Čestica neutrino: definicija, svojstva, opis. oscilacije neutrina - to ...

Neutrino - elementarna čestica koja je vrlo slična elektrona, ali nema električnog naboja. Ona ima vrlo malu masu, koja čak može biti nula. Iz mase neutrina ovisi o brzini. Razlika u vremenu dolaska i snopa čestica je 0,0006% (± 0,0012%). U 2011. godini, utvrđeno je tijekom eksperimenta OPERA da je brzina premašuje brzinu svjetlosti neutrina, ali neovisno o tom iskustvu nije potvrdio.

Nedostižan čestice

To je jedan od najčešćih čestica u svemiru. Budući da komunicira vrlo malo s materijom, to je nevjerojatno teško otkriti. Elektroni i neutrini ne sudjeluju u jaka nuklearna sila, ali jednako sudjeluju u slabe. Čestice koje imaju takva svojstva nazivaju leptona. Osim elektrona (pozitrona i antičestica), u odnosu na teret leptoni muon (200 elektrona mase), tau (3500 elektrona mase), i njihove antičestica. Oni se nazivaju: elektron, muon i tau neutrino. Svaki od njih ima antimaterial komponentu, naziva antineutrin.

Muon i tau, kao elektron, imaju popratne čestice. To muon i tau neutrino. Tri vrste čestica međusobno različite. Na primjer, kada mionski neutrino interakciju s ciljem, oni uvijek proizvode muons i nikad tau ili elektrona. U reakciji čestica, iako su elektroni i elektronski neutrino stvara i uništava, njihov zbroj ostaje nepromijenjen. Ta činjenica dovodi do odvajanja leptona u tri vrste, od kojih svaki posjeduje nabijene leptona i prateće neutrina.

Za otkrivanje to su potrebne čestice vrlo velike i vrlo osjetljive detektore. U pravilu, s niskim energetskim neutrina će putovati mnogo svjetlosnih godina u interakciji s materijom. Prema tome, svi eksperimenti tlo s njima se oslanjaju na mjerenje mali dio koji stupa u interakciju s matičar razumnu veličinu. Na primjer, u neutrina zvjezdarnici Sudbury sadrži 1000 tona teške vode prolazi kroz detektor oko 1012 solarnih neutrina sekundi. I pronašli samo 30 po danu.

Povijest otkrića

Wolfgang Pauli prvi postulirao postojanje čestica u 1930. U to vrijeme, došlo je do problema, jer se činilo da je energija i moment količine gibanja nisu pohranjeni u beta raspada. Ali Pauli je istaknuo da, ako postoji ne emitira neutrine djelujuća neutralna čestica, očuvanje energije zakon će se promatrati. Talijanski fizičar Enrico Fermi je 1934. razvio teoriju beta raspada, i dao joj ime čestice.

Unatoč svim prognozama za 20 godina, neutrini ne može biti otkrivena eksperimentalno zbog svoje slabe interakcije s materijom. Budući da se čestice električki naplaćuju, oni ne djeluju elektromagnetske sile, i, dakle, oni ne uzrokuju ionizaciju tvari. Osim toga, oni reagiraju s tvari samo slabe interakcije blagom silom. Dakle, oni su najviše prodorne subatomske čestice mogu proći kroz veliki broj atoma, bez nanošenja bilo kakve reakcije. Samo 1 do 10 milijardi ovih čestica putuju kroz tkaninu za udaljenost jednaka promjeru Zemlje, reagira s protona ili neutrona.

Konačno, 1956. godine grupa američkih fizičara pod vodstvom Frederick Reines izvijestio je otkriće elektrona antineutrina. U pokusima antineutrinos izracena nuklearni reaktor, reakcijom s protona, neutrona i formiranje pozitrone. Jedinstveni (i rijetke) energetski potpisi potonji nusproizvoda dokaz o postojanju čestice.

Otvaranje nabijene leptoni muons je polazište za naknadno identifikaciju drugog tipa neutrina - muon. Njihova identifikacija je provedena 1962. godine na temelju rezultata pokusa u akceleratoru čestica. Visokoenergetske muons raspada neutrini formirane pi-mezoni i usmjerena je na detektor, tako da je moguće ispitati njihove reakcije s tvari. Unatoč činjenici da su ne-reaktivni, kao i druge vrste čestica, utvrđeno je da su u rijetkim slučajevima kada reagiraju s protona ili neutrona, muons, neutrini muons, ali nikad elektrona. Godine 1998, Američki fizičari Leon Lederman, Melvin Schwartz i Dzhek Shteynberger su Nobelovu nagradu za fiziku za identifikaciju muon-neutrina.

