Частици на неутрино: дефиниция, свойства, описание. Колебанията на неутрино са ...

Неутрино е елементарна частица, която е много подобна на електрона, но няма електрически заряд. Тя има много малка маса, която дори може да бъде нула. Скоростта на неутрино също зависи от масата. Разликата във времето на пристигане на частицата и светлината е 0.0006% (± 0.0012%). През 2011 г. по време на експеримента OPERA беше установено, че скоростта на неутрино е по-бърза от светлината, но независимият опит не е потвърдил това.

Необичайната частица

Това е една от най-често срещаните частици във Вселената. Тъй като взаимодейства много малко с материята, това е невероятно трудно да се открие. Електроните и неутрините не участват в силни ядрени взаимодействия, но също така участват в слабите. Частиците, притежаващи такива свойства, се наричат ​​лептони. В допълнение към електрона (и неговата античастица, позитрон), заредените лептони включват муон (200 електронни маси), тау (3500 електронни маси) и техните античастици. Те се наричат ​​така: електрон, муон и неутрано. Всеки от тях има антиматериален компонент, наречен antineutrinos.

Мионът и тау, като електрони, имат частици, които ги придружават. Това е муон и тау неутрино. Три типа частици се различават един от друг. Например, когато муони неутрино взаимодействат с мишена, те винаги произвеждат муони, а никога не са тау или електрони. При взаимодействието на частиците, въпреки че могат да бъдат създадени и унищожени електрони и електронутрини, тяхната сума остава непроменена. Този факт води до разделянето на лептоните на три вида, всеки от които притежава зареден лептон и придружаващия го неутрин.

Много големи и изключително чувствителни детектори са необходими за откриване на тази частица. Обикновено, нискоенергийните неутрини ще пътуват в продължение на много светлинни години, преди да взаимодействат с материята. Следователно, всички земни експерименти с тях разчитат на измерването на тяхната малка фракция, взаимодействаща с записващи устройства с разумен размер. Например, в наблюдателната зала "Судбъри неутрино", съдържаща 1000 тона тежка вода, около 1012 слънчеви неутринона на секунда преминават през детектора. И само 30 на ден са намерени.

История на откритието

Волфганг Паули е първият, който постулира съществуването на частица през 1930 г. По това време възникна проблем, защото изглеждаше, че енергията и ъгловият импулс не са се запазили в бета разпад. Но Паули отбеляза, че ако се отделят неутрализиращи неутрални частици от неутрино, ще се спази законът за опазване на енергията. Италианският физик Енрико Ферми през 1934 г. разработи теорията за бета разпад и даде името на частицата.

Въпреки всички предсказания, в продължение на 20 години неутрино не може да бъде открито експериментално поради неговата слабо взаимодействие с веществото. Тъй като частиците не са електрически заредени, електромагнитните сили не действат върху тях и следователно не предизвикват йонизация на веществото. В допълнение, те реагират с материята само чрез слаби взаимодействия с незначителна сила. Следователно, те са най-проникващите субатомни частици, способни да преминат през огромен брой атоми, без да причиняват никаква реакция. Само 1 на 10 милиарда от тези частици, които преминават през материята на разстояние, равно на диаметъра на Земята, реагират с протон или неутрон.

И накрая, през 1956 г. докладва група американски физици, начело с Фредерик Рейнс откриването на електрон-антинеутрино. В нейните опити аненеутринът, излъчван от ядрен реактор, взаимодейства с протони, образувайки неутрони и позитрони. Уникалните (и редки) енергийни подписи на тези странични продукти се превърнаха в доказателство за съществуването на частиците.

Откриването на заредени муонни лептони е началната точка за последващата идентификация на втори тип неутрино-муон. Тяхната идентификация се осъществява през 1962 г. въз основа на резултатите от експеримент с ускорител на частици. Високоенергийните неутрони на муона се образуват от разпадането на пиони и са насочени към детектора по такъв начин, че техните реакции с материята могат да бъдат изследвани. Въпреки факта, че те не са реактивни, както и други видове частици, беше установено, че в редките случаи, когато те реагират с протони или неутрони, мюони, неутрино мюони, но никога не електрони. През 1998 г. американските физици Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джак Стайнбергер получиха Нобеловата награда по физика за идентифицирането на муонните неутрини.

