Фредерик Рајнес

Фредерик Рајнес ( - ) американски физичар. Тој е добитник на Нобеловата награда за физика во 1995 година за кооткривање на неутриното со Клајд Кован за експериментот за неутриното. Тој може да е единствениот научник во историјата „толку интимно поврзан со откривањето на елементарна честичка и последователната темелна истрага за нејзините основни својства“.
Дипломирал на Стивенсовиот институт за технологија и Њујоршкиот универзитет, Рејнс се придружил и започнал да работи во Лос Аламошката лабораторија на проектот „Менхетен“ во 1944 година, работејќи во теоретскиот оддел во групата на Ричард Фајнман. Тој станува водач на групата во 1946 година. Тој учествувал во голем број јадрени проби, што довело до тоа, тој да стане раководител на низата тестови познати како Операција „Стаклена градина“ која се одвивала во Тихиот Океан во 1951 година.
Во раните 50-ти години на минатиот век, работејќи во Ханфордскиот комплекс и Саванскиот речен комплекс, Рајнес и Кован ја развиле опремата и процедурите со кои за првпат ги откриле, наводно невидливите неутрина во јуни 1956 година. Рајнес го посветил најголемиот дел од неговата кариера на проучување на својствата на неутрината и нивните заемодејства, и оваа нивна заедничка работа ќе влијае на изучувањето на неутрината за многу од идните истражувачи. Ова го вклучувало и откривањето на неутрината создадени во атмосферата од космичките зраци, и откривањето на неутрината во 1987 година испуштени од Супернова SN1987A, со што се оформени основите на неутринската астрономијата .
1 Младост
Фредерик Рајнс е роден во Патерсон, Њу Џерси, како едно од четирите деца на Гуси (Коен) и Израел Рајнес. Неговите родители биле еврејски емигранти од истиот град во Русија, но се запознале во Њујорк, и подоцна стапиле во брак. Тој имал постара сестра, Пола, која станала лекар и двајца постари браќа, Дејвид и Вилијам, кои станале адвокати. Тој четопати велел дека неговото „образование во младоста било под силно влијание“ од неговите браќа и сестри. Тој беше внук на рабинот Јицак Јаков Рајнес, основачот на Мизрахи, верско ционистичко движење.
Семејството се преселило во Хилбурн, Њујорк каде неговиот татко работел во својата продавница и токму тука тој поминал поголем дел од своето детство. Тој бил Орлов извидник. Гледајќи наназад, Рајнес вели: „Моите спомени од раното детство се центрираат околу оваа типична американска продавница и животот во еден мал американски град, вклучувајќи ги тука и славењето на денот на независноста на САД, прослави проследени со огномет и патриотска музика, отсвирена од страна на музичкиот оркестар“.
Рајнес пеел во хор, и воедно како солист. Во еден период размислувал за пејачка кариера, и бил подучуван од гласовен тренер од Метрополитанската опера кој пак часовите ги држел бесплатно бидејќи неговото семејство немало пари да ги плати. Семејството подоцна се преселило во Северен Берген, Њу Џерси на адресата Булевар Кенеди и 57-та улица. Бидејќи во Северен Берген немало средно училиште, тој се образувал во средното училиште Јунион Хил во Јунион Хил (денес Јунион Сити, Њу Џерси), каде што матурирал во 1935 година.
Од рана возраст, Рајнес покажал интерес за науката и честопати сакал да создава и гради работи. Тој подоцна се присетува: Првите побуди за интерес за науката на кои се сеќавам се случија во еден момент на здодевност во верското училиште, кога, гледајќи од прозорецот при самрак низ раката свиткана налик на телескоп, при што забележав нешто необично за светлината, а тоа беше појавата на дифракција. На тој начин за мене започна интересот за светлината. Иронично, Рајнес блескал на часовите по литература и историја, но добил просечни или ниски оцени за наука и математика во својата прва година во средното училиште, иако подоцна во текот на образованието се подобрил во успехот по тие предмети благодарение на охрабрувањето од наставникот кој му дал клуч од училишната лабораторија. Ова прераснало кон љубов кон науката до неговата завршна година. Како одговор на прашање поставено на крајот од школувањето што да стои во алманахот, тој одговорил: „Да бидам извонреден физичар“.
Рајнес беше примен во Институтот за технологија во Масачусетс, но избрал своето образование да го продолжи на Стивенсовиот институт за технологија во Хобокен, Њу Џерси каде се стекнал со диплома за машинство во 1939 година и магистрирал математичка физика во 1941 година, пишувајќи теза на тема: „Критички преглед на теоријата на оптичка дифракција“. Тој се оженил со Силвија Самуелс на 30 август 1940 година. Тие имале две деца, Роберт и Алиса. Тој своето образование го продолжил на Њујоршкиот универзитет, каде што се стекнал со титулата доктор по филозофија во 1944 година. Тој тука ги изучувал космичките зраци под водство на Серж Корф, но својата теза ја напшишал под менторство на Ричард Презент со наслов „Јадрено цепење и моделот на течна капка за јадрото“. Објавувањето на тезата беше одложено сè до крајот на Втората светска војна, кога се објавува во Physical Review во 1946 година.
