Neutrino partikkel: definisjon, egenskaper, en beskrivelse. nøytrinooscillasjon - det ...

Neutrino - en elementærpartikkel som er svært lik den elektron, men det har ingen elektrisk ladning. Den har en veldig liten masse, som kan selv være null. Fra massen til nøytrino avhenger av hastigheten. Forskjellen i tid for ankomsten og partikkel strålen er 0,0006% (± 0,0012%). I 2011 ble det etablert under OPERA forsøket at hastigheten overstiger lysets hastighet nøytrinoer, men uavhengig av denne erfaringen har ikke bekreftet.

Den unnvikende Partikkel

Dette er en av de mest vanlige partikler i universet. Siden den kommuniserer veldig lite med saken, er det utrolig vanskelig å oppdage. Elektroner og nøytrinoer deltar ikke i den sterke kjernekraften, men like delta i de svake. Partikler med slike egenskaper kalles leptoner. I tillegg til elektron (positron og anti), referert til den ladede leptoner myonet (200 elektronmassen), tau (3500 elektronmassen), og deres anti. De kalles: elektron, myon og taunøytrino. Hver av dem har antimaterial komponent, kalt en antinøytrino.

Myon og tau, som et elektron, har tilhørende partikler. Det myon og taunøytrino. Tre typer partikler som er forskjellige fra hverandre. For eksempel når myonnøytrino samhandle med målet, de alltid produsere myoner og aldri tau eller elektroner. I reaksjonen av partiklene, selv om elektroner og elektronnøytrino skapes og ødelegges, forblir deres sum uforandret. Dette faktum fører til en separasjon leptoner inn i tre typer, som hver har en ladet leptoner og tilhørende neutrino.

For å detektere denne partikkelen kreves en meget stor og meget følsomme detektorer. Som regel med lavenergi nøytrinoer vil reise mange lysår til samspillet med saken. Resultatet er at alle jord eksperimenter med dem stole på målingen av en liten del som interagerer registratorer rimelig størrelse med. For eksempel, i en nøytrino observatorium Sudbury, inneholdende 1.000 tonn tung vann passerer gjennom detektoren omtrent 1012 solenergi neutrinos per sekund. Og fant bare 30 per dag.

History of oppdagelse

Wolfgang Pauli som først ble antatt at eksistensen av partikler i 1930. På den tid var det et problem, fordi det ut til at den energi og vinkelmoment ikke er lagret i betastråling. Men Pauli påpekes at hvis det ikke blir utsendt neutrinos samvirkende nøytral partikkel, den energisparing lov vil bli observert. Italienske fysikeren Enrico Fermi i 1934 utviklet teorien om betastråling, og ga henne navnet til partikkelen.

Til tross for alle spådommer i 20 år, kan nøytrinoer ikke oppdages eksperimentelt på grunn av sin svake interaksjon med saken. Fordi partiklene er elektrisk ladet, har de ikke opptre elektromagnetiske krefter, og derfor har de ikke forårsaker ionisering av stoffet. I tillegg er de reagerer med den substans bare gjennom svake interaksjoner svak kraft. Derfor er de de mest inntrengende subatomære partikler som er i stand til å passere gjennom et stort antall atomer uten å forårsake noen reaksjon. Bare 1-10 milliarder av disse partiklene som beveger seg gjennom stoffet ved en avstand lik diameteren av jorden, reagerer med protoner eller nøytron.

Til slutt, i 1956 en gruppe amerikanske fysikere, ledet av Frederick Reines rapporterte oppdagelsen av elektronet antinøytrino. I forsøk antineutrinos det utstrålte atomreaktor, til å reagere med et proton, danner nøytroner og positroner. Unike (og sjeldne) energi-signaturer av den sistnevnte biprodukter var bevis for eksistensen av partikkelen.

Åpning ladede leptoner myoner var utgangspunktet for påfølgende identifikasjon av den andre type nøytrinoene - myon. Deres identifikasjon ble utført i 1962 på grunnlag av resultatene av eksperimentet i en partikkelakselerator. Høy energi myoner decay neutrinos dannet av pi-mesoner og rettet til detektoren slik at det var mulig å undersøke deres reaksjon med stoffet. Til tross for det faktum at de er ikke-reaktiv, så vel som andre typer av partikler, ble det funnet at i de sjeldne tilfeller når de reagerer med protoner eller nøytroner, myoner, nøytrinoer myoner, men aldri elektroner. I 1998 ble amerikanske fysikere Leon Lederman, Melvin Schwartz og Dzhek Shteynberger tildelt Nobelprisen i fysikk for identifisering av myon-nøytrinoer.

