынан кейін ол Джон Арчибалд Уилердің JASON-ға айналған 137 жобасына қатысты. Ол сондай-ақ 1958 жылы Женевада өткен «Атомдар бейбітшілік үшін» конференциясының делегаты болды

 Нейтрино мен жұлдыздардың ішкі құрылысын ашу 
alt=Photo of Clyde Cowan and Frederick Reines|нобай| Райнес және Клайд Коуэн
Нейтрино — субатомдық бөлшек, алғаш рет оны 1930 жылы 4 желтоқсанда Вольфганг Паули ұсынған. Бөлшек нейтронның протон және электронға ыдырауы кезінде бета-ыдырауды бақылаулауда жетіспейтін энергия мәселесін шешу үшін талап етілді. Жаңа гипотетикалық бөлшек энергияның сақталуының негізгі заңын сақтау үшін талап етілді. Энрико Ферми оны нейтрино деп өзгертті, итальянша «кішкентай бейтарап» деген мағына және 1934 жылы өзінің бета-ыдырау теориясын ұсынды, ол арқылы ядродан шығарылатын электрондар, нейтронның протонға, электронға, және нейтриноға ыдырауы арқылы жасалады:

 n0 → p+ + e− + νe

Нейтрино жетіспейтін энергияны толтырды, бірақ Ферми теориясы тікелей бақылау мүмкін емес болып көрінетін массасы аз және электр заряды жоқ бөлшекті сипаттады. 1934 жылғы мақалада Рудольф Пейерлс пен Ханс Бете нейтринолардың Жер арқылы оңай өтетінін есептеп, «нейтриноны бақылаудың іс жүзінде мүмкін әдісі болмайды» деген қорытындыға келді.
нобай| Фредерик Райнес (оң жақта) Клайд Коуэнмен (сол жақта) және басқа да Project Poltergeist мүшелерімен
1951 жылы Райнес пен оның әріптесі Клайд Коуэн нейтриноларды анықтай алатынын және осылайша олардың бар екенін дәлелдеп көруге шешім қабылдады. Жылыжай сынақ сериясының соңында Райнес T бөлімшесінің басшысы Дж. Карсон Марктан іргелі физиканы зерттеуге тұрғылықты жері бойынша демалысқа шығуға рұқсат алды. Кейінірек «Неліктен біз бос нейтриноны анықтағымыз келді?» деген сұраққа ол былай деп түсіндірді: «Себебі бәрі айтты, сіз мұны істей алмайсыз».

Ферми теориясына сәйкес нейтрино протонмен қосылып нейтрон мен позитрон түзетініне сәйкес кері реакция да болады:

 νe + p+ → n0 + e+

Позитрон көп ұзамай электронмен жойылып, екі 0,51 МэВ гамма-сәулелерін шығарады, ал нейтронды протон басып, 2,2 МэВ гамма-сәуле шығарады. Бұл анықтауға болатын ерекше қолтаңба жасайды. Содан кейін олар өздерінің сұйық сцинтилляторына кадмий тұзын қосу арқылы нейтрондарды ұстау реакциясын күшейтетінін түсінді, нәтижесінде гамма-сәулелер 9 МэВ-ға жарылды. Нейтрино көзі үшін олар атом бомбасын қолдануды ұсынды. Бұл үшін зертхана директоры Норрис Брэдбериден рұқсат алынды. Жоспар «Жапонияның Хиросимаға тасталғанымен салыстырылатын 20 килотонналық ядролық бомбаны» жару болды. Детекторды жарылыс кезінде «ағынды максималды ұстау үшін» детонация орнынан 40 метр қашықтықтағы шұңқырға түсіру ұсынылды; ол «Эль Монстро» деп аталды. Дж. М. Б. Келлогг оларды бомбаның орнына ядролық реакторды қолдануға көндіргенде, эксперимент үшін оқпан қазу жұмыстары басталды. Нейтринолардың аз қарқынды көзі болғанымен, оның артықшылығы ұзақ уақыт бойы бірнеше эксперименттер жүргізуге мүмкіндік берді.

