Neutrino čestice: definicija, svojstva, opis. neutrino oscilacije - to ...

Neutrino - elementarne čestice koja je vrlo slična elektron, ali nema električni naboj. Ima vrlo maloj masi, koji čak može biti nula. Iz mase neutrina zavisi od brzine. Razlika u vremenu dolaska i snop čestica je 0,0006% (± 0,0012%). U 2011. godini, utvrđeno je tokom OPERA eksperiment da je brzina veća od brzine svjetlosti neutrina, ali nezavisno od ovog iskustva nije potvrdio.

Neuhvatljivi čestica

Ovo je jedan od najčešćih čestica u svemiru. S obzirom da jako malo u interakciji sa materijom, to je nevjerojatno teško otkriti. Elektrona i neutrina ne učestvuju u jaka nuklearna sila, ali jednako učestvuju u slabe. Čestice koje imaju takva svojstva nazivaju leptona. Osim elektrona (pozitrona i antičestica), odnosi se na naplaćuje leptona miona (200 masa elektrona), tau (3500 masa elektrona), i njihovih antičestica. Oni se nazivaju: elektron, muon i tau neutrina. Svaki od njih ima antimaterijalnog komponentu, zove antineutrino.

Muon i tau, kao elektron, imaju prateći čestica. To muon i tau neutrina. Tri vrste čestica različiti jedni od drugih. Na primjer, kada muon neutrini u interakciji sa metu, oni uvijek proizvesti miona i nikada tau ili elektrona. U reakciji čestica, iako elektrona i elektrona neutrina se stvaraju i uništavaju njihov zbir ostaje nepromijenjen. Ova činjenica dovodi do odvajanja leptona u tri vrste, od kojih svaki ima napunjenom leptonima i prateći neutrina.

Za otkrivanje ove čestice potrebna vrlo velika i vrlo osjetljivi detektori. Po pravilu, sa niskom energijom neutrina će putovati mnogo svjetlosnih godina u interakciju sa materijom. Zbog toga su sve tlo eksperimente sa njima oslanjaju na mjerenje mali dio koji komunicira s registara razumne veličine. Na primjer, u neutrino opservatoriju Sudbury, koji sadrži 1.000 tona teške vode prolazi kroz detektor oko 1012 solarnih neutrina u sekundi. I pronašao samo 30 po danu.

Povijest otkrića

Wolfgang Pauli prvi postulira postojanje čestica u 1930. U to vrijeme, došlo je do problema, jer se činilo da je energija i ugaoni impuls se ne čuvaju u beta propadanja. Ali Pauli je istakao da ako se ne emituje neutrini u interakciji neutralna čestica je zakon očuvanja energije će se poštovati. Talijanski fizičar Enrico Fermi 1934. razvio teoriju beta propadanja, i dao joj ime čestica.

Uprkos svim predviđanjima za 20 godina, neutrini ne mogu da otkriju eksperimentalno zbog slabe interakcije sa materijom. Jer su čestice naelektrisane, oni ne ponašaju elektromagnetne sile, i, prema tome, oni ne uzrokuju ionizacije supstance. Osim toga, oni reagiraju sa suštinom samo kroz slab interakcije blagi silu. Zbog toga, oni su vrlo prodorni subatomske čestice u stanju da prolazi kroz veliki broj atoma bez ikakvih reakcija. Samo 1 do 10 milijardi ove čestice putuju kroz tkaninu koju udaljenosti jednak promjer Zemlje, reaguje sa protona ili neutrona.

Konačno, 1956. godine grupa američkih fizičara, na čelu sa Frederick Reines prijavio otkriće elektrona antineutrino. U eksperimentima je antineutrinos zračenja nuklearnog reaktora, reaguje sa proton, formirajući neutrona i pozitrona. Unique (i rijetke) energija potpisa drugom nusproizvoda dokaz o postojanju čestice.

Otvaranje optužen leptona miona je polazište za kasniju identifikaciju drugog tipa neutrina - muon. Njihova identifikacija je obavljena 1962. godine na temelju rezultata eksperimenta u akcelerator čestica. Visoke energije miona propadanja neutrina formiraju pi-mezona i usmjerena na detektor tako da je moguće da se ispita njihova reakcija sa supstancom. Unatoč činjenici da su ne-reaktivni, kao i druge vrste čestica, utvrđeno je da u rijetkim slučajevima kada oni reaguju sa protona ili neutrona, miona, neutrini miona, ali nikada elektrona. Godine 1998., američki fizičari Leon Lederman, Melvin Schwartz i Dzhek Shteynberger dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za identifikaciju muon-neutrina.

