Delec nevtrina: definicija, lastnosti, opis. Oscilacije nevtrinov so ...

Nevtrino je osnovni delec, ki je zelo podoben elektronu, vendar nima električnega naboja. Ima zelo majhno maso, ki je lahko celo ničla. Hitrost nevtrina je odvisna tudi od mase. Razlika v času prihoda delcev in svetlobe je 0,0006% (± 0,0012%). Leta 2011 je bilo med poskusom OPERA ugotovljeno, da je hitrost neutrina hitrejša od svetlobe, vendar neodvisne izkušnje tega niso potrdile.

Neuspešna delecija

To je eden najpogostejših delcev v vesolju. Ker zelo malo vpliva na snovi, je zelo težko zaznati. Elektroni in nevtrini ne sodelujejo v močnih jedrskih interakcijah, ampak enako sodelujejo v šibkih. Delci, ki imajo take lastnosti, se imenujejo leptoni. Poleg elektronov (pozitrona in antidelec), iz napolnjenega leptoni Muon (200 elektronov mase), tau (3500 electron mase), in njihove antidelec. Imenujejo se tako: elektron, muon in tau neutrino. Vsak od njih ima antimaterialno komponento, imenovano antineutrinos.

Muon in tau, kot elektron, imajo delce, ki jih spremljajo. To je muon in tau nevtrino. Tri vrste delcev se med seboj razlikujejo. Na primer, ko muon nevtrinos komunicira s tarčo, vedno proizvajajo muone in nikoli tau ali elektroni. V interakciji delcev, čeprav se lahko ustvarijo in uničijo elektroni in elektroni-nevrini, njihova vsota ostane nespremenjena. To dejstvo pripelje do ločitve leptonov v tri vrste, od katerih ima vsaka napolnjen lepton in spremljajoči nevtrin.

Za odkrivanje tega delca so potrebni zelo veliki in izredno občutljivi detektorji. Značilno je, da bodo nizkoenergijski nevtrinji potovali že več svetlobnih let, preden se bodo spopadli s snovjo. Zato se z vsemi prizemnimi eksperimenti z njimi zanašajo na merjenje njihove majhne frakcije, ki interagira s snemalniki primerne velikosti. Na primer, v observatoriju Sudbury neutrino, ki vsebuje 1000 ton težke vode, skozi detektor prehaja približno 1012 sončnih nevtrinov na sekundo. In najdenih je le 30 na dan.

Zgodovina odkritja

Wolfgang Pauli je prvi zagovarjal obstoj delca leta 1930. V tem času se je pojavil problem, ker se je zdelo, da energija in kotni moment nista obstajala v beta propadu. Ampak Pauli je opozoril, da če se oddaja neinteraktivno nevtralno delce nevtrina, se bo spoštoval zakon o ohranjanju energije. Italijanski fizik Enrico Fermi je leta 1934 razvil teorijo beta propadanja in delcu dobil ime.

Kljub vsem napovedim, za 20 let neutrino ni bilo mogoče odkriti eksperimentalno zaradi svoje šibka interakcija s snovjo. Ker delci niso električno napolnjeni, elektromagnetne sile na njih ne delujejo in zato ne povzročajo ionizacije snovi. Poleg tega reagirajo s snovjo le s šibkim interakcijam zanemarljive sile. Zato so najbolj prodorni subatomski delci, ki lahko prehajajo skozi ogromno število atomov, ne da bi povzročili kakršnekoli reakcije. Samo 1 od 10 milijard teh delcev, ki potujejo skozi materijo na razdalji, enako premeru Zemlje, reagira s protonom ali nevtronom.

Nazadnje, leta 1956 je skupina ameriških fizikov, ki jo vodi Frederick Reines, poročala odkritje elektron-antineutrina. V svojih poskusih so antineutrini, ki jih oddaja jedrski reaktor, interagirali s protoni, ki so oblikovali nevtrone in pozitrone. Edinstveni (in redki) energetski podpisi teh stranskih produktov so postali dokaz o obstoju delca.

Odkritje zaračunanih mulonskih leptonov je bilo izhodišče za naknadno identifikacijo druge vrste nevtrino-muona. Njihova identifikacija je bila izvedena leta 1962 na podlagi rezultatov poskusa v pospeševalniku delcev. High-energy muons upadanja nevtrini, ki jih oblikuje pi-mezonov in usmerjeni na detektor, tako da je bilo mogoče preučiti njihovo reakcijo s snovjo. Kljub temu, da so non-reaktivni, kakor tudi druge vrste delcev, je bilo ugotovljeno, da v redkih primerih, ko se odzivajo s protoni in nevtroni, muons, nevtrini muons, vendar nikoli elektronov. Leta 1998 so ameriški fiziki Leon Lederman, Melvin Schwartz in Jack Steinberger iz fizike prejel Nobelovo nagrado za identifikacijo Muon-nevtrinov.