2 Лос Аламошка лабораторија
Во 1944 година, Ричард Фајнман го регрутираше Рајнес да работи во теоретскиот оддел во Лос Аламошката лабораторија при проектот Менхетен, каде што ќе остане во наредните петнаесет години. Тој се придружил на Фајнмановата екипа Т-4 (екипа за проблеми поврзани со дифузијата), која беше дел од Ханс Бетеовата Т (Теоретска) дивизија. Дифузијата беше важен аспект за пресметките на критичната маса. Во јуни 1946 година, тој станува водач на групата, предводејќи ја екипата Т-1 (теорија на змејот). Надоврзување на експериментот „скокоткање на опашката на змејот“, змејот всушност е машина што може да постигне критична состојба за кусо време, што може да се користи како алатка за истражување или пак како извор на енергија.
Рајнес учествувал во голем број јадрени проби и пишувал извештаи за нивните резултати. Попознати се операција „Крстопат“ кај атолот Бикини во 1946 година, операција „Песочник“ кај атолот Еневетак во 1948 година, и операција „Ренџер“ и операција Бастер-Јангл изведени во тестирачкиот полигон во Невада. Во 1951 година тој е раководител на операцијата „Стаклена градина“ низа на јадрени проби во Тихиот Океан. Ова беше првиот американски тест за засилено цепно оружје, важен чекор кон усовршување на термојадреното оружје. Тој ги проучувал ефектите од јадрените експлозии и бил соавтор на труд со Џон фон Нојман за создавањето на Маховото стебло, важен дел од ударниот бран на воздухот.
Во пресрет или пак можеби поради неговата улога во овие јадрени проби, Рајнес е загрижен за опасностите од радиоактивно загадување од атмосферските јадрени проби и станува поборник за подземни јадрени тестирања. Во пресрет на кризата со Спутник, тој учествува во проектот 137 на Џон Арчибалд Вилер, кој подоцна прераснува во ЈАСОН. Тој исто така беше делегат на конференцијата „ Атоми за мир“ во Женева во 1958 година.
3 Откривање на неутриното и внатрешниот начин на работа на ѕвездите
Неутриноto е субатомска честичка, првпат предвидена од Волфганг Паули на 4 декември 1930 година. Честичката требаше да го разреши проблемот со недостатокот на енергија при набудувањето на бета-распадите, кога неутронот се распаѓа на протон и електрон. Новата хипотетичка честичка требаше да го запази основниот закон за запазување на енергијата. Енрико Ферми ја преименува во неутрино, што на италијански значи „малку неутрален“, и во 1934 година ја предложил неговата теорија за бета-распад со која електроните што се испуштаат од јадрото се создадени со распадот на неутронот во протон, електрон, и неутрино:: → + +
Неутриното ја надополнуваше исчезнатата енергија, но теоријата на Ферми опиша честичка со мала маса и без електричен полнеж што е невозможно директно да се набудува. Во еден труд од 1934 година, Рудолф Пајерлс и Ханс Бете пресметале дека неутрината лесно можат да поминат низ Земјата и заклучиле дека „нема практично можен начин за набудување на неутриното“.
Во 1951 година, Рајнес и неговиот колега Клајд Кован решиле да видат дали можат да детектираат неутрина и на тој начин да го докажат нивното постоење. На крајот од низата тестови „Стаклена градина“, Рајнес доби дозвола од раководителот на Т одделот, Карсон Марк, за отсуство за да може да студира основна физика. „Па, зошто сакавме да го откриеме слободното неутрино?“ објаснува подоцна: „Бидејќи сите рекоа, не можете да го сторите тоа“.
Според Фермиевата теорија, имало и соодветна обратна реакција, во која неутриното се комбинира со протонот и се создавал неутрон и позитрон:: + → +
Позитронот наскоро ќе се поништи со електронот и ќе се создадат два гама-зраци од 0,51 MeV, додека неутронот би бил заробен од протонот и ќе ослободи гама-зрак од 2,2 MeV. Ова ќе создаде посебен сигнал што може да се забележи. Подоцна, тие сфатија дека со додавање на кадмиумска сол во нивниот течен сцинтилатор, тие ќе ја зајакнат реакцијата за зафаќање на неутроните, што резултира во распрснување на гама-зраци од 9 MeV. За неутринскиот извор, тие предложиле употреба на атомска бомба. Дозвола за ова е добиена од раководителот на лабораторијата, Норис Бредбери. Започнала работата за копање шахта за експериментот кога Келог ги убедил да користат јадрен реактор наместо бомба. Иако е помалку интензивен извор на неутрина, се стекнала предност со што ќе може да се извршат повеќе експерименти во текот на долг временски период.