Sredinom 1970-ih, neutrina fizike stekao druga vrsta naplaćuje leptona - tau. Tau-neutrino i tau-antineutrinos bili povezani sa ovom trećem naplaćuje lepton. U 2000. godini, fizičari u Nacionalnoj Accelerator Laboratory. Enrico Fermi prijavio prvi eksperimentalni dokaz o postojanju 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 mase elektrona i zbira mase tri sorte mora biti manja od 0,48 eV. Misao za mnogo godina da je masa čestice je nula, iako nije bilo uvjerljivi teorijski dokaza, zbog čega bi trebalo biti tako. Zatim, 2002. godine, Opservatorija Sudbury Neutrino je dobijen prvi direktni dokaz da elektron neutrina emituju nuklearne reakcije u središtu Sunca, dok oni prolaze kroz njega, promijeniti svoj tip. Takva "oscilacije" neutrino moguće ako jedan ili više čestice imaju malu masu. Njihova studija interakcije kosmičkih zraka u Zemljinoj atmosferi i ukazati na prisustvo mase, ali su potrebni dalji eksperimenti da je preciznije definirati.

izvora

Prirodni izvori neutrina - a radioaktivnog raspada elemenata u zemlji, koja se emituje na veliki protok niskoenergetskih elektron-antineutrino. Supernove su također pogodno neutrino fenomen, jer ove čestice mogu prodrijeti samo hyperdense materijal formiran u kolapsu zvijezda; samo mali dio energije se pretvara u svjetlo. Proračuni pokazuju da oko 2% sunčeve energije - energija neutrina formirana u reakcijama termonuklearne fuzije. To je vjerojatno da je većina tamne materije svemira se sastoji od neutrina proizvedenih tokom Velikog praska.

problemi fizike

Oblastima vezanim za neutrino astrofizike, i raznolika i brzo razvija. Aktuelna pitanja koje privlače veliki broj eksperimentalnih i teorijskih nastojanja, sljedeće:

• Koje su različite masa neutrina?
• Kako oni utiču kosmologiju Velikog praska?
• oni osciliraju?
• Može li jedan tip neutrina pretvara u drugu dok putuju kroz materiju i prostor?
• Su neutrini fundamentalno razlikuju od svojih antimaterije?
• Kako Stars Collapse formirati supernove?
• Koja je uloga neutrina u kosmologije?

Jedan od dugogodišnjih problema od posebnog interesa je takozvani solarni problem neutrino. Ovo ime se odnosi na činjenicu da je u toku nekoliko zemaljskih eksperimenata sproveo u proteklih 30 godina, stalno posmatrao čestice manje nego što je potrebno za proizvodnju energije zrači sunce. Jedno od mogućih rješenja je oscilacija, tj. E. Transformacija elektrona neutrina u mion ili tau tokom putovanja na Zemlju. Pa koliko je teže mjeriti niskoenergetske muon ili tau neutrina, ova vrsta transformacije bi objasnilo zašto mi ne vidimo pravu količinu čestica na Zemlji.

Četvrta Nobelove nagrade

Nobelovu nagradu za fiziku 2015. dobio je Takaaki Kaji i Arthur MacDonald za detekciju neutrina mase. Ovo je bio četvrti sličan nagrade povezani s eksperimentalnim mjerenjima ovih čestica. Neko može biti zainteresirani za pitanje zašto bi je toliko stalo do nečega što jedva interakciju sa obične materije.

Činjenica da možemo otkriti ove efemerne čestice je dokaz ljudske genijalnosti. Od pravila kvantne mehanike, probabilistički, znamo da, bez obzira na činjenicu da su gotovo sve neutrina prolaze kroz Zemlju, neki od njih će u interakciji s njim. Detektor je sposoban dovoljno velikih dimenzija je registrovan.

Prvi takav uređaj je izgrađen šezdesetih godina, duboko u rudniku u Južnoj Dakoti. Vratila je bio ispunjen u 400 hiljada. L tečnost za čišćenje. U prosjeku jedan čestica neutrino svakodnevno komunicira s atom klora, pretvarajući ga u argon. Nevjerojatno, Raymond Davis, koji je bio odgovoran za detektor, izumio metodu za otkrivanje višestrukih argon atoma, a četiri decenije kasnije, 2002. godine, za ovo neverovatno inženjering podvig dobio je Nobelovu nagradu.

novi astronomije

Jer neutrini u interakciji tako slabo, mogu putovati velike udaljenosti. Oni nam daju uvid u mjesta koja inače nikada ne bismo vidjeli. Neutrina otkrivene Davis, nastala kao rezultat nuklearnih reakcija koje su se dogodile u srcu sunca, i bili su u stanju da napusti ovu nevjerojatno gusta i vrućoj stolici samo zato što oni ne komuniciraju s drugim pitanjem. Možete čak i otkriti neutrine emituje od centra je eksplodirala zvijezda na udaljenosti od više od stotinu hiljada svetlosnih godina od Zemlje.

