Часціца нейтрына: вызначэнне, ўласцівасці, апісанне. Асцыляцыі нейтрына - гэта ...

Нейтрына - гэта элементарная часціца, якая вельмі падобная на электрон, але не мае электрычнага зараду. Яна валодае вельмі малой масай, якая можа быць нават нулявы. Ад масы залежыць і хуткасць нейтрына. Адрозненне ў часе прыбыцця часціцы і святла складае 0,0006% (± 0,0012%). У 2011 г. у ходзе эксперыменту OPERA было ўстаноўлена, што хуткасць нейтрына хуткасць святла перавышае, але незалежны вопыт гэтага не пацвердзіў.

няўлоўная часціца

Гэта адна з найбольш распаўсюджаных часціц у Сусвеце. Бо яна вельмі мала ўзаемадзейнічае з рэчывам, яе неверагодна цяжка выявіць. Электроны і нейтрына не ўдзельнічаюць у моцных ядзерных узаемадзеяннях, але і ў роўнай ступені прымаюць удзел у слабых. Часціцы, якія валодаюць такімі ўласцівасцямі, называюцца лептонов. У дадатак да электронных (і яго антычасцінка пазітронна), да зараджаным лептонов адносяць мюон (200 мас электрона), таў (3500 мас электрона) і іх антычасцінка. Іх так і называюць: электрон-, мюон- і таў-нейтрына. У кожнага з іх ёсць антиматериальная складнік, званая антинейтрино.

Мюон і таў, падобна электронных, маюць спадарожныя ім часціцы. Гэта мюон- і таў-нейтрына. Тры тыпу часціц адрозніваюцца адзін ад аднаго. Напрыклад, калі Мюоны нейтрына ўзаемадзейнічаюць з мішэнню, яны заўсёды вырабляюць мюоны, і ніколі таў або электроны. Пры ўзаемадзеянні часціц, хоць электроны і электрон-нейтрына могуць стварацца і знішчацца, іх сума застаецца нязменнай. Гэты факт прыводзіць да падзелу лептонов на тры выгляду, кожны з якіх валодае зараджаным лептонов і суправаджаюць яго нейтрына.

Для выяўлення гэтай часціцы неабходныя вельмі вялікія і надзвычай адчувальныя дэтэктары. Як правіла, нейтрына з нізкім узроўнем энергіі будуць падарожнічаць на працягу многіх светлавых гадоў да ўзаемадзеяння з рэчывам. Такім чынам, усе наземныя эксперыменты з імі належаць на вымярэнні іх малой долі, якая ўзаемадзейнічае з рэгістратарамі разумных памераў. Напрыклад, у нейтрыннай абсерваторыі ў Садбери, якая змяшчае 1000 т цяжкай вады, праз дэтэктар праходзіць каля 1012 сонечных нейтрына у секунду. А выяўляецца толькі 30 у дзень.

Гісторыя адкрыцця

Вольфганг Паўлі першым пастуляваць існаванне часціцы ў 1930 г. У той час паўстала праблема, таму што здавалася, што энергія і кутняй момант не захоўваюцца пры бэта-распадзе. Але Паўлі адзначыў, што калі будзе выпраменьвацца ня ўзаемадзейнічае нейтральная часціца нейтрына, то закон захавання энергіі будзе захаваны. Італьянскі фізік Энрыка Фермі ў 1934 развіў тэорыю бэта-распаду і даў частачцы яе імя.

Нягледзячы на ўсе прадказанні, на працягу 20 гадоў нейтрына не маглі выявіць эксперыментальна з-за яго слабога ўзаемадзеяння з рэчывам. Так як часціцы электрычнаму не зараджаны, на іх не дзейнічаюць электрамагнітныя сілы, і, такім чынам, яны не выклікаюць іянізацыю рэчывы. Акрамя таго, яны ўступаюць у рэакцыю з рэчывам толькі праз слабыя ўзаемадзеяння нязначнай сілы. Таму яны з'яўляюцца найбольш пранікальнымі субатомных часціцамі, здольнымі праходзіць праз велізарны лік атамаў, не выклікаючы ніякай рэакцыі. Толькі 1 на 10 мільярдаў гэтых часціц, падарожнічаючы праз матэрыю на адлегласць, роўнае дыяметру Зямлі, уступае ў рэакцыю з пратонаў або нейтронаў.