В средата на 70-те години физиката на неутрино се допълва от друг вид заредени лептони - тау. Тау неутрино и тау антинеутрино са били свързани с този трети зареден лептон. През 2000 г. физиците в Националната лаборатория за ускоряване. Енрико Ферми докладва първите експериментални доказателства за съществуването на този тип частици.

тегло

Всички видове неутрино имат маса, която е много по-малка от тази на техните заредени партньори. Например, експериментите показват, че масата на електрон-неутрино трябва да бъде по-малко от 0.002% от електронната маса и че сумата от масите на трите вида трябва да бъде по-малка от 0.48 eV. В продължение на много години изглеждаше, че масата на частицата е нула, въпреки че няма убедителни теоретични доказателства защо това трябва да е така. След това, през 2002 г., Обсерваторията на Sudbury Neutrino е получено първото директно доказателство, че електрон неутрино, излъчвана от ядрени реакции в ядрото на слънцето, толкова дълго, тъй като те преминават през нея, промените типа. Такива "колебания" на неутрино са възможни, ако един или повече видове частици имат определена малка маса. Техните изследвания върху взаимодействието на космическите лъчи в атмосферата на Земята също показват наличието на маса, но са необходими допълнителни експерименти, за да се определи по-точно.

Източници на информация

Естествените източници на неутрино са радиоактивното разграждане на елементи във вътрешността на Земята, при което се отделя голям поток от нискоенергийни електрони - antineutrinos. Суперновите също са преобладаващо неутрално явление, тъй като само тези частици могат да проникнат в супердългатата, образувана в сгъстяващата звезда - само малка част от енергията се превръща в светлина. Изчисленията показват, че около 2% от енергията на Слънцето е нетрайната енергия, произведена в реакции на термоядрени синтез. Вероятно по-голямата част от тъмната материя на Вселената се състои от неутрини, образувани по време на Големия взрив.

Проблеми на физиката

Зоните, свързани с неутрините и астрофизиката, са разнообразни и бързо се развиват. Текущите проблеми, включващи голям брой експериментални и теоретични усилия, са както следва:

• Какви са масите на различни неутрини?
• Как влияят върху космологията на Големия взрив?
• Дали те осцилират?
• Могат ли неутрино от един вид да се превърнат в други, докато пътуват през материя и пространство?
• Дали неутрино са фундаментално различни от техните античастици?
• Как звездите се разпадат и формират супернови?
• Каква е ролята на неутрините в космологията?

Един от дългогодишните проблеми от особен интерес е т.нар. Проблем на слънчевите неутрино. Това име се отнася до факта, че по време на няколко земни експеримента, проведени през последните 30 години, бяха наблюдавани постоянно по-малко частици, отколкото е необходимо за производството на енергия, излъчена от слънцето. Едно от възможните решения е колебанието, т.е. превръщането на електронните неутрино в муонични или тау по време на пътуване до Земята. Тъй като е много по-трудно да се измерват нискоенергийните муонни или тау-неутрини, този вид трансформация може да обясни защо не спазваме правилния брой частици на Земята.

Четвъртата Нобелова награда

Нобеловата награда за физика за 2015 г. бе връчена на Такааки Каджите и Артър Макдоналд за откриване на масата на неутрино. Това беше четвъртата награда, свързана с експерименталните измервания на тези частици. Някой може да се интересува от въпроса защо трябва да се тревожим толкова много за нещо, което трудно взаимодейства с обикновената материя.

Самият факт, че можем да открием тези ефимерни частици, е доказателство за човешката изобретателност. Тъй като правилата на квантовата механика са вероятностни, ние знаем, че въпреки факта, че почти всички неутрини минават през Земята, някои от тях ще взаимодействат с нея. Детектор с достатъчно голям размер може да го регистрира.

Първото такова устройство е построено през 60-те години в мината в Южна Дакота. Мината беше пълна с 400 хиляди литра почистваща течност. Средно една частица неутрини взаимодейства с хлорния атом всеки ден, превръщайки го в аргон. Невероятно, Реймънд Дейвис, който отговаря за детектора, излезе с начин да открие тези няколко аргонови атома и четири десетилетия по-късно през 2002 г. за този невероятен технически подвиг бе удостоен с Нобелова награда.

Нова астрономия

Тъй като неутрините взаимодействат толкова слабо, те могат да пътуват на голямо разстояние. Те ни дават възможност да разгледаме места, които иначе никога не бихме виждали. Неутрино открива Дейвис, образувани в резултат на ядрени реакции, които се състояха в сърцето на слънцето, и са в състояние да напусне този невероятно гъста и горещия стол, само защото те не взаимодействат с други въпроси. Човек дори може да открие неутрин, който лети от центъра на експлодираща звезда на разстояние повече от сто хиляди светлинни години от Земята.