Sredinom 1970-ih neutrino fizike stekao druga vrsta nabijenih leptona - Tau. Tau-neutrino i tau-antineutrinos su povezani s ovom trećem naplaćuje Lepton. Godine 2000. fizičari u Nacionalnom Accelerator Laboratory. Enrico Fermi izvijestio prvi eksperimentalni dokaz postojanja ove vrste čestica.

težina

Sve vrste neutrina imaju masu, što je mnogo manje nego njihovi partneri terete. Na primjer, eksperimenti pokazuju da je masa elektrona neutrino mora biti manji od 0.002% od elektrona mase i zbroja masa tri sorte treba biti manja od 0,48 eV. Misao za mnogo godina da se masa čestica je nula, iako nije bilo uvjerljiv teorijski dokazi, zašto bi trebalo biti tako. Zatim, u 2002, Sudbury Neutrino Observatory dobiven prve izravne dokaze da je elektronski neutrino emitira nuklearnih reakcija u jezgri Sunca, dok oni prolaze kroz njega, izmijenili vrstu. Takva „oscilacije” neutrino moguće ako jedan ili više čestica imaju malu masu. Njihova studija interakcije kozmičkih zraka u Zemljinoj atmosferi i ukazuju na prisutnost mase, ali daljnji eksperimenti su potrebne kako bi se točnije odrediti.

izvori

Prirodni izvori neutrina - radioaktivni raspad elemenata unutar zemlje, koja se emitira na velikom protoku niskoenergetskog elektron-antineutrina. Supernove su također pogodno neutrino fenomen, jer te čestice mogu samo prodrijeti hiperdenznu tvar koja je nastala u urušavanja zvijezde; samo mali dio energije pretvara u svjetlo. Izračuni pokazuju da oko 2% sunčeve energije - energija neutrina formirana u reakcijama termonuklearne fuzije. Vrlo je vjerojatno da je većina tamne tvari u svemiru se sastoji od neutrina proizvedenih tijekom Velikog praska.

problemi fizike

Područja vezana za neutrino astrofiziku i raznolika i brzo razvija. Aktualna pitanja koja privlače velik broj eksperimentalnih i teorijskih nastojanja, sljedeće:

• Koje su različite neutrina mase?
• Kako one utječu na kozmologiju, Veliki prasak?
• oni osciliraju?
• Može li jedna vrsta neutrina prelazi u drugi kao što su putovanje kroz materiju i prostor?
• Jesu li neutrini bitno se razlikuje od svojih antiparticles?
• Kako zvijezde kolaps u obliku supernove?
• Koja je uloga neutrina u kozmologiji?

Jedan od dugogodišnjih problema od posebnog interesa je takozvani solarni neutrino problema. To ime se odnosi na činjenicu da je tijekom nekoliko zemaljskih eksperimenata provedenih u proteklih 30 godina, stalno promatrane čestice manje nego što je potrebno za proizvodnju energije zrači od sunca. Jedno od mogućih rješenja je oscilacija, tj. E. Transformacija elektronski neutrino na muon ili tau vrijeme putovanja na Zemlju. Pa koliko je teško izmjeriti niske energetske muon ili tau neutrino, ova vrsta transformacije bi objasniti zašto ne vidimo pravu količinu čestica na Zemlji.

Četvrto Nobelove nagrade

Nobelovu nagradu za fiziku 2015. godine dobio je Takaaki Kaji i Arthur MacDonald za detekciju neutrina mase. Ovo je bio četvrti sličan nagrada povezana s eksperimentalnim mjerenjima tih čestica. Netko može biti zainteresirani za pitanje zašto bi mi toliko o nečemu što tek u interakciji sa običnom tvari briga.

Činjenica da možemo otkriti ove prolazne čestice je dokaz ljudske domišljatosti. Od pravilima kvantne mehanike, vjerojatnosti, znamo da je, unatoč činjenici da su gotovo svi neutrina prolaze kroz Zemlju, neki od njih će komunicirati s njim. Detektor je sposoban dovoljno velika površina registriran.

Prvi takav uređaj je izgrađen šezdesetih godina, duboko u rudniku u Južnoj Dakoti. Vratilo se napuni u 400 tisuća. Čišćenje L tekućine. Prosječno neutrina jednom dnevno čestica u interakciji s atomom klora, pretvarajući ga u argonom. Nevjerojatno, Raymond Davis, koji je bio odgovoran za detektor, izumio metodu za otkrivanje višestrukih argon atoma, a četiri desetljeća kasnije, 2002. godine, za ovaj zadivljujući inženjering podvig dobio je Nobelovu nagradu.

nova astronomija

Budući da neutrini u interakciji tako slabo, da mogu putovati velike udaljenosti. Oni nam daju uvid u mjestima koja inače nikad ne bismo vidjeli. Neutrini otkrivena Davis, koji nastaju kao posljedica nuklearnih reakcija koje su se dogodile u srcu sunca, te su mogli napustiti ovaj nevjerojatno gusta i vruće mjesto samo zato što oni ne interakciju s drugom pitanju. Možete čak i otkriti neutrine emitira od centra rastavljenom zvijezde na udaljenosti od više od stotinu tisuća svjetlosnih godina od Zemlje.

