Partikel av en neutrino: definition, egenskaper, beskrivning. Oscillationer av neutrinos är ...

En neutrino är en elementär partikel, som mycket liknar en elektron, men har ingen elektrisk laddning. Den har en mycket liten massa, som även kan vara noll. Neutrinohastigheten beror också på massan. Skillnaden i partikelns och ljusets ankomsttid är 0,0006% (± 0,0012%). Under 2011, under OPERA-experimentet, konstaterades att hastigheten på neutrinor är snabbare än ljus, men oberoende erfarenhet har inte bekräftat detta.

Den exklusiva partikeln

Detta är en av de vanligaste partiklarna i universum. Eftersom det interagerar väldigt lite med materia är det oerhört svårt att upptäcka. Elektroner och neutrinor deltar inte i starka kärnväxelverkningar, men deltar även i de svaga. Partiklar som har sådana egenskaper kallas leptoner. Förutom elektronen (och dess antipartikel, positronen) innefattar de laddade leptonerna en muon (200 elektronmassor), tau (3500 elektronmassor) och deras antipartiklar. De kallas så: elektron, muon och tau neutrinos. Var och en av dem har en antimaterialkomponent, kallad antineutrinos.

Muon och tau, som en elektron, har partiklar som åtföljer dem. Det är en muon och en tau neutrino. Tre typer av partiklar skiljer sig från varandra. Till exempel när muon neutrinos interagerar med ett mål producerar de alltid muoner, och aldrig tau eller elektroner. I interaktionen mellan partiklar kan elektroner och elektronnutriner skapas och förstöras, men deras summa förblir oförändrad. Detta faktum leder till separationen av leptoner i tre typer, som var och en har ett laddat lepton och den åtföljande neutrino.

För att detektera denna partikel behövs mycket stora och extremt känsliga detektorer. Vanligtvis kommer lågenergiska neutrinor att resa i många ljusår innan de interagerar med materia. Följaktligen är alla grundbaserade experiment med dem beroende av att de mäter sin lilla fraktion interagerar med inspelare av rimlig storlek. Till exempel, i Sudbury Neutrino observatorium, som innehåller 1000 ton tungt vatten, passerar ca 1012 sol neutrino per sekund genom detektorn. Och bara 30 per dag finns.

Historien om upptäckten

Wolfgang Pauli var den första som postulerade existensen av en partikel 1930. Vid den tidpunkten uppstod ett problem, eftersom det verkade att energi och vinkelmomentet inte kvarstod i beta-sönderfall. Men Pauli noterade att om en icke-interaktiv neutral neutrinopartikel emitteras kommer energibesparingslagen att observeras. Den italienska fysikern Enrico Fermi 1934 utvecklade teorin om beta-sönderfall och gav partikeln sitt namn.

Trots alla förutsägelser kunde neutrinos i 20 år inte detekteras experimentellt på grund av dess svaga interaktion med materia. Eftersom partiklarna inte är elektriskt laddade, verkar elektromagnetiska krafter inte på dem, och följaktligen orsakar de inte jonisering av substansen. Dessutom reagerar de bara med materia genom svaga interaktioner av försumbar kraft. Därför är de de mest penetrerande subatomiska partiklarna som kan passera ett stort antal atomer utan att orsaka någon reaktion. Endast 1 i 10 miljarder av dessa partiklar, som reagerar genom materia på ett avstånd som är lika med jordens diameter, reagerar med en proton eller neutron.

Slutligen rapporterade en grupp amerikanska fysiker, under ledning av Frederick Raines, 1956 upptäckten av elektron-antineutrinos. I sina experiment interagerades antineutrinos från en kärnreaktor med protoner som bildade neutroner och positroner. De unika (och sällsynta) energidesignaturerna för dessa senare biprodukter har blivit bevis på existensen av partikeln.

Upptäckten av laddade muonleptoner blev utgångspunkten för den efterföljande identifieringen av en andra typ av neutrino-muon. Deras identifiering utfördes 1962 på basis av resultaten av ett experiment i en partikelaccelerator. Hög-energi-muonneutrinos bildades genom sönderfall av pioner och riktades mot detektorn på ett sådant sätt att deras reaktioner med material kunde studeras. Även om de inte är reaktiva, liksom andra typer av dessa partiklar, fann man att i de sällsynta fallen när de reagerade med protoner eller neutroner bildar muonneutrinerna muoner, men aldrig elektroner. År 1998 mottog amerikanska fysiker Leon Lederman, Melvin Schwarz och Jack Steinberger Nobelpriset i fysik för identifiering av muonneutrinor.