På midten av 1970-tallet, nøytrinoet fysikk fått en annen type ladde leptoner - tau. Tau-nøytrinoet og tau-antineutrinos var forbundet med denne tredje ladet leptonet. I 2000 fysikere ved National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi rapporterte den første eksperimentelle bevis for eksistensen av denne type partikler.

vekt

Alle typer nøytrinoer har masse, som er mye mindre enn for deres partnere belastet. For eksempel, forsøk viser at massen av elektron nøytrinoet må være mindre enn 0,002% av elektronmassen og summen av massene av de tre variantene bør være mindre enn 0,48 eV. Tanken i mange år at massen til partikkelen er null, selv om det var ingen overbevisende teoretiske bevis, hvorfor det skal være sånn. Deretter, i 2002, ble det Sudbury Neutrino Observatory oppnådd den første direkte bevis for at elektronnøytrino utsendes av kjernereaksjoner i kjernen av solen, så lenge som de passerer gjennom det, endrer sin type. Slike "oscillasjoner" neutrino mulig dersom ett eller flere av partiklene har en liten masse. Deres studier samspillet mellom kosmiske stråler i jordas atmosfære også indikere tilstedeværelse av masse, men ytterligere eksperimenter for å mer nøyaktig definere det.

kilder

Naturlige kilder til neutrinos - en radioaktiv nedbrytning av elementene i jorden, som er emittert ved en stor strøm av lav-energi elektron antinøytrino. Supernovae er fortrinn Neutrino også fenomen, siden disse partiklene kan bare trenge hyperdense materiale dannet i en kollapset stjerne; bare en liten del av energien blir omdannet til lys. Beregninger viser at omtrent 2% av solenergi - energi neutrinos dannet i reaksjoner av termonukleær fusjon. Det er sannsynlig at det meste av mørk materie i universet består av nøytrinoer produsert under Big Bang.

fysikkproblemer

Områder relatert til Neutrino astrofysikk, og varierte og raskt utviklende. Aktuelle problemstillinger som tiltrekker seg et stort antall eksperimentelle og teoretiske arbeid, er følgende:

• Hva er de forskjellige Neutrino massene?
• Hvordan påvirker de kosmologi, Big Bang?
• de svinger?
• Kan en type nøytrino blir til en annen når de reiser gjennom saken og plass?
• Er nøytrinoer fundamentalt forskjellig fra deres antipartikler?
• Hvordan stjerner kollapse å danne en supernova?
• Hva er rollen til nøytrinoer i kosmologi?

En av de langvarige problemene med spesiell interesse er den såkalte solnøytrinoproblemet. Dette navnet refererer til det faktum at i løpet av flere terrestriske eksperimenter utført i løpet av de siste 30 årene, kontinuerlig observert partiklene er mindre enn nødvendig for å gi den energi som utstråles av solen. En mulig løsning er svingningen, dvs. E. Omformingen av elektronnøytrino til myon eller tau i løpet av turen til jorden. Så hvor mye vanskeligere å måle lavenergi myon eller taunøytrino, ville denne typen transformasjon forklare hvorfor vi ikke ser riktig mengde partikler på jorden.

Fjerde Nobelprisen

Nobelprisen i fysikk 2015 ble tildelt Takaaki Kaji og Arthur MacDonald for påvisning av nøytrinoet masse. Dette var den fjerde lik prisen forbundet med eksperimentelle målinger av disse partiklene. Noen kan være interessert i spørsmålet om hvorfor skal vi bry deg så mye om noe som knapt samhandle med vanlig materie.

Det faktum at vi kan oppdage disse flyktige partikler, er et bevis på menneskelig oppfinnsomhet. Siden reglene for kvantemekanikk, sannsynlighets, vet vi at, til tross for at nesten alle av nøytrinoer passerer gjennom jorden, noen av dem vil samhandle med det. Detektoren er i stand til tilstrekkelig stor størrelse blir registrert.

Den første slike enheten ble bygget på sekstitallet, dypt i en gruve i Sør-Dakota. Akselen ble fylt i 400 tusen. L rensevæske. I gjennomsnitt en partikkel neutrino daglig samvirker med et kloratom, omdanner den til argon. Utrolig, Raymond Davis, som var ansvarlig for detektoren, oppfunnet en metode for påvisning av flere argon atomer, og fire år senere, i 2002, for denne fantastiske ingeniørbragd han ble tildelt Nobels fredspris.

ny astronomi

Fordi nøytrinoer samhandle så svakt, kan de reise store avstander. De gir oss et glimt inn i de stedene som ellers ville vi aldri har sett. Nøytrinoer oppdaget Davis, dannet som et resultat av kjernefysiske reaksjoner som fant sted i hjertet av solen, og var i stand til å forlate denne utrolig tett og varmt sete bare fordi de ikke samhandle med andre saken. Du kan til og med oppdage nøytrinoer som slippes ut fra sentrum av en eksplodert stjerne i en avstand på mer enn hundre tusen lysår fra Jorden.