Sredi sedemdesetih let je fiziko nevtrina dopolnjevala še druga vrsta napolnjenih leptonov - tau. Tau nevtrinos in tau antineutrinos sta bila vezana na ta tretji napolnjeni lepton. Leta 2000 so fiziki v National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi je poročal o prvih eksperimentalnih dokazih o obstoju tega tipa delcev.

Teža

Vse vrste nevtrinov imajo mase, ki so veliko manjše od mase njihovih zaračunanih partnerjev. Na primer, poskusi kažejo, da mora biti manj kot 0,002% od elektronov mase in vsoto mas treh sort mora biti manj kot 0,48 eV masa elektronov-nevtrino. Že vrsto let se je zdelo, da je bila masa delcev enaka nič, čeprav ni bilo prepričljivih teoretičnih dokazov, zakaj bi to moralo biti tako. Takrat, leta 2002, je bil observatorij Sudbury Neutrino dobimo prvi neposreden dokaz, da ga jedrskih reakcij elektronov nevtrini oddaja v jedru sonca, dokler se skozi njo, spremeni svojo vrsto. Takšne "oscilacije" nevtrinov so možne, če ima ena ali več vrst delcev določeno majhno maso. Njihove študije medsebojnega vpliva kozmičnih žarkov v zemeljski atmosferi kaže tudi prisotnost mase, vendar so potrebne nadaljnje poskuse, da se bolj natančno opredeliti.

Viri informacij

Naravni viri nevtrinov - radioaktivni razpad elementov v zemlji, ki je oddan v velikem pretoku nizkoenergijske elektronsko-antineutrino. Supernove so tudi prednostno neutrino pojav, saj lahko ti delci prodrejo le hyperdense materiala tvorjen v razpadajoče zvezde- le majhen del energije pretvori v svetlobo. Izračuni kažejo, da je okoli 2% energije Sunca energija nevtrina, proizvedena v reakcije termonuklearnih sinteza. Verjetno je, da je večina temne snovi vesolja sestavljena iz nevritinov, ki so nastali med Big Bangom.

Težave v fiziki

Območja, povezana z nevtrinami in astrofiziki, so raznolika in se hitro razvijajo. Sedanja vprašanja, ki vključujejo veliko število eksperimentalnih in teoretičnih prizadevanj, so naslednja:

• Kakšne so mase različnih nevtrinov?
• Kako vplivajo na kozmologijo Big Banga?
• Ali nihajo?
• Ali se lahko nevtrinji ene vrste spremenijo v drugo, dokler potujejo skozi materijo in vesolje?
• Ali so nevtrinos bistveno drugačni od njihovih antipartiklov?
• Kako zlomijo zvezde in tvorijo supernove?
• Kakšna je vloga nevtrinov v kozmologiji?

Ena od dolgotrajnih problemov, ki so še posebej zanimivi, je tako imenovana problematika sončnih nevtrin. To ime se nanaša na dejstvo, da je bilo v več tlehnih poskusih, izvedenih v zadnjih 30 letih, manj delcev stalno opaziti, kot je potrebno za proizvodnjo energije, ki jo sevajo sonci. Ena od možnih rešitev je nihanje, to je pretvorba elektronskih nevtrin v munov ali tau med potovanjem na Zemljo. Ker je precej težje meriti nizkoenergetske muonske ali tau-nevtrinose, bi ta vrsta transformacije lahko pojasnila, zakaj ne opazujemo pravilnega števila delcev na Zemlji.

Četrta Nobelova nagrada

Nobelova nagrada za fiziko za leto 2015 je bila podeljena Takaaki Kadzite in Arthur MacDonald za odkrivanje mase nevtrin. To je bila četrta taka nagrada, povezana z eksperimentalnimi meritvami teh delcev. Nekdo se morda zanima za vprašanje, zakaj bi morali toliko skrbeti za nekaj, kar komaj komunicira z navadnimi zadevami.

Samo dejstvo, da lahko zaznamo te ephemeralne delce, je dokaz človeške iznajdljivosti. Ker so pravila kvantne mehanike verjetnostna, vemo, da kljub dejstvu, da skoraj vsi nevtrini prehajajo skozi Zemljo, bodo nekateri med njimi sodelovali. Registrira ga lahko dovolj velik detektor.

Prva taka naprava je bila zgrajena v šestdesetih letih globoko v rudniku v Južni Dakoti. Rudnik je bil napolnjen s 400 tisoč litri čistilne tekočine. V povprečju delec nevtrina vsak dan interagira s klorovim atomom in pretvori v argon. Neverjetno, Raymond Davis, ki je bil odgovoren za detektor, izumil metodo za odkrivanje več atomov argon, in štiri desetletja pozneje, leta 2002, za to neverjetno inženiring feat je prejel Nobelovo nagrado.

Nova astronomija

Ker nevtrinji delujejo tako šibko, lahko potujejo na veliko razdaljo. Dajo nam priložnost, da preučimo kraje, ki jih sicer ne bi nikoli videli. Nevtrini odkriti Davis, nastalo kot posledica jedrskih reakcij, ki so potekale v središču sonca, in so bili sposobni, da zapustijo to neverjetno gosto in vroče sedež samo zato, ker ne komunicira z drugo zadevo. Lahko celo odkriti nevtrini uhajajo iz centra eksplozijsko zvezde na razdalji več kot sto tisoč svetlobnih let od Zemlje.