I mitten av 1970-talet kompletterades neutrino fysik med en annan typ av laddade leptoner - tau. Tau neutrinos och tau antineutrinos befanns vara associerade med denna tredje laddade lepton. År 2000 heter fysiker på National Accelerator Laboratory efter Yu. Enrico Fermi rapporterade de första experimentella bevisen för förekomsten av denna typ av partiklar.

vikt

Alla typer av neutrinor har en massa som är mycket mindre än sina laddade partner. Exempelvis visar experiment att elektronnutrino-massan borde vara mindre än 0,002% av elektronmassan och att summan av massorna hos de tre arterna borde vara mindre än 0,48 eV. Under många år verkade det som att massan av partikeln var noll, även om det inte fanns några övertygande teoretiska bevis på varför detta borde vara så. Därefter, 2002, vid Neutrino-observatoriet i Sudbury, erhölls de första direkta bevisen att den elektronnutrino som släpptes ut av kärnreaktioner i solens kärna när de passerar genom den förändrar sin typ. Sådana "oscillationer" av neutrinor är möjliga om en eller flera partikelarter har en viss liten massa. Deras studier om samspelet mellan kosmiska strålar i jordens atmosfär indikerar också massans närvaro, men ytterligare experiment krävs för att avgöra det noggrant.

källor

Naturliga källor till neutrinor är det radioaktiva förfallet av element i jordens tarmar, under vilket ett stort flöde av lågenergi-elektroner-antineutrinos avges. Supernovaer är också övervägande ett neutrinofenomen, eftersom endast dessa partiklar kan penetrera det superdensmaterial som bildas i den kollapsande stjärnan; Endast en liten del av energin omvandlas till ljus. Beräkningar visar att omkring 2% av Solens energi är neutrinos energi bildad i reaktioner av termonukleär fusion. Det är troligt att det mesta av universumets mörka materia består av neutrinor som bildas under Big Bang.

Problem med fysiken

De områden som är associerade med neutrin och astrofysik är olika och utvecklas snabbt. Aktuella problem som involverar ett stort antal experimentella och teoretiska ansträngningar är följande:

• Vad är massorna av olika neutrinor?
• Hur påverkar de kosmologin i Big Bang?
• Svänger de?
• Kan en neutrino av en typ förvandlas till en annan så länge de reser genom materia och rymd?
• Är neutriner fundamentalt annorlunda än deras antipartiklar?
• Hur bryter stjärnorna ner och bildar supernova?
• Vad är neutrinos roll i kosmologin?

Ett av de långvariga problemen av särskilt intresse är det så kallade problemet med sol neutrinos. Detta namn hänvisar till det faktum att under flera jordförsök som genomförts under de senaste 30 åren observerades mindre partiklar ständigt än vad som är nödvändigt för att producera energi utstrålade av solen. En av dess möjliga lösningar är oscillation, dvs omvandlingen av elektroniska neutrinor till muonic eller tau när de reser till jorden. Eftersom det är mycket svårare att mäta låg-energi muon- eller tau-neutrinos kan denna typ av omvandling förklara varför vi inte observerar det rätta antalet partiklar på jorden.

Det fjärde nobelpriset

Nobelpriset i fysik för år 2015 tilldelades Takaaki Kadzite och Arthur MacDonald för att upptäcka neutrino-massan. Detta var den fjärde sådana utmärkelsen, relaterad till de experimentella mätningarna av dessa partiklar. Någon kan vara intresserad av frågan om varför vi borde oroa oss så mycket om något som knappast interagerar med vanliga frågor.

Det enda faktum att vi kan upptäcka dessa efemiska partiklar är ett testament till mänsklig uppfinningsrikedom. Eftersom kvantmekanikens regler är probabilistiska vet vi att trots att nästan alla neutrinor passerar genom jorden, kommer vissa av dem att interagera med det. En detektor med stor storlek kan registrera den.

Den första sådana enheten byggdes på sextiotalet djupt i en gruva i South Dakota. Gruvan fylldes med 400 tusen liter rengöringsvätska. I genomsnitt interagerar en partikel neutrinos med kloratomen varje dag och omvandlar den till argon. Otroligt kom Raymond Davis, som ansvarar för detektorn, ett sätt att upptäcka dessa flera argonatomer, och fyra decennier senare år 2002, för denna fantastiska tekniska prestation, tilldelades han Nobelpriset.