Во 1953 година, тие ги направиле своите први обиди користејќи еден од големите реактори на Ханфордскиот комплекс, денес познат како Кован-Рајнесов неутрински експеримент. Нивниот детектор сега вклучуваше на сцинтилациона течност и 90 фотомултипликаторски цевки, но напорот беше попречуван од позадинската бучава од космичките зраци. Со охрабрување од Џон Вилер, тие се обиделе повторно во 1955 година, овој пат користејќи еден од поновите, поголеми 700 MW реактори на Саванскиот речен комплекс од кој се испуштал висок неутрински флукс од 1,2 х 10<sup>12</sup>cm<sup>2</sup>/s. Тие, исто така, имаа погодна, добро заштитена местоположба од реакторот и под земја. На 14 јуни 1956 година, тие имаа можност да му испрататтелеграма на Паули во која се вели дека е неутриното е забележано. Кога Бете бил известен дека не бил во право, тој изјавил: „Па, не треба да верувате во сè што ќе прочитате во весниците“.
Оттогаш, Рајнес го посветува најголемиот дел од неговата кариера на проучување на својствата и заемодејствата на неутрината, коишто ќе влијаат врз проучувањето на неутрината за идните истражувачи. Кован го напуштил Лос Аламос во 1957 година да предава на универзитетот „Џорџ Вашингтон“, со што ја завршил нивната соработка. Врз основа на неговата работа при првото откривање на неутриното, Рајнес стана шеф на одделот за физика на универзитетот „Кејс Вестерн Резрв“ од 1959 до 1966 година. Таму тој, предводеше екипа која прва ги открила неутрината создадени во атмосферата од космичките зраци. Рајнес имаше добар глас и беше пејач уште од детството. Во тој период, покрај извршувањето на своите должности како истражен надгледувач и претседател на одделот за физика, Рајнес пееше во Кливлендскиот оркестарски хор под палката на Роберт Шоу заедно со Џорџ Шел и Кливлендскиот оркестар.
Во 1966 година, Рајнес го зеде со себе најголемиот дел од својата екипа за истражување на неутрината при заминувањето во Калифорнискиот универзитет, во Ирвин, со што стана првиот декан на катедрата по физика. Таму, Рајнес ги прошири истражувачките интереси на некои од неговите додипломци во развојот на детектори за медицинско зрачење, како начинот за мерење на целокупното зрачење на човечко тело при зрачната терапија.
Рајнес се подготви за можноста за мерење на далечните настани како на пример експлозијата на супернова. Експлозиите на супернови се ретки, но Рајнес сметаше дека може да има среќа да види една во неговиот живот и да може да ги забележи неутрината што произлегуваат од настанот во неговите специјално осмислени детектори. Во текот на чекањето да дојде до експлозија на супернова, тој ставил знаци на некои од неговите големи детектори на неутрина, нарекувајќи ги „системи за рано предупредување при супернови“. Во 1987 година, неутрината испуштени од суперновата SN 1987A беа забележани од соработката Ирвин-Мичиген-Брукхејвен (IMB), која користеше 8.000 тонски Черенков детектор сместен во рудникот за сол во близина на Кливленд. Нормално, детекторите снимаа само неколку позадински настани секој ден. При суперновата се забележани 19 настани за само десет секунди. Ова откритие се смета за втемелување на полето на неутринската астрономијата.
Во 1995 година, Рајнес беше почестен, заедно со Мартин Л. Перл со Нобеловата награда за физика за неговата работа со Кован за првото откривање на неутриното. За жал, Кован починал во 1974 година, а Нобеловата награда не се доделува посмртно. Рајнес добил и многу други награди, вклучително и меморијалната награда „Роберт Опенхајмер“ во 1981 година, Национален медал за наука во 1985 година, наградата Бруно Роси во 1989 година, наградата Мајкелсон-Морли во 1990 година, наградата Панофски во 1992 година и Медал Френклин во 1992 година. Тој беше избран за член на Националната академија на науките во 1980 година и странски член на Руската академија на науките во 1994 година. Тој останал декан на катедрата по физика при Калифорнискиот универзитет до 1974 година, и станал професор во пензија во 1988 година, но тој продолжи да предава до 1991 година, и останал на факултетот сè до неговата смрт.
4 Смрт
Рајнес починал по долго боледување на Универзитетот во Калифорнија, медицинскиот центар Ирвин во Оринџ, Калифорнија, на 26 август 1998 година. Тој бил надживеан од неговата сопруга и децата. Неговите трудови се во библиотеките на УЦИ. Рајнес Хол во УЦИ е именувана во негова чест.
5 Објавени трудови и дела
* Reines, F. & C. L. Cowan, Jr. , Los Alamos National Laboratory (LANL) (through predecessor agency Los Alamos Scientific Laboratory), United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (August 6, 1953).
* Reines, F., Cowan, C. L. Jr., Carter, R. E., Wagner, J. J. & M. E. Wyman. , Los Alamos National Laboratory (LANL) (through predecessor agency Los Alamos Scientific Laboratory), United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (June 1958).
* Reines, F., Gurr, H. S., Jenkins, T. L. & J. H. Munsee. , University of California-Irvine, Case Western Reserve University, United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (September 9, 1968).
* Roberts, A., Blood, H., Learned, J. & F. Reines. , Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), United States Department of Energy (through predecessor agency the Energy Research and Development Administration), (July 1976).
*
6 Наводи
**