В допълнение, тези частици ни позволяват да наблюдаваме Вселената на нейните малки мащаби, много по-малки от тези, които Големият адронен ускорител в Женева може да види, Хигс бозон. Именно поради тази причина Нобеловият комитет реши да присъди Нобеловата награда за откриването на друг тип неутрино.

Тайнствен недостиг

Когато Рей Дейвис наблюдаваше слънчеви неутрино, той откриваше само една трета от очакваното количество неутрино. Повечето физици вярват, че причината за това е лошото познаване на слънчевата астрофизика: може би моделите на слънцето преоценяват броя на неутрините, произведени в него. Въпреки това, в продължение на много години, дори и след като слънчевите модели се подобриха, дефицитът продължи. Физиците обърнаха внимание на друга възможност: проблемът може да бъде свързан с нашите идеи за тези частици. В съответствие с тогавашната теория те нямат маса. Но някои физици твърдяха, че всъщност частиците имаха безкрайно масивна маса и тази маса беше причината за липсата им.

Триъгълна частица

Според теорията на неутрино трептенията, в природата съществуват три различни вида неутрино. Ако дадена частица има маса, тогава докато тя се движи, тя може да премине от един тип в друг. Три типа - електронни, муонни и тау - могат да взаимодействат с материята в съответните заредени частици (електрон, муон или тау лептон). "Колебанието" се дължи на квантовата механика. Типът неутрино не е постоянен. Той се променя с течение на времето. Неутрино, който започва да съществува като електронно, може да се превърне в муон, а след това обратно. По този начин, частицата, образувана в сърцевината на Слънцето, по пътя към Земята, може периодично да се превърне в муон неутрино и обратно. Тъй като детекторът на "Дейвис" можеше да открие само електронно неутрино, способно да доведе до ядрена трансмутация на хлора в аргон, изглеждаше възможно изчезналите неутрино да се превърнат в други видове. (Както се оказа, неутрино се осцилира в Слънцето, а не по пътя към Земята).

Канадски експеримент

Единственият начин да се провери това беше да се създаде детектор, който да работи за всичките три типа неутрино. От 90-те години на миналия век Артър Макдоналд от Кралския университет в Онтарио ръководи екипа, който е извършил тази операция в мина в Съдбъри, Онтарио. Инсталацията съдържаше тонове тежка вода, предоставена от правителството на Канада. Тежката вода е рядка, но природна форма на водата, в която водородът, съдържащ един протон, се заменя с неговия по-тежък изотопен деутерий, който съдържа протон и неутрон. Канадското правителство съхранява тежка вода, тъй като се използва като охладител в ядрените реактори. И трите вида неутрини биха могли да унищожат деутерий с образуването на протон и неутрон и след това да се преброи неутроните. Детекторът записва около три пъти броя на частиците в сравнение с Дейвис - точно количеството, предсказано от най-добрите модели на Слънцето. Това ни позволи да приемем, че електронно-неутрино може да се колебае до други типове.

Японският експеримент

По същото време Такайки Каджита от университета в Токио проведе друг забележителен експеримент. Детектор, монтиран в мина в Япония, записва неутрино, които не идват от дълбините на слънцето, а от горните слоеве на атмосферата. При сблъсъка на протоните на космическите лъчи с атмосферата се образуват душове от други частици, включително муонните неутрини. В мината те превърнаха ядрото на водорода в муон. Детекторът Каджита може да наблюдава частици, идващи в две посоки. Някои паднаха отгоре, идващи от атмосферата, докато други се движеха отдолу. Броят на частиците е различен, което показва различна природа - те са били в различни точки на циклите на колебанията им.

Купа в науката

Всичко е екзотично и невероятно, но защо колебанията и неутринните маси привличат толкова много внимание към себе си? Причината е проста. В стандартния модел на физиката на елементарните частици, разработен през последните петдесет години на ХХ век, който правилно описва всички други наблюдения в ускорители и други експерименти, неутрина бяха да бъде безтегловни. Откриването на маса на неутрините показва, че нещо липсва. Стандартният модел не е завършен. Липсващите елементи все още не са открити - с помощта на Large Hadron Collider или друга машина, която все още не е създадена.