Neutrino dalelė: apibrėžimas, savybės, aprašymas. Netirpių svyravimai yra ...

Neutrino yra elementarioji dalelė, kuri yra labai panaši į elektroną, bet neturi elektros krūvio. Ji turi labai mažą masę, kuri netgi gali būti lygi nuliui. Neutrino greitis taip pat priklauso nuo masės. Dalies ir šviesos atvykimo laikas skiriasi 0,0006% (± 0,0012%). 2011 m. OPERA eksperimento metu buvo nustatyta, kad neutrinų greitis yra greitesnis už šviesą, tačiau nepriklausoma patirtis to neįrodė.

Išskirtinė dalelė

Tai yra viena iš labiausiai paplitusių dalelių visatoje. Kadangi jis labai mažai sąveikauja su medžiaga, tai yra neįtikėtinai sunku aptikti. Elektronai ir neutrinai nedalyvauja stiprioje branduolinėje sąveikoje, tačiau vienodai dalyvauja ir silpnose. Dalelės, turinčios tokias savybes, vadinamos leptonais. Be elektronų (ir jo antiparticle, positronas), įkraunami leptonai apima mioną (200 elektronų masę), tau (3500 elektronų masę) ir jų antivirusines daleles. Jie vadinami taip: elektronais, miuonais ir tau neutrinomis. Kiekvienas iš jų turi antimaterialinį komponentą, vadinamą antiineutrino.

Miuonas ir tau, kaip elektronas, turi daleles, lydinčias jas. Tai miuonas ir tau neutrinas. Trys dalelių tipai skiriasi viena nuo kitos. Pavyzdžiui, kai miauonų neutrinai sąveikauja su taikiniu, jie visada gamina miuonus ir niekada tau ar elektronus. Dalelių sąveikoje, nors elektronus ir elektroninius neutrinus galima sukurti ir sunaikinti, jų suma išlieka nepakitusi. Šis faktas leidžia leptonus atskirti į tris tipus, kurių kiekvienas turi užpildytą leptoną ir pridedamą neutriną.

Norint nustatyti šią dalelę, reikia labai didelių ir labai jautrių jutiklių. Paprastai mažos energijos neutridai keliaus daugelį šviesmečių, kol jie sąveikauja su medžiaga. Todėl visi antžeminiai eksperimentai su jais priklauso nuo mažos frakcijos matavimo, sąveikaujančio su priimtino dydžio įrašymo įrenginiais. Pavyzdžiui, Sudbury neutrinų observatorijoje, kurioje yra 1000 tonų sunkiojo vandens, per jutiklį praeina apie 1012 saulės neutrinus per sekundę. Ir tik 30 per dieną yra rasta.

Istorija atradimo

Wolfgangas Pauli pirmasis teigė, kad dalelė egzistuoja 1930 m. Tuo metu kilo problema, nes atrodė, kad energijos ir kampinis momentas nesikeičia beta pasklidimo. Tačiau Paulius pažymėjo, kad, jei išmetamas neutronines daleles, kurios nesikeičia, tai bus laikomasi energijos išsaugojimo . 1934 m. Italų fizikas Enrico Fermi sukūrė teoriją apie beta lūžių ir suteikė dalelę savo pavadinimą.

Nepaisant visų prognozių, 20 metų neutrinų negalėjo būti aptikta eksperimentiškai dėl jo silpnos sąveikos su medžiaga. Kadangi dalelės nėra elektrinės įkrovos, elektromagnetinės jėgos joms neveikia ir dėl to jos nesukelia medžiagos jonizacijos. Be to, jie reaguoja su medžiaga tik per silpną nedidelės jėgos sąveiką. Todėl jie yra labiausiai prasiskverbiančios subatominės dalelės, kurios gali nesukelti jokios reakcijos per daugybę atomų. Tik 1 iš 10 milijardų šių dalelių, važiuojančių per medžiagą per atstumą, lygų Žemės skersmeniui, reaguoja su protonu ar neutronu.