Osim toga, ove čestice bi bilo moguće promatrati svemir u svojoj vrlo male, mnogo manji od onih u kojima se mogu pogledati u Large Hadron Collider u Ženevi otkrio Higgsov bozon. To je zbog toga da se Nobelov odbor odlučio dodijeliti Nobelovu nagradu za otkriće neutrina u drugu vrstu.

tajanstveni manjak

Kada Ray Davis promatrati solarne neutrine, on je pronašao samo trećinu očekivanog količini. Većina fizičari vjeruju da je razlog za to je slabo poznavanje astrofizike Sunca: možda zasjala podzemlje model precjenjuje količinu proizvedene u neutrina. Ipak, za mnogo godina, čak i nakon što su solarni modeli poboljšana, deficit je ostao. Fizičari su plaćeni pozornost na još jednu mogućnost: problem bi mogao biti povezan s naše percepcije tih čestica. Prema teoriji, tada prevladavao nisu imali težinu. No, neki fizičari tvrde da je u stvari čestice imaju vrlo mali misu, i to masovno je bio razlog za njihov nedostatak.

Tri lica čestica

Prema teoriji oscilacije neutrina, u prirodi, postoje tri različite vrste od njih. Ako čestica ima masu, da kao što se miče to može proći iz jedne vrste u drugu. Tri tipa - elektroni, muons i tau - u interakciji s tvari mogu se prevesti u odgovarajući (nabijene čestice elektron i muon tau leptoni). „Oscilacije” je zbog kvantne mehanike. Tip neutrino nije konstantna. Ona se mijenja s vremenom. Neutrini, koji je započeo svoje postojanje kao e-pošte, može pretvoriti u muon, a onda natrag. Dakle, čestica, formirana u jezgri Sunca, na putu prema Zemlji mogu se povremeno pretvara u muon neutrini i obrnuto. Od detektor Davis mogla otkriti samo elektrone neutrine, što bi moglo dovesti do nuklearnog transmutacije klora u argona, činilo moguće da nedostaje neutrino pretvorio u druge vrste. (Ispada da neutrini oscilira unutar Sunca, a ne na putu do Zemlje).

Kanadski eksperiment

Jedini način da se ovaj test je bio stvoriti detektor koji je radio za sve tri vrste neutrina. Počevši od 90-ih godina Arthur McDonald od Queen Sveučilišta u Ontariju, vodio je tim, koji se provodi u rudniku u Sudbury, Ontario. Instalacija sadrži tona teške vode, osigurao zajam od strane Vlade Kanade. Teške vode je rijetko, ali oblik koji se prirodno pojavljuju u vodi, naznačena time, da sadrži jedan proton vodik zamijenjen sa svojim težim izotopom deuterij, koji sadrži i proton neutron. Kanadska vlada skladišti teške vode, m. K. Ona se koristi kao rashladno sredstvo u nuklearnom reaktoru. Sve tri vrste neutrina mogli uništiti deuterij u obliku protona i neutrona, neutroni, a zatim prebroje. Detektor registrirani oko tri puta više u odnosu na Davis - točno iznos koji najbolje predvidjeti modele sunca. To upućuje na zaključak da je elektron-neutrini može oscilirati u svojim drugim vrstama.

Japanski pokus

Otprilike u isto vrijeme, Takaaki Kadzita sa Sveučilišta u Tokiju proveden još jedan izvanredan eksperiment. Detektor montiran na osovinu u Japanu zabilježena neutrini ne dolaze iz unutrašnjosti Sunca, a od gornjoj atmosferi. U proton sudarima kozmičkih zraka s atmosferi formiraju tuševi drugih čestica, uključujući i muon neutrina. U rudniku se pretvaraju u vodik jezgri u muons. Detektor Kadzity mogao vidjeti čestice dolaze u dva smjera. Neki pao odozgo, dolazi iz atmosfere, dok su drugi se kreće od dna. Broj čestica bila drugačija, da su govorili o svom drugačije prirode - oni su bili na različitim mjestima u svojoj oscilatome ciklusa.

Revolucija u znanosti

To je sve egzotične i iznenađujuće, ali zašto oscilacije neutrina i masa privući toliku pažnju? Razlog je jednostavan. U standardnom modelu elementarne fizike čestica, razvili tijekom posljednjih pedeset godina dvadesetog stoljeća, koji je ispravno opisuje sve druge primjedbe u akceleratorima i drugim eksperimentima, neutrini su trebali biti bez mase. Otkriće neutrina mase ukazuje na to da nešto nedostaje. Standardni model nije potpun. Nedostaju elementi tek treba otkriti - uz pomoć Large Hadron Collider ili s druge strane, još uvijek nije stvorio virtualni stroj.