Particula unui neutrino: definiție, proprietăți, descriere. Oscilațiile neutrinelor sunt ...

Neutrinul este o particulă elementară, care este foarte asemănătoare cu un electron, dar nu are nicio sarcină electrică. Are o masă foarte mică, care poate fi chiar zero. Viteza neutrino depinde, de asemenea, de masa. Diferența dintre timpul de sosire a particulelor și a luminii este de 0,0006% (± 0,0012%). În 2011, în timpul experimentului OPERA, sa constatat că viteza neutrinilor este mai rapidă decât lumina, însă experiența independentă nu a confirmat acest lucru.

Particula evazivă

Aceasta este una dintre cele mai comune particule din univers. Din moment ce interacționează foarte puțin cu materia, este incredibil de dificil de detectat. Electronii și neutrinii nu participă la interacțiuni nucleare puternice, ci participă în egală măsură la cei slabi. Particulele care posedă astfel de proprietăți sunt numite leptoni. În plus față de electroni (pozitroni și antiparticula), denumit muon încărcat leptonilor (200 masa de electroni), tau (3500 masa de electroni), și antiparticula lor. Ele sunt numite astfel: electron, muon și tau neutrino. Fiecare dintre ele are o componentă antimaterială, numită antineutrinos.

Mio și tau, ca un electron, au particule care îi însoțesc. Este un muon și un neutrino tau. Trei tipuri de particule diferă una de cealaltă. De exemplu, atunci când neutronii muonului interacționează cu o țintă, ei produc întotdeauna muoni, și niciodată tau sau electroni. În interacțiunea dintre particule, deși electronii și neutronii de electroni pot fi creați și distruși, suma lor rămâne neschimbată. Acest fapt conduce la separarea leptonilor în trei tipuri, fiecare având un lepton încărcat și neutrinul însoțitor.

Detectoarele foarte mari și extrem de sensibile sunt necesare pentru a detecta această particulă. În mod tipic, neutrinii cu energie redusă vor călători timp de mulți ani lumină înainte de a interacționa cu materia. În consecință, toate experimentele la sol bazate pe acestea se bazează pe măsurarea interacțiunii fracției mici cu înregistratoare de dimensiuni rezonabile. De exemplu, în observatorul de neutrini Sudbury, care conține 1000 de tone de apă grea, aproximativ 1012 neutrini solari per secundă trec prin detector. Și se găsesc doar 30 pe zi.

Istoria descoperirii

Wolfgang Pauli a fost primul care a postulat existența unei particule în 1930. La acea vreme, a apărut o problemă, pentru că părea că energia și impulsul angular nu au persistat în decăderea beta. Dar Pauli a remarcat că, dacă se emite o particulă de neutrin neutru neutru, se va respecta legea conservării energiei. Fizicianul italian Enrico Fermi în 1934 a dezvoltat teoria decalajului beta și ia dat particulei numele.

În ciuda tuturor previziunilor, timp de 20 de ani neutrinii nu au putut fi detectați experimental datorită lui interacțiune slabă cu substanță. Deoarece particulele nu sunt încărcate electric, forțele electromagnetice nu acționează asupra lor și, în consecință, nu provoacă ionizarea substanței. În plus, ele reacționează cu materia numai prin interacțiuni slabe de forță neglijabilă. Prin urmare, ele sunt cele mai penetrante particule subatomice capabile să treacă printr-un număr imens de atomi fără a provoca reacții. Doar 1 din 10 miliarde din aceste particule, care călătoresc prin materie la o distanță egală cu diametrul Pământului, reacționează cu un proton sau un neutron.

În sfârșit, în 1956, un grup de fizicieni americani, condus de Frederick Reines, a raportat descoperirea antineutrinelor electronice. În experimentele sale, antineutrinos emis de un reactor nuclear interacționat cu protoni, formând neutroni și positroni. Semnăturile unice (și rar) de energie ale acestor subproduse din urmă au devenit dovada existenței particulei.

Deschiderea leptoni muonilor încărcate a fost punctul de plecare pentru identificarea ulterioară a doua neutrinilor de tip - muon. Identificarea lor a fost efectuată în 1962 pe baza rezultatelor unui experiment într-un accelerator de particule. neutrini muonilor descompunere mare energie formate de mezoni pi și direcționate către detector astfel încât a fost posibil să se examineze reacția lor cu substanța. În ciuda faptului că acestea sunt non-reactive, precum și alte tipuri de particule, sa constatat că, în cazurile rare în care ele reacționează cu protoni sau neutroni, muoni, muoni neutrini, dar niciodată electroni. În 1998, fizicienii americani Leon Lederman, Melvin Schwartz și Jack Steinberger au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru identificarea miuonici-neutrini.