Galiausiai 1956 m. Grupė Amerikos fizikų, vadovaujama Frederiko Raineso, pranešė apie elektroninių antineutrinų atradimą. Savo eksperimentuose branduolinio reaktoriaus skleidžiami antiineutrinai sąveikauja su protonais, susidarantys neutronai ir positronai. Šių šalutinių produktų unikalūs (ir retai) energijos parašai tapo dalelių buvimo įrodymu.

Sukurto mioono leptonų atradimas tapo pradiniu antrojo neutrino-miuono tipo identifikavimo tašku. Jų identifikavimas buvo atliktas 1962 metais, remiantis eksperimento rezultatais dalelių greitintuvo. Aukštos energijos miuonų neutrinai susidarė pionų skilimo metu ir buvo nukreipti į detektorių taip, kad būtų galima ištirti jų reakcijas su medžiaga. Nors jie nėra reaktyvūs, kaip ir kitų tipų šių dalelių, buvo nustatyta, kad tais retais atvejais, kai jie reaguoja su protonais ar neutronais, miuonų neutrinai sudaro miuonus, bet ne elektronus. 1998 m. Amerikiečių fizikai Leonas Ledermanis, Melvinas Schwarzas ir Džaksas Steinbergeris gavo Nobelio premijos laureatą fizikoje, skirtą miauonų neutrinoms identifikuoti.

1970-ųjų viduryje neutrino fizika buvo papildyta kitokiu apmokestintu leptonu tipu - tau. Nustatyta, kad Tau neutrinai ir tau antiineutrinos yra susiję su šiuo trečiuoju įkraunamu leptonu. 2000 m. Fizikai Nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje. Enrico Fermi pranešė apie pirmuosius eksperimentinius šio tipo dalelių egzistavimo įrodymus.

Svoris

Visų tipų neutrinai turi daug mažesnę masę nei jų užpildyti partneriai. Pavyzdžiui, eksperimentai rodo, kad elektronų-neutrinų masė turėtų būti mažesnė nei 0,002% elektronų masės, o trijų rūšių masių suma turi būti mažesnė kaip 0,48 eV. Daugelį metų atrodė, kad dalelės masė buvo nulinė, nors nebuvo jokių įtikinamų teorinių įrodymų, kodėl taip turėtų būti. Tada, 2002 m., Sudbury Neutrino observatorijoje buvo gauti pirmieji tiesioginiai įrodymai, kad neutronas elektronu, kurį sukelia branduolinės reakcijos Saulės branduolyje, kai jie praeina per jį, pakeičia jų tipą. Tokie "neutronų" svyravimai yra įmanomi, jei vienai ar kelioms dalelių rūšims yra tam tikra maža masė. Jų tyrimai dėl kosminių spindulių sąveikos Žemės atmosferoje taip pat rodo masės buvimą, tačiau reikia tolesnių eksperimentų, kad būtų galima tiksliau jį nustatyti.

Šaltiniai

Natūralūs neutrinų šaltiniai - tai elementų, esančių Žemės žarnyne, radioaktyvusis išsiskyrimas, po kurio išsiskiria didelis srautas mažai energijos elektronų-antineutrino. Supernovos taip pat yra daugiausia neutrinų reiškinys, nes tik šios dalelės gali įsiskverbti į pernelyg didelę medžiagą, susidariusią žlugdančioje žvaigždėje; Tik nedidelė energijos dalis paverčiama šviesa. Skaičiavimai rodo, kad apie 2% Saulės energijos yra neutrinų energija, susidariusi termodulkių sintezės reakcijose . Tikėtina, kad didžiąją tamsiosios visatos materiją sudaro neutrinai, susidarę per Didįjį sprogimą.

Fizikos problemos

Teritorijos, susijusios su neutrinomis ir astrofizika, yra įvairios ir sparčiai vystosi. Dabartiniai klausimai, susiję su daugeliu eksperimentinių ir teorinių pastangų, yra šie:

• Kokios yra skirtingų neutrinų masės?
• Kaip jie daro įtaką didžiojo sprogimo kosmologijai?
• Ar jie svyruoja?
• Ar vieno tipo neutrinai gali pasisukti į kitą tol, kol jie keliauja per materiją ir erdvę?
• Ar neutrinai iš esmės skiriasi nuo jų dalelių?
• Kaip žvaigždės suskaidomos ir formos supernovos?
• Koks yra neutrinų vaidmuo kosmologijoje?