I tillegg er disse partiklene gjør det mulig å observere universet i svært liten skala, mye mindre enn de som kan se inn i Large Hadron Collider i Genève, oppdaget Higgs boson. Det er av denne grunn at Nobelkomiteen besluttet å tildele Nobelprisen for oppdagelsen av nøytrinoet av en annen type.

mystisk mangel

Når Ray Davis observert solcelle nøytrinoer, fant han bare en tredjedel av den forventede mengde. De fleste fysikere mener at årsaken til dette er dårlig kunnskap om astrofysikk of the Sun: kanskje skinte grunnen modellen overvurderte produsert i sin nøytrino beløp. Likevel, i mange år, selv etter at solcelle modeller har bedret seg, forble underskuddet. Fysikere har betalt oppmerksomhet til en annen mulighet: problemet kan være relatert til vår oppfatning av disse partiklene. Ifølge teorien, så seiret de ikke har vekten. Men noen fysikere har hevdet at faktisk partiklene har en forsvinnende masse, og denne massen var årsaken til deres mangel.

Tre-møtt partikkel

Ifølge teorien om nøytrinooscillasjon, i naturen, er det tre forskjellige typer av dem. Dersom en partikkel har en masse, at den beveges og kan passere fra den ene type til en annen. Tre typer - elektroner, myoner og tau-- i vekselvirkning med den substans, kan omdannes til det tilsvarende ladede partikler (elektron og myon tau leptoner). "Oscillation" skyldes kvantemekanikk. neutrino type er ikke konstant. Det endrer seg over tid. Nøytrinoer, som begynte sitt liv som en e-post, kan bli til et myon, og deretter tilbake. Således kan en partikkel dannet i kjernen av solen, på vei til jorden bli periodisk blir omformet til myonnøytrino og vice versa. Siden Davis detektoren kan detektere bare elektron neutrinoer, som kan føre til en nukleær transmutering av klor i argon, syntes det mulig at den manglende nøytrinoet omgjort til andre typer. (Det viser seg at nøytrinoer oscillerer inne i Solen, og ikke på vei til Jorden).

Den kanadiske eksperiment

Den eneste måten å teste dette var å skape en detektor som fungerte for alle tre typer nøytrinoer. Starter fra 90-tallet Arthur McDonald av Queens University i Ontario, ledet han laget, som utføres i en gruve i Sudbury, Ontario. Installasjon inneholder tonn tungtvann, gitt et lån av regjeringen i Canada. Tungtvann er sjelden, men den naturlig forekommende form av vann, karakterisert ved at den hydrogeninneholdende ett proton erstattes av en tyngre isotop deuterium, som omfatter et proton og et nøytron. Kanadiske regjeringen lagret vaksinen tungtvann, m. K. Den brukes som et kjølemiddel i en kjernereaktor. Alle tre typer nøytrinoer kan ødelegge deuterium å danne protoner og nøytroner, nøytronene og deretter telles. Detector registrert om lag tre ganger så mange sammenlignet med Davis - nøyaktig det beløp som best predikerte Sun modeller. Dette tyder på at elektron neutrinos kan svinge i sin andre typer.

japansk eksperiment

Rundt samme tid, Takaaki Kadzita fra University of Tokyo gjennomført en bemerkelsesverdig eksperiment. En detektor er montert på akselen i Japan registrert neutrinos kommer ikke fra det indre av sol, og fra den øvre atmosfære. I proton kollisjoner av kosmisk stråling med atmosfæren dannes skurer av andre partikler, inkludert myonnøytrino. I gruven de omdannes til hydrogenkjerner i myoner. Detector Kadzity kunne se partikler som kommer i to retninger. Noen falt fra ovenfor, som kommer fra atmosfæren, mens andre beveger seg fra bunnen. Antallet partikler var annerledes, som snakket om sin annen karakter - de var på forskjellige punkter i sin oscillasjon syklus.

Revolusjon i Science

Det er alle eksotiske og overraskende, men hvorfor nøytrinooscillasjon og masse tiltrekke seg så mye oppmerksomhet? Grunnen er enkel. I standardmodellen for elementærpartikkelfysikk, utviklet i løpet av de siste femti årene av det tjuende århundre, som riktig beskriver alle de andre observasjoner i akseleratorer og andre eksperimenter, nøytrinoene skulle være masseløst. Oppdagelsen av nøytrino masse indikerer at noe mangler. Standardmodellen er ikke komplett. Mangler elementer ennå å bli oppdaget - med hjelp av Large Hadron Collider eller det andre, men likevel ikke har opprettet virtuell maskin.