Ny astronomi

Eftersom neutrinos interagerar så svagt kan de resa långt borta. De ger oss möjlighet att se på platser som annars vi aldrig skulle ha sett. Neutrinos, upptäckta av Davis, bildades som ett resultat av kärnreaktioner som ägde rum i Solens centrum och kunde lämna denna otroligt täta och heta plats bara för att de knappt interagerar med andra frågor. Man kan även upptäcka en neutrino som flyger från mitten av en exploderande stjärna på ett avstånd av mer än hundra tusen ljusår från jorden.

Dessutom gör dessa partiklar det möjligt att observera universum i mycket små vågar, mycket mindre än de där Large Hadron Collider i Genève kan se, som upptäckte Higgs bosonen. Det är av denna anledning som Nobelkommittén beslutade att tilldela Nobelpriset för upptäckten av en annan typ av neutrino.

Mystisk brist

När Ray Davis observerade sol neutriner fann han bara en tredjedel av det förväntade antalet neutrinos. De flesta fysiker trodde att orsaken till detta är en dålig kunskap om solens astrofysik: kanske har modellerna av solens tarmar omvärderat antalet neutrinos som produceras i den. Men trots att solmodellerna förbättrats fortsatte underskottet under många år. Fysiker uppmärksammade en annan möjlighet: problemet kan relateras till våra idéer om dessa partiklar. I enlighet med den dåvarande rådande teorin hade de inte en massa. Men vissa fysiker hävdade att partiklarna faktiskt hade en oändlig massa, och denna massa var orsaken till deras brist.

Trefasad partikel

Enligt teorin om neutrino-oscillationer finns det tre olika typer av neutrinos i naturen. Om en partikel har en massa, då den rör sig, kan den gå från en typ till en annan. Tre typer - elektron, muon och tau - kan interagera med materia i en motsvarande laddad partikel (elektron, muon eller tau lepton). "Oscillation" beror på kvantmekanik. Typen av neutrino är inte konstant. Det ändras över tiden. Neutrino, som började sin existens som en elektronisk, kan bli en muon och sedan tillbaka. Således kan en partikel bildad i solens kärna, på vägen till jorden, periodiskt bli en muon neutrino och vice versa. Eftersom Davis-detektorn endast kan detektera en elektronnutrino som kan leda till en kärntransmutation av klor till argon, verkade det möjligt att de saknade neutrinerna förvandlades till andra typer. (Som det visade sig, svänger neutrinos inuti solen och inte på vägen till jorden).

Kanadensiskt experiment

Det enda sättet att verifiera detta var att skapa en detektor som fungerade för alla tre typer av neutrinor. Sedan 90-talet ledde Arthur MacDonald från Royal University of Ontario teamet som utförde denna operation i gruvan i Sudbury, Ontario. Installationen innehöll massor av tungt vatten från Kanadas regering. Tungt vatten är en sällsynt men naturligt förekommande form av vatten där väte innehållande en proton ersätts av dess tyngre isotop deuterium, som innehåller en proton och en neutron. Den kanadensiska regeringen har lagrat tungt vatten, eftersom det används som kylvätska i kärnreaktorer. Alla tre typer av neutrinos kan förstöra deuterium med bildandet av en proton och neutron, och neutroner räknades därefter. Detektorn registrerade ungefär tre gånger antalet partiklar jämfört med Davis - exakt den mängd som förutses av Suns bästa modeller. Detta gjorde det möjligt för oss att anta att elektronnutrino kan oscillera till andra typer.

Det japanska experimentet

Ungefär samma gång utförde Takaaki Kajita från Tokyo University ett annat anmärkningsvärt experiment. En detektor installerad i en gruva i Japan registrerade neutrinor som inte kommer från djupet av solen, men från de övre lagren i atmosfären. Vid kollision av protoner av kosmiska strålar med atmosfären bildar duschar av andra partiklar, inklusive muon neutrinos. I gruvan vred de vätskekärnan till muoner. Detektorn av Kajita kan observera partiklar som kommer i två riktningar. Några föll uppifrån, som kom från atmosfären, medan andra flyttade från nedan. Antalet partiklar var annorlunda, vilket indikerade en annan natur - de var på olika punkter i deras oscillationscykler.

Coup i Science

Det är allt exotiskt och fantastiskt, men varför lockar oscillationer och neutrino massor så mycket uppmärksamhet åt sig själva? Anledningen är enkel. I standardmodellen för elementär partikelfysik, som utvecklats under de senaste femtio åren av det tjugonde århundradet, som korrekt beskrev alla andra observationer i acceleratorer och andra experiment, var neutrinos månglösa. Upptäckten av neutrino massa indikerar att något saknas. Standardmodellen är inte komplett. Saknade element har ännu inte upptäckts - med hjälp av Large Hadron Collider eller annan maskin som ännu inte skapats.