Нарэшце, у 1956 годзе гурт амерыканскіх фізікаў на чале з Фрэдэрыкам Райнесом паведаміла аб адкрыцці электрон-антинейтрино. У яе эксперыментах антинейтрино, якія выпраменьваюцца ядзернай рэактарам, ўзаемадзейнічалі з пратонамі, утвараючы нейтроны і пазітронаў. Унікальныя (і рэдкія) энергетычныя сігнатуры гэтых апошніх пабочных прадуктаў сталі доказамі існавання часціцы.

Адкрыццё зараджаных лептонов мюонов стала адпраўной кропкай для наступнай ідэнтыфікацыі другога віду нейтрына - мюонных. Іх ідэнтыфікацыя была праведзена ў 1962 годзе на аснове вынікаў эксперыменту ў паскаральніку часціц. Высокаэнергетычныя Мюоны нейтрына ўтвараліся шляхам распаду пі-мезоннага і накіроўваліся на дэтэктар такім чынам, каб можна было вывучыць іх рэакцыі з рэчывам. Нягледзячы на тое што яны з'яўляюцца нереакционноспособными, як і іншыя тыпы гэтых часціц, было выяўлена, што ў тых рэдкіх выпадках, калі яны рэагавалі з пратонамі або нейтронах, мюон-нейтрына ўтвараюць мюоны, але ніколі электроны. У 1998 г. амерыканскія фізікі Леон Ледерман, Мелвін Шварц і Джэк Штейнбергер атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы за ідэнтыфікацыю мюон-нейтрына.

У сярэдзіне 1970 гадоў фізіка нейтрына папоўнілася яшчэ адным відам зараджаных лептонов - таў. Таў-нейтрына і таў-антинейтрино апынуліся звязанымі з гэтым трэцім зараджаным лептонов. У 2000 годзе фізікі ў Нацыянальнай паскаральнае лабараторыі ім. Энрыка Фермі паведамілі аб першых эксперыментальных доказах існавання гэтага тыпу часціц.

маса

Усе тыпы нейтрына валодаюць масай, якая значна менш, чым у іх зараджаных партнёраў. Напрыклад, эксперыменты паказваюць, што маса электрон-нейтрына павінна быць менш 0,002% масы электрона і што сума мас трох разнавіднасцяў павінна быць менш 0,48 эв. На працягу многіх гадоў здавалася, што маса часціцы роўная нулю, хоць не было ніякіх пераканаўчых тэарэтычных доказаў, чаму гэта павінна быць менавіта так. Затым, у 2002 годзе, у нейтрына абсерваторыі ў Садбери было атрымана першае прамы доказ таго, што электрон-нейтрына, выпусканых ядзернымі рэакцыямі ў ядры Сонца, пакуль яны праходзяць скрозь яго, змяняюць свой тып. Такія «асцыляцыі» нейтрына магчымыя, калі адзін або некалькі відаў часціц валодаюць некаторай малой масай. Іх даследаванні пры ўзаемадзеянні касмічных прамянёў у атмасферы Зямлі таксама сведчаць аб наяўнасці масы, але патрабуюцца далейшыя эксперыменты, каб больш дакладна яе вызначыць.

крыніцы

Натуральныя крыніцы нейтрына - гэта радыеактыўны распад элементаў у нетрах Зямлі, пры якім выпускае вялікі паток нізкаэнергетычных электронаў-антинейтрино. Звышновыя таксама з'яўляюцца пераважна нейтрына з'явай, паколькі толькі гэтыя часціцы могуць пранікаць скрозь звышшчыльны матэрыял, які ўтвараецца ў калапсуючыя зорцы; толькі малая частка энергіі пераўтворыцца ў свет. Разлікі паказваюць, што каля 2% энергіі Сонца - гэта энергія нейтрына, утвораных у рэакцыях тэрмаядзернага сінтэзу. Цалкам верагодна, што большая частка цёмнай матэрыі Сусвету складаецца з нейтрына, якія ўтварыліся падчас Вялікага выбуху.

праблемы фізікі

Вобласці, звязаныя з нейтрына і астрафізікі, разнастайныя і хутка развіваюцца. Бягучыя пытанні, якія прывабліваюць вялікі лік эксперыментальных і тэарэтычных намаганняў, наступныя:

• Якія масы розных нейтрына?
• Як яны ўплываюць на касмалогію Вялікага выбуху?
• Осциллируют яны?
• Ці могуць нейтрына аднаго тыпу ператварацца ў іншы, пакуль яны падарожнічаюць праз матэрыю і прастора?
• Ці з'яўляюцца нейтрына прынцыпова выдатнымі ад сваіх антычасцінка?
• Як зоркі руйнуюцца і ўтвараюць звышновыя?
• Якая роля нейтрына ў касмалогіі?