Viena iš ilgalaikių ypač svarbių problemų yra vadinamoji saulės neutrinų problema. Šis pavadinimas reiškia, kad per kelis pastaruosius 30 metų atliktus eksperimentus buvo nuolat stebima mažiau dalelių, nei būtina saulės spinduliuojamos energijos gamybai. Vienas iš galimų sprendimų yra svyravimai, t. Y. Elektroninių neutrinų konvertavimas į mojuosius ar tau keliaujant į Žemę. Kadangi mažai energijos miuono ar tau-neutrinų yra daug sunkiau, tokia transformacija gali paaiškinti, kodėl mes nežiūrime į teisingą dalelių kiekį Žemėje.

Ketvirtoji Nobelio premija

2015 m. Nobelio premija už fiziką buvo skirta Takaakui Kadzitui ir Arthui MacDonaldui už neutriino masės atradimą. Tai buvo ketvirtasis apdovanojimas, susijęs su eksperimentiniais šių dalelių matavimais. Kažkas gali būti suinteresuotas klausimu, kodėl mes turėtume labai nerimauti dėl to, kas beveik nesusiję su įprasta tema.

Vien tai, kad galime aptikti šias efemerines daleles, yra žmogaus išradingumo testas. Kadangi kvantinės mechanikos taisyklės yra tikimybinės, žinome, kad nepaisant to, kad beveik visi neutrinai praeina pro Žemę, kai kurie iš jų sąveikauja su juo. Didelio dydžio jutiklis gali jį užregistruoti.

Pirmasis toks prietaisas buvo pastatytas šešiasdešimties gylyje, minioje Pietų Dakotoje. Kasykloje buvo pripildyta 400 tūkst. Litrų valymo skysčio. Vidutiniškai viena neutrinų dalelė kiekvieną dieną sąveikauja su chloro atomu, konvertuodama ją į argoną. Neįtikėtina, už detektorių atsakingas Raymondas Davisas atrado būdą aptikti šiuos kelis argono atomus, o po keturių dešimtmečių vėliau 2002 m. Dėl šio nuostabaus techninio feat jis buvo apdovanotas Nobelio premija.

Nauja astronomija

Kadangi neutrinai sąveikauja taip silpnai, jie gali keliauti dideliu atstumu. Jie suteikia galimybę pažvelgti į vietas, kurios kitaip nebūtų matomos. Davisas atrasta neutrino atsirado dėl branduolinių reakcijų, įvykusių pačioje Saulės centre, ir galėjo palikti šią neįtikėtinai tankią ir karštąją vietą tik todėl, kad jos beveik nesikeičia su kitu dalyku. Galima net aptikti neutriną, skrendantį iš sprogstos žvaigždės centro daugiau nei šimto tūkstančių šviesmečių atstumu nuo Žemės.

Be to, šios dalelės leidžia stebėti Visatą savo labai mažose skalėse, daug mažesnėse nei tos, kuriose galima pamatyti Didžiojo Hadrono Collider Ženevoje, kuri atrado Higso bosoną. Būtent dėl šios priežasties Nobelio komitetas nusprendė skirti Nobelio premiją už kito tipo neutrino atradimą.

Paslaptingas trūksta

Kai Ray Davisas stebėjo saulės neutrinus, jis rasta tik trečdalį tikėtino neutrinų skaičiaus. Dauguma fizikų manė, kad tai yra blogai žinoma apie saulės astrofiziką: galbūt saulės židinių modeliai iš naujo įvertino joje pagamintų neutrinų skaičių. Nepaisant to, daugelį metų, netgi pagerinus saulės modelius, deficitas išliko. Fizikai atkreipė dėmesį į dar vieną galimybę: problema gali būti susijusi su mūsų mintimis apie šias daleles. Pagal tuomet vyraujančią teoriją jie neturėjo masės. Tačiau kai kurie fizikai tvirtino, kad iš tiesų dalelės turėjo begalinę masę, o ši masė buvo jų trūkumo priežastis.