1953 жылы олар Ханфорд ядролық полигонындағы үлкен реакторлардың бірінде қазіргі уақытта Коуэн-Райнес нейтрино эксперименті деп атайтын алғашқы әрекетін жасады; олар экспериментті «Полтергейст жобасы» деп атады. Олардың детекторы енді 300 литр сцинтилляторлық сұйықтық пен 90 фотокөбейткіш түтіктерден тұрады, бірақ бұл әрекетке ғарыштық сәулелерден түсетін фондық шу кедергі болды. Джон А. Уилердің көтермелеуімен олар 1955 жылы тағы да әрекет етті, бұл жолы 1,2 x 1012 / см2 сек жоғары нейтрино ағынын шығаратын Саванна Ривер Сайтта жаңа, үлкенірек 700 МВт реакторлардың бірін қолданды. Олар сондай-ақ ыңғайлы, жақсы қорғалған реактордан 11 метр және жер астында 12 метрде орналасты. 1956 жылы 14 маусымда олар Паулиге нейтриноның табылғаны туралы жеделхат жібере алды. Бетеге оның қателігі дәлелденгені туралы хабарланғанда, ол: «Ал, сіз газеттерден оқитыныңыздың бәріне сенбеуіңіз керек», —  деді.
солға|нобай| Supernova SN1987A (орталықтағы жарқын нысан), Хаббл ғарыштық телескопы арқылы көрінеді
Содан бері Райнес өзінің мансабының негізгі бөлігін нейтриноның қасиеттері мен өзара әрекеттесуін зерттеуге арнады, бұл жұмыс болашақ зерттеушілер үшін нейтриноны зерттеуге әсер етеді. Коуэн 1957 жылы Джордж Вашингтон университетінде сабақ беру үшін Лос-Аламосты тастап, олар ынтымақтастықты тоқтатты. Нейтриноны алғаш анықтаудағы жұмысының негізінде Райнес 1959 жылдан 1966 жылға дейін Кейс Вестерн Резерв университетінің физика кафедрасының меңгерушісі болды. Кейсте ол бірінші болып атмосферада ғарыштық сәулелер арқылы жасалған нейтриноларды анықтаған топты басқарды. Райнестің дауысы жарқын және бала кезінен әнші болған. Осы уақыт ішінде ғылыми жетекші және физика кафедрасының төрағасы ретіндегі міндеттерін орындаумен қатар, Райнес Роберт Шоудың жетекшілігімен Кливленд оркестрінің хорында Джордж Шелл және Кливленд оркестрімен бірге қойылымдарда ән айтты.

1960 жылдардың басында Райнес Йоханнесбург, Оңтүстік Африка маңындағы Шығыс Рэнд алтын кенішінде детектор тұрғызды. Сайт тереңдігіне байланысты таңдалды, 3,5 км; 1965 жылы 23 ақпанда жаңа детектор өзінің алғашқы атмосфералық нейтриноларын түсірді. Райнестің достары, инженер Август «Гус» Хрущканы АҚШ-тан әкелді, олар Уитуотерсранд университетінің оңтүстік африкалық физигі Фридель Селшоппен бірге жұмыс істеді. Жабдық Кейс институтында жасалды және 50 резервуардағы 20 тонна сцинтилляциялық сұйықтық АҚШ-тан тасымалданды. Апартеидтік нәсілшіл елде жұмыс істеу шешіміне Райнеснің көптеген әріптестері қарсы шықты, оның өзі «ғылым саясаттан асып түсті» деді. Шахтадағы зертханалық топты Райнестің докторанттары, алдымен Уильям Кропп, содан кейін Генри Собель басқарды. Эксперимент 1963 жылы жүргізілді және 1971 жылы жабылды және 167 нейтрино оқиғасын түсірді.

1966 жылы Райнес өзінің нейтрино зерттеу тобының көп бөлігін өзімен бірге жаңа Калифорния университетіне, Ирвайнге (UCI) кетіп, физика ғылымдарының бірінші деканы болды. UCI-де Райнес өзінің кейбір докторанттарының ғылыми қызығушылықтарын радиациялық терапияда бүкіл адам ағзасына жеткізілетін жалпы сәулеленуді өлшеу сияқты медициналық сәулелік детекторларды әзірлеуге кеңейтті.

Райнес супернова жарылысының алыстағы оқиғаларын өлшеу мүмкіндігіне дайындалды. Супернованың жарылыстары сирек кездеседі, бірақ Райнес өмірінде бір рет көру бақытына ие болуы мүмкін деп ойлады және оның арнайы әзірленген детекторларында, одан ағып жатқан нейтриноларды ұстай алады. Супернованың жарылуын күту кезінде ол өзінің кейбір үлкен нейтрино детекторларына белгілер қойып, оларды «Супернованың ерте ескерту жүйелері» деп атады. 1987 жылы Supernova SN1987A-дан шығарылған нейтринолар Кливленд маңындағы тұз шахтасында орналасқан 8000 тонналық Черенков детекторын пайдаланған Ирвайн-Мичиган-Брукхавен (IMB) ынтымақтастығы арқылы анықталды. Әдетте, детекторлар күн сайын тек бірнеше фондық оқиғаларды жазды. Супернова бар болғаны он секундта 19 оқиғаны тіркеді. Бұл жаңалық нейтрино астрономия саласының ашылуы ретінде қарастырылады.