Osim toga, ove čestice omogućavaju promatrati svemir u vrlo malom obimu, mnogo manja od onih u kojima može gledati u Veliki hadronski sudarač u Ženevi, otkrio Higgs bozon. To je razlog da je Nobelov komitet odlučio dodijeliti Nobelovu nagradu za otkriće neutrina drugog tipa.

misteriozna nestašica

Kada Ray Davis posmatra solarnih neutrina, našao je samo trećina od očekivanih količina. Većina fizičara vjeruju da je razlog za to je slabo poznavanje astrofizike Sunca: možda sijala podzemlje model precijenila proizvedena količina u neutrino. Ipak, mnogo godina, čak i nakon solarne modeli su poboljšani, ostao deficita. Fizičari su se obratili pažnju na još jednu mogućnost: problem bi mogao biti u vezi sa našu percepciju tih čestica. Prema teoriji, tada bio na snazi nisu imali težinu. Međutim, neki fizičari tvrde da je u stvari čestice imaju beskrajno mase, i to masovno je bio razlog za njihov nedostatak.

Tri-Faced čestica

Prema teoriji neutrina oscilacija, u prirodi, postoje tri različite vrste od njih. Ako je čestica ima masu, da dok se kreće može proći iz jedne vrste u drugu. Tri vrste - elektrona, miona i tau - u interakciji s tvari se mogu pretvoriti u odgovarajući naplaćuje čestica (elektrona i miona tau leptoni). "Oscilacije" je zbog kvantne mehanike. tip neutrino nije konstantan. To mijenja tokom vremena. Neutrina, koji je počeo svoje postojanje kao e-mail, može pretvoriti u muon, i onda nazad. Dakle, čestica, formirana u središtu Sunca, na putu prema Zemlji mogu se povremeno pretvara u muon neutrina i obrnuto. Od Davis detektor mogli otkriti samo elektron-neutrini, što bi moglo dovesti do nuklearnog transmutacije hlora u argonom, činilo moguće da su nestali neutrina pretvorio u druge vrste. (Ispostavilo se da neutrini osciliraju unutar Sunca, a ne na način da se na Zemlji).

Kanadski eksperiment

Jedini način da se testira je bio da se stvori detektor koji je radio za sve tri vrste neutrina. Počevši od 90-ih godina Arthur McDonald kraljice univerziteta u Ontariju, on je vodio tim, koji se provodi u rudniku u Sudbury, Ontario. Instalacija sadrži tona teške vode, pod uvjetom kredit od strane Vlade Kanade. Teška voda je rijedak, ali se javljaju u prirodi oblik vode, pri čemu vodika sadrži jedan proton zamjenjuje svoju teži izotop deuterij, koji se sastoji od protona i neutrona. Kanadska vlada zaliha teške vode, m. K. se koristi kao sredstvo za hlađenje u nuklearnom reaktoru. Sve tri vrste neutrina mogli uništiti deuterija da formiraju protona i neutrona, neutroni i onda broje. Detektor registrovano je oko tri puta više u odnosu na Davis - upravo iznos koji najbolje predvidio modela suncu. Ovo ukazuje na to da elektron-neutrini mogu oscilirati u druge vrste.

japanski eksperiment

Otprilike u isto vrijeme, Takaaki Kadzita sa Univerziteta u Tokiju vodi još jedan izvanredan eksperiment. Detektor montiran u oknu u Japanu snimljen neutrina koji dolaze ne iz unutrašnjosti Sunca, kao i iz gornje atmosfere. U proton sudara kosmičkih zraka sa atmosferom formirane su tuševi drugih čestica, uključujući i muon neutrina. U rudniku oni se pretvaraju u vodik jezgra u miona. Detektor Kadzity mogli vidjeti čestica koje dolaze u dva pravca. Neki su pali odozgo, dolazi iz atmosfere, dok su ostali kreću od dna. Broj čestica je bila drugačija, koji su govorili o svojim drugačije prirode - bili su u različitim trenucima u svom oscilatornog ciklusa.

Revolucija u znanosti

To je sve egzotične i iznenađujuće, ali zašto neutrino oscilacije i mase privlače toliku pažnju? Razlog je jednostavan. U standardni model fizike elementarnih čestica, razvio u posljednjih pedeset godina dvadesetog stoljeća, koja ispravno opisuje sve ostale zapažanja u akceleratorima i drugim eksperimentima, neutrini su biti bez mase. Otkriće neutrina mase ukazuje na to da nešto nedostaje. Standardni model nije potpun. Nedostaju elementi tek treba otkriti - uz pomoć Veliki sudarač čestica ili s druge strane, još nije stvorio virtualnu mašinu.