Адной з даўніх праблем, якая выклікае асаблівую цікавасць, з'яўляецца так званая праблема сонечных нейтрына. Гэтая назва адносіцца да таго, што падчас некалькіх наземных эксперыментаў, якія праводзіліся на працягу апошніх 30 гадоў, пастаянна назіралася менш часціц, чым неабходна для вытворчасці энергіі, выпраменьванай сонцам. Адным з магчымых яе рашэнняў з'яўляецца асцыляцый, т. Е. Пераўтварэнне электронных нейтрына ў Мюоны або таў падчас падарожжа да Зямлі. Бо значна цяжэй вымераць нізкаэнергетычных мюон- або таў-нейтрына, такога роду пераўтварэнне магло б растлумачыць, чаму мы не назіраем правільнага колькасці часціц на Зямлі.

Чацвёртая Нобелеўская прэмія

Нобелеўская прэмія па фізіцы 2015 г. была прысуджана Такааки Кадзите і Артуру Макдональд за выяўленне масы нейтрына. Гэта была чацвёртая падобная ўзнагарода, звязаная з эксперыментальнымі вымярэннямі дадзеных часціц. Каго-то, магчыма, зацікавіць пытанне аб тым, чаму мы павінны так турбавацца пра што-то, што з цяжкасцю ўзаемадзейнічае са звычайнай матэрыяй.

Сам факт таго, што мы можам выявіць гэтыя эфемерныя часціцы, з'яўляецца сведчаннем чалавечай вынаходлівасці. Паколькі правілы квантавай механікі імавернасную, мы ведаем, што, нягледзячы на тое што амаль усе нейтрына праходзяць скрозь Зямлю, некаторыя з іх будуць з ёй ўзаемадзейнічаць. Дэтэктар досыць вялікага памеру здольны гэта зарэгістраваць.

Першае падобнае прылада была пабудавана ў шасцідзесятыя гады глыбока ў шахце ў Паўднёвай Дакоце. Шахта была запоўненая 400 тыс. Л чысціць вадкасці. У сярэднім адна часціца нейтрына кожны дзень ўзаемадзейнічае з атамам хлору, ператвараючы яго ў аргон. Неверагодна, але Райманд Дэвіс, які адказваў за дэтэктар, прыдумаў спосаб выяўлення гэтых некалькіх атамаў аргону, і чатыры дзесяцігоддзі праз у 2002 годзе за гэты дзіўны тэхнічны подзвіг ён быў ганараваны Нобелеўскай прэміі.

Новая астраномія

Паколькі нейтрына так слаба ўзаемадзейнічаюць, яны могуць падарожнічаць на вялікія адлегласці. Яны даюць нам магчымасць зазірнуць у месцы, якія інакш мы б ніколі не ўбачылі. Нейтрына, выяўленыя Дэвісам, ўтвараліся ў выніку ядзерных рэакцый, якія праходзілі ў самым цэнтры Сонца, і змаглі пакінуць гэта неверагодна шчыльнае і гарачае месца толькі таму, што яны амаль не ўзаемадзейнічаюць з другога матэрыяй. Можна нават выявіць нейтрына, якое ляціць з цэнтра, якая выбухнула зоркі на адлегласці больш за сто тысяч светлавых гадоў ад Зямлі.

Акрамя таго, гэтыя часціцы дазваляюць назіраць Сусвет ў яе вельмі малых маштабах, нашмат меншых, чым тыя, у якія можа зазірнуць Вялікі адронны коллайдер ў Жэневе, які выявіў базон Хігса. Менавіта з гэтай прычыны Нобелеўскі камітэт вырашыў прысудзіць Нобелеўскую прэмію за адкрыццё нейтрына яшчэ аднаго тыпу.

загадкавая нястача

Калі Рэй Дэвіс назіраў сонечныя нейтрына, ён выявіў толькі траціна ад чаканага іх колькасці. Большасць фізікаў лічыла, што прычынай гэтага з'яўляецца дрэннае веданне астрафізікі Сонца: магчыма, мадэлі нетраў свяціла пераацэньваць колькасць вырабляюцца ў ім нейтрына. Тым не менш на працягу многіх гадоў, нават пасля таго, як сонечныя мадэлі палепшыліся, дэфіцыт захоўваўся. Фізікі звярнулі ўвагу на іншую магчымасць: праблема магла быць звязаная з нашымі ўяўленнямі пра гэтыя часціцах. У адпаведнасці з пераважаць тады тэорыяй яны масай не валодалі. Але некаторыя фізікі сцвярджалі, што на самой справе часціцы мелі бясконца малую масу, і гэтая маса з'яўлялася прычынай такога недахопу.