Poleg tega ti delci nam omogočajo opazovanje vesolja na zelo majhnih lestvicah, ki so veliko manjše od tistih, ki jih vidi Large Hadron Collider v Ženevi, Higgs boson. Zato se je Nobelov odbor odločil podeliti Nobelovo nagrado za odkritje druge vrste nevtrina.

Skrivnostni pomanjkanje

Ko je Ray Davis opazoval sončne nevtrinje, je našel le tretjino pričakovanega števila nevtrinov. Večina fizikov je verjela, da je razlog za to slabo poznavanje sončne astrofizike: morda so modeli črevesja sonca ponovno ocenili število proizvedenih nevtrin v njem. Kljub temu se že vrsto let, tudi po izboljšanju sončnih modelov, še naprej ohranja primanjkljaj. Fiziki so opozorili na drugo možnost: problem bi lahko bil povezan z našimi zamislimi o teh delcih. V skladu s tedaj prevladujočo teorijo niso imeli mase. Toda nekateri fiziki so trdili, da so delci imeli neskončno manjšo maso in ta masa je bila razlog za njihovo pomanjkanje.

Troslojni delec

Glede na teorijo nevtrinskih nihanj v naravi obstajajo trije tipi nevtrin. Če ima delec maso, potem ko se premika, gre lahko iz ene vrste v drugo. Trije tipi - elektronski, muna in tau - lahko delujejo s snovjo v ustrezen nabojni delec (elektron, muna ali tau lepton). "Oscilacija" je posledica kvantne mehanike. Vrsta nevtrina ni konstantna. Sčasoma se spreminja. Nevtrino, ki se je začela kot elektronski, se lahko pretvori v muro in nato nazaj. Torej delec, ki se tvori v sončnem jedru na poti do Zemlje, se lahko periodično spremeni v muon nevtrino in obratno. Ker detektor Davis lahko zazna le elektron-nevtrino, ki bi lahko vodil v jedrsko pretvorbo klora v argon, se je zdelo možno, da se manjkajoči nevtrinci pretvorijo v druge vrste. (Kot se je izkazalo, nevtrinos oscilira znotraj Sonca in ne na poti do Zemlje).

Kanadski eksperiment

Edini način, kako to preveriti, je bil ustvariti detektor, ki je delal za vse tri vrste nevtrin. Od 90. Arthur McDonald Univerze Queen v Ontariu, je vodil ekipo, ki se izvaja v rudniku v Sudbury, Ontario. Instalacija je vsebovala tone težke vode, ki jo je zagotovila vlada Kanade. Težka voda redka, vendar naravni oblika vode, kjer je vodik, ki vsebuje en proton zamenja z težjega izotopa devterija, ki obsega proton in nevtron. Kanadska vlada je shranila težko vodo, saj se uporablja kot hladilno sredstvo v jedrskih reaktorjih. Vse tri vrste nevtrinov lahko uniči devterij, da tvorijo protone in nevtrone, nevtronov in nato prešteti. Detektor je zabeležil približno trikrat večje število delcev v primerjavi z Davisom - natančno količino, ki so jo predvideli najboljši modeli Sonca. To nam je omogočilo domnevati, da lahko elektron-nevtrin oscilira na druge vrste.

Japonski eksperiment

Tokrat je Takaaki Kajita z univerze v Tokiu izvedel še en izjemen poskus. Detektor, nameščen v rudniku na Japonskem, je zabeležil nevtrinoze, ki ne prihajajo iz globin sonca, temveč iz zgornjih plasti atmosfere. Pri trku protonov kozmičnih žarkov z atmosfero oblikujeta pršice drugih delcev, vključno z muonskimi nevrini. V rudniku so jedro vodika spremenili v muone. Detektor Kajita je opazoval delce, ki prihajajo v dveh smereh. Nekateri so padli od zgoraj, prišli iz vzdušja, drugi pa se od spodaj premaknili. Število delcev je bilo drugačno, kar je pokazalo drugačno naravo - bile so na različnih točkah njihovih nihajnih ciklov.

Udar v znanosti

Vse je eksotično in neverjetno, toda zakaj oscilacije in nevtrinske množice pritegnejo toliko pozornosti sebi? Razlog je preprost. V standardnem modelu fizike osnovnih delcev, je razvil v zadnjih petdesetih letih dvajsetega stoletja, ki je pravilno opisuje vse druge pripombe v pospeševalnikih in drugih eksperimentov s, bi bilo brezmasne so nevtrini. Odkrivanje nevtrinske mase kaže, da nekaj manjka. Standardni model ni popoln. Manjkajoči elementi še niso bili odkriti - s pomočjo Large Hadron Collider ali drugega računalnika še ni ustvarjen.