La mijlocul anilor 1970, fizica neutrinilor a fost completată de un alt tip de leptoni încărcați - tau. Neutrinii Tau și tau antineutrinos s-au dovedit a fi legați de acest al treilea încărcat lepton. În 2000, fizicienii din Laboratorul Național de Accelerator. Enrico Fermi a raportat primele dovezi experimentale pentru existența acestui tip de particule.

greutate

Toate tipurile de neutrini au o masă mult mai mică decât cea a partenerilor lor încărcați. De exemplu, experimentele arată că masa de electroni neutrino trebuie să fie mai mic de 0,002% din masa de electroni și suma maselor din cele trei soiuri trebuie să fie mai mică de 0,48 eV. Gândul de mai mulți ani că masa particulei este zero, cu toate că nu a existat nici o dovadă convingătoare teoretice, de ce ar trebui să fie în acest fel. Apoi, în 2002, Observatorul Sudbury Neutrino a fost obtinut prima dovada directa ca electroni neutrinii emise de reacții nucleare în miezul soarelui, atâta timp cât acestea trec prin ea, să schimbați tipul acesteia. Astfel de "oscilații" ale neutrinilor sunt posibile dacă unul sau mai multe tipuri de particule au o anumită masă mică. Studiile lor interacțiunea razelor cosmice în atmosfera Pământului indică, de asemenea, prezența în masă, dar sunt necesare experimente suplimentare pentru a defini cu mai multă precizie.

Surse de informații

Sursele naturale de neutrini sunt dezintegrarea radioactivă a elementelor din interiorul Pământului, sub care se emite un flux mare de electroni cu energie redusă - antineutrinos. Supernovele sunt, de asemenea, predominant un fenomen neutrin, deoarece numai aceste particule pot pătrunde în materialul superdensial format în steaua colapsantă - doar o mică parte a energiei este transformată în lumină. Calculele arată că aproximativ 2% din energia soarelui este energia neutrină produsă în reacțiile termonucleare sinteză. Este probabil ca cea mai mare parte a materiei întunecate a universului să fie formată din neutrini formate în timpul Big Bang-ului.

Probleme ale fizicii

Zonele asociate cu neutrinii și astrofizica sunt diverse și se dezvoltă rapid. Problemele actuale, implicând un număr mare de eforturi experimentale și teoretice, sunt după cum urmează:

• Care sunt masele diferitelor neutrini?
• Cum influențează cosmologia Big Bang-ului?
• Ei oscilează?
• Pot neutrini de un tip să se transforme într-altul, atâta timp cât se deplasează prin materie și spațiu?
• Sunt neutrinii fundamental diferiti de antiparticulele lor?
• Cum defalc stelele și formează supernove?
• Care este rolul neutrinilor în cosmologie?

Una dintre problemele de lungă durată de interes deosebit este așa-numita problemă a neutrinelor solare. Acest nume se referă la faptul că în timpul mai multor experimente de sol efectuate în ultimii 30 de ani, au fost observate constant mai puține particule decât este necesar pentru producerea energiei radiate de soare. Una dintre soluțiile sale posibile este oscilația, adică transformarea neutrinilor electronici în muonic sau tau în timp ce călătoresc pe Pământ. Deoarece este mult mai dificil să se măsoare neutroni cu mion sau tau cu energie redusă, acest tip de transformare ar putea explica de ce nu observăm numărul corect de particule de pe Pământ.

Cel de-al patrulea premiu Nobel

Premiul Nobel pentru fizică pentru anul 2015 a fost acordat lui Takaaki Kadzite și Arthur MacDonald pentru detectarea masei de neutrini. Acesta a fost al patrulea premiu de acest fel, legat de măsurătorile experimentale ale acestor particule. Cineva ar putea fi interesat de întrebarea de ce ar trebui să ne îngrijorăm atât de mult despre ceva care nu interacționează greu cu materia obișnuită.

Simplul fapt că putem detecta aceste particule efemere este un testament al ingeniozității umane. Întrucât regulile mecanicii cuantice sunt probabiliste, știm că, în ciuda faptului că aproape toate neutrinii trec prin Pământ, unii dintre ei vor interacționa cu el. Un detector cu o dimensiune suficient de mare îl poate înregistra.

Primul dispozitiv a fost construit în anii șaizeci într-o mină din Dakota de Sud. Mina a fost umplută cu 400 mii litri de lichid de curățare. In medie neutrino o particula interactioneaza zilnic cu un atom de clor, convertindu-l în argon. Incredibil, Raymond Davis, responsabil de detector, a venit cu o modalitate de a detecta acești câțiva atomi de argon, iar patru decenii mai târziu în 2002, pentru acest spectacol tehnic uimitor, i sa acordat Premiul Nobel.

Noua astronomie

Deoarece neutrinii interacționează atât de slab, ei pot călători la o distanță mare. Ne dau ocazia să ne uităm în locuri pe care altfel nu le-am fi văzut niciodată. Neutrinii detectat Davis, format ca urmare a reacțiilor nucleare care au avut loc în inima soarelui, și au fost în stare să părăsească acest scaun incredibil de dens și fierbinte pur și simplu pentru că nu interacționează cu alte materii. Puteți detecta chiar neutrini emise de centrul unei stele explodate la o distanță de mai mult de o sută de mii de ani lumină de Pământ.