Trijų veidų dalelė

Pagal neutrinų svyravimų teoriją gamtoje yra trys skirtingi neutrinų tipai. Jei dalelė turi masę, tada, kai ji juda, ji gali pereiti iš vieno tipo į kitą. Trys tipai - elektronas, miuonas ir tau - gali sąveikauti su medžiaga į atitinkamą įkrautą dalelę (elektroną, miuoną ar tau leptoną). "Vibracija" yra dėl kvantinės mechanikos. Neutrino tipas nėra pastovus. Jis keičiasi laikui bėgant. Neutrino, kuris pradėjo savo egzistavimą kaip elektroninis, gali virsti miuonu, o tada atgal. Taigi, dalelė, suformuota Saulės šerdyje, kelyje į Žemę, gali periodiškai paversti miuone neutriną ir atvirkščiai. Kadangi Deiviso detektorius galėjo aptikti tik elektroną-neutriną, galintį sukelti chloro branduolį į argoną, atrodė įmanoma, kad trūkstami neutrinos pavertė kitais tipais. (Kaip paaiškėjo, neutrinai virsta Saulės viduje, o ne keliu į Žemę).

Kanados eksperimentas

Vienintelis būdas tai patikrinti buvo sukurti detektorių, kuris dirbo visuose trijuose neutrinų tipuose. Nuo 90-ųjų metų Ontarijo Karališkojo universiteto Arthuras MacDonaldas vadovavo komandai, kuri ją atliko "Sudbury", Ontario. Įrenginyje buvo Kanados vyriausybės pateiktos tonos sunkiojo vandens. Sunkusis vanduo yra reta, bet natūraliai pasitaikanti vandens forma, kurioje vandenilį su vienu protonu pakeičia sunkesnis izotopo deuteriumas, kuriame yra protonas ir neutronas. Kanados vyriausybė saugojo sunkųjį vandenį, nes ji naudojama kaip branduolinių reaktorių aušinimo skystis. Visi trys neutrinų tipai gali sunaikinti deuteriją, susidarant protonui ir neutronui, ir tada skaičiuojami neutronai. Detektorius užregistruotų apie tris kartus dalelių, palyginti su Davisu, kiekį, tiksliai tą kiekį, kurį numatė geriausi Saulės modeliai. Tai leido mums manyti, kad elektronas-neutrinas gali virsti kitais tipais.

Japonijos eksperimentas

Maždaug tuo pačiu metu Takaaki Kajita iš Tokijo universiteto atliko dar vieną nepaprastą eksperimentą. Japonijoje minioje esantis detektorius užregistravo neutrinus, kurie nėra iš saulės gelmių, bet iš viršutinių atmosferos sluoksnių. Kilus kosminių spindulių protonų susidūrimui su atmosfera, susidaro kitų dalelių, įskaitant miuonų neutrinus, dušai. Minei jie pavertė vandenilio branduolį miuonais. Kajita detektorius gali stebėti daleles, atsirandančias dviem kryptimis. Kai kurie nukrito iš viršaus, atėjo iš atmosferos, o kiti judėjo iš apačios. Dalelių skaičius buvo skirtingas, o tai parodė kitokį pobūdį - jie buvo skirtingose savo svyravimo ciklų vietose.

Mokslo perversmas

Visa tai egzotiška ir nuostabi, bet kodėl svyravimai ir neutrinų masės pritraukia tiek daug dėmesio sau? Priežastis paprasta. Standartiniame elementariosios dalelės fizikos modelyje, kuris buvo sukurtas per pastaruosius penkiasdešimt dvidešimtojo amžiaus, kuris teisingai apibūdino visas kitas pasekmes greitintuvuose ir kituose eksperimentuose, neutrinai turėjo būti be masyvo. Neutrino masės atradimas rodo, kad kažko trūksta. Standartinis modelis nėra baigtas. Trūkstamų elementų dar reikia atrasti - Didžiojo Hadrono Collider'io ar kitos, dar nesukurtos mašinos pagalba.