трохлікага часціца

Паводле тэорыі асцыляцыі нейтрына, у прыродзе існуе тры іх розных тыпу. Калі часціца валодае масай, то па меры руху яна можа пераходзіць з аднаго тыпу ў іншы. Тры віды - электронны, Мюоны і таў - пры ўзаемадзеянні з рэчывам могуць ператварацца ў адпаведную зараджаную часціцу (электрон, мюон або таў-лептон). «Асцыляцый» адбываецца дзякуючы квантавай механіцы. Тып нейтрына ня сталы. Ён змяняецца з цягам часу. Нейтрына, што пачало сваё існаванне як электроннае, можа ператварыцца ў Мюоны, а затым назад. Такім чынам, часціца, утвораная ў ядры Сонца, па дарозе да Зямлі можа перыядычна ператварацца ў мюон-нейтрына і наадварот. Паколькі дэтэктар Дэвіса мог выявіць толькі электрон-нейтрына, здольнае прывесці да ядзернай трансмутации хлору ў аргон, то здавалася магчымым, што адсутнічаюць нейтрына ператварыліся ў іншыя тыпы. (Як аказалася, нейтрына осциллируют ўнутры Сонца, а не на шляху да Зямлі).

канадскі эксперымент

Адзіным спосабам праверыць гэта было стварэнне дэтэктара, які працаваў для ўсіх трох тыпаў нейтрына. Пачынаючы з 90-х гадоў Артур Макдональд з Каралеўскага універсітэта ў Антарыё узначальваў каманду, якая гэта ажыццявіла ў шахце ў Садбери, Антарыё. Ўстаноўка ўтрымоўвала тоны цяжкай вады, прадстаўленай ў крэдыт урадам Канады. Цяжкая вада з'яўляецца рэдкай, але якая сустракаецца ў прыродзе формай вады, у якой вадарод, які змяшчае адзін пратон, заменены яго больш цяжкім ізатопам дэйтэрыя, які змяшчае пратон і нейтрон. Канадскі ўрад складзіраваў цяжкую ваду, т. К. Яна выкарыстоўваецца ў якасці цепланосбіта ў ядзерных рэактарах. Усе тры тыпу нейтрына маглі разбурыць дэйтэрый з адукацыяй пратона і нейтрона, а нейтроны затым падлічвалі. Дэтэктар рэгістраваў прыкладна ў тры разы большая колькасць часціц у параўнанні з Дэвісам - менавіта тую колькасць, якая прадказвалася лепшымі мадэлямі Сонца. Гэта дазволіла выказаць здагадку, што электрон-нейтрына могуць осциллировать ў іншыя яго тыпы.

японскі эксперымент

Прыкладна ў той жа час Такааки Кадзита з Універсітэта Токіо праводзіў яшчэ адзін выдатны эксперымент. Дэтэктар, усталяваны ў шахце ў Японіі, рэгістраваў нейтрына, якія прыходзяць не з нетраў Сонца, а з верхніх слаёў атмасферы. Пры сутыкненні пратонаў касмічных прамянёў з атмасферай ўтвараюцца ліўні іншых часціц, у тым ліку Мюоны нейтрына. У шахце яны ператваралі ядра вадароду ў мюоны. Дэтэктар Кадзиты мог назіраць часціцы, хто прыходзіў у двух напрамках. Адны падалі зверху, прыходзячы з атмасферы, а іншыя рухаліся знізу. Лік часціц было розным, што казала пра розную іх прыродзе - яны знаходзіліся ў розных кропках сваіх осцилляционных цыклаў.

Пераварот у навуцы

Гэта ўсё экзатычна і дзіўна, але чаму асцыляцыі і масы нейтрына прыцягваюць да сябе столькі ўвагі? Прычына простая. У стандартнай мадэлі фізікі элементарных часціц, якая распрацоўвалася на працягу апошніх пяцідзесяці гадоў дваццатага стагоддзя, якая правільна апісвала ўсе астатнія назірання ў паскаральніках і іншых эксперыментах, нейтрына павінны былі быць безмассовыми. Адкрыццё масы нейтрына кажа пра тое, што чагосьці не хапае. Стандартная мадэль не з'яўляецца поўнай. Адсутнічаюць элементы яшчэ трэба будзе адкрыць - з дапамогай Вялікага адроннага коллайдера ці іншай, яшчэ не створанай машыны.