În plus, aceste particule ne permit să observăm universul la scări foarte mici, mult mai mici decât cele pe care Colectorul de Large Hadron Collider de la Geneva îl poate vedea, Bosonul Higgs. Din acest motiv, Comitetul Nobel a decis să acorde Premiul Nobel pentru descoperirea unui alt tip de neutrino.

Misterioasă lipsă

Când Ray Davis a observat neutrini solare, a găsit doar o treime din numărul așteptat de neutrinos. Majoritatea fizicienilor au crezut că motivul pentru aceasta este o cunoaștere slabă a astrofizicii solare: poate, modelele intestinelor soarelui au reevaluat numărul de neutrini produsi în ea. Cu toate acestea, de mai mulți ani, chiar și după ce modelele solare s-au îmbunătățit, deficitul a persistat. Fizicienii au atras atenția asupra unei alte posibilități: problema ar putea fi legată de ideile noastre despre aceste particule. În conformitate cu teoria dominantă atunci, ei nu aveau o masă. Dar unii fizicieni au susținut că, de fapt, particulele aveau o masă infinitezimală, iar această masă era motivul lipsei lor.

Particule cu trei fețe

Conform teoriei oscilațiilor neutrinice, în natură există trei tipuri diferite de neutrini. Dacă o particulă are o masă, atunci în timp ce se mișcă, ea poate trece de la un tip la altul. Trei tipuri - electronice, muon și tau - pot interacționa cu materia într-o particulă încărcată corespunzător (electron, muon sau tau lepton). "Oscilația" se datorează mecanicii cuantice. Tipul de neutrino nu este constant. Se schimbă în timp. Neutrinul, care și-a început existența ca electronică, se poate transforma într-un muon și apoi înapoi. Astfel, particula formată în nucleul Soarelui, pe calea către Pământ, se poate transforma periodic într-un neutrino muon și invers. Deoarece detectorul Davis ar putea detecta doar un neutrino-electron capabil să conducă la o transmutare nucleară a clorului în argon, părea posibil ca neutrinii lipsă să se transforme în alte tipuri. (După cum sa dovedit, neutrinii oscilează în interiorul Soarelui și nu pe calea către Pământ).

Experiența canadiană

Singura modalitate de a verifica acest lucru a fost de a crea un detector care a funcționat pentru toate cele trei tipuri de neutrini. Din anii `90, Arthur MacDonald de la Universitatea Royal din Ontario a condus echipa care a efectuat această operațiune într-o mină din Sudbury, Ontario. Instalația conținea tone de apă grea furnizate de Guvernul Canadei. Apa grea este o formă rară, dar naturală, în care hidrogenul care conține un proton este înlocuit cu deuteriul său izotopos mai greu, care conține un proton și un neutron. Guvernul canadian a stocat apă grea, deoarece este folosit ca agent de răcire în reactoarele nucleare. Toate cele trei tipuri de neutrini ar putea distruge deuteriul cu formarea unui proton și a unui neutron, iar neutronii au fost apoi numărați. Detectorul a înregistrat aproximativ trei ori numărul de particule în comparație cu Davis - exact suma estimată de cele mai bune modele ale Soarelui. Acest lucru ne-a permis să presupunem că electronul neutrino poate oscila în alte tipuri.

Experimentul japonez

În același timp, Takaaki Kajita de la Universitatea din Tokyo a realizat un alt experiment remarcabil. Un detector instalat într-o mină din Japonia a înregistrat neutrini care nu provin din adâncurile soarelui, ci din straturile superioare ale atmosferei. În coliziunea protonilor radiațiilor cosmice cu atmosfera, se formează dușuri de alte particule, inclusiv neutronii muonului. În mine, ei au transformat nucleul hidrogenului în muoni. Detectorul Kajita ar putea observa particule care vin în două direcții. Unii au căzut de sus, venind din atmosferă, în timp ce alții s-au mutat de jos. Numărul de particule a fost diferit, ceea ce a indicat o natură diferită - au fost în diferite puncte ale ciclurilor de oscilație.

Coup în știință

Este totul exotic și uimitor, dar de ce oscilațiile și masele de neutrino atrag atâta atenție asupra lor? Motivul este simplu. În modelul standard al fizicii particulare elementare, dezvoltat în ultimii cincizeci de ani ai secolului al XX-lea, care descrie corect toate celelalte observații în acceleratoare și alte experimente, neutrinii trebuiau să fie fără masă. Descoperirea masei neutrinice indică faptul că lipsește ceva. Modelul standard nu este complet. Elementele care lipsesc nu au fost încă descoperite - cu ajutorul Colliderului cu Large Hadron sau al altei mașini care nu a fost încă creată.