1995 жылы Райнес Мартин Л. Перлмен бірге нейтриноны алғаш рет анықтауда Коуэнмен жұмыс істегені үшін физика бойынша Нобель сыйлығының лауреаты атанды. Өкінішке орай, Коуэн 1974 жылы қайтыс болды және Нобель сыйлығы қайтыс болғаннан кейін берілмейді. Райнес сонымен қатар 1981 жылы Дж. Роберт Оппенгеймер мемориалдық сыйлығын, жылы Ұлттық ғылым медалін, 1989 жылы Бруно Росси сыйлығын, 1990 жылы Мишельсон-Морли сыйлығын, 1992 жылы Панофский сыйлығын қоса алғанда, басқа да көптеген марапаттарға ие болды. және 1992 жылы Франклин медалімен марапатталған. Ол 1980 жылы Ұлттық ғылым академиясының мүшесі, 1994 жылы Ресей Ғылым академиясының шетелдік мүшесі болып сайланды, сондай-ақ 1974 жылға дейін UCI-де физика ғылымдарының деканы болды және 1988 жылы құрметті профессор болды, бірақ 1991 жылға дейін сабақ беруді жалғастырды және қайтыс болғанға дейін UCI факультетінде қалды.

 Өлім 
оңға|нобай| Ирвайндағы Калифорния университетіндегі Фредерик Райнес Холлы, физика және астрономия бөлімі және химия кафедрасының бір бөлігі орналасқан.
Райнес 1998 жылы 26 тамызда Калифорния университетінде, Оранж қаласындағы Ирвайн медициналық орталығында ұзақ аурудан кейін қайтыс болды  Артында әйелі мен балалары қалды. Оның еңбектері UCI кітапханаларында жинақталған. Оның құрметіне Ирвайн қаласындағы Калифорния университетінің физика және астрономия бөлімі орналасқан Фредерик Райнес Холл аталды.

 Жарияланымдар 
 Райнес, Ф. және К. Л. Коуэн кіші «Бос нейтриноны анықтау туралы», Лос-Аламос ұлттық зертханасы (LANL) (алдыңғы агенттік Лос-Аламос ғылыми зертханасы арқылы), Америка Құрама Штаттарының Энергетика департаменті (Атом энергиясы жөніндегі комиссияның бұрынғы агенттігі арқылы), (1953 ж. 6 тамыз).
 Райнес, Ф., Коуэн, К. Л. кіші, Картер, Р. Е., Уагнер, Дж. Дж. және М. Е. Уайман. "Еркін антинейтриноның сіңіру қимасы. I бөлім. Еркін антинейтрино жұтылу қимасын өлшеу. II бөлім. Бөліну фрагментінің электронды спектрін өлшеуден күтілетін көлденең қима", Лос-Аламос ұлттық зертханасы (LANL) (Los Alamos National Laboratory Los-Agency Los-Agency Laboratorys арқылы).), Америка Құрама Штаттарының Энергетика министрлігі (Атом энергиясы жөніндегі комиссияның бұрынғы агенттігі арқылы), (1958 жылғы маусым).
 Райнес, Ф., Гурр, Х.С., Дженкинс, Т.Л. жәәне Дж.Х. Манси. «Реакторлардағы нейтрино эксперименттері», Калифорния-Ирвайн университеті, Кейс Вестерн Резерв университеті, Америка Құрама Штаттарының Энергетика департаменті (алдыңғы агенттік Атом энергиясы жөніндегі комиссия арқылы), (9 қыркүйек, 1968 ж.).
 Робертс, А., Блуд, Х., Зерттеген, Дж. және Ф. Райнес. «DUMAND нейтрино жобасының күйі мен мақсаттары: мұхит нейтрино детекторы ретінде», Ферми ұлттық үдеткіш зертханасы (FNAL), Америка Құрама Штаттарының Энергетика министрлігі (энергияны зерттеу және дамыту әкімшілігінің бұрынғы агенттігі арқылы), (1976 жылғы шілде).

 Дереккөздер 

 Сілтемелер 
 Фредерик Райнес құжаттарына арналған нұсқаулық. Арнайы жинақтар мен мұрағаттар, Калифорния университеті, Ирвайн кітапханалары, Ирвайн, Калифорния.
 Фредерик Раййнс соның ішінде Нобель дәрісі, 8 желтоқсан 1995 ж. Нейтрино: Полтергейстен бөлшекке дейін

Санат:Ресей ғылым академиясының шетелдік мүшелері
Санат:АҚШ Ұлттық ғылым академиясының мүшелері мен корреспондент мүшелері
Санат:АҚШ Ұлттық ғылым медалімен марапатталғандар
Санат:Нобель сыйлығының иегерлері (АҚШ)
Санат:Физиктер
Санат:Физикадан Нобель сыйлығының иегерлері
Санат:XX ғасыр физиктері
Санат:АҚШ физиктері