Содержание
его свойства, энергия, применение в науке
Открытие
Нейтрино все чаще врывается в нашу жизнь потоком научных сообщений и споров, проектами новых экспериментов, которые поражают воображение грандиозными масштабами и внушительной стоимостью. Целая армия ученых во всем мире с невиданным упорством ищет встречи с этой практически неуловимой частицей. И неудивительно — нейтрино владеет ключами от многих тайн природы.
В чем секрет поразительной необщительности нейтрино? Оно не подвержено ни электромагнитным, ни мощным ядерным силам. Физики поставили диагноз: нейтрино — носитель нового очень слабого типа взаимодействия. Но поставить диагноз — еще не значит познать природу явления.
Открытие
Открытие нейтрино было связано с уверенностью исследователей в справедливости фундаментальных законов физики — законов сохранения.
В самом начале XX века при изучении бета-распада радиоактивных ядер физики, как скрупулёзные бухгалтеры, старались свести баланс энергии. Но он никак не сходился: часть энергии исчезала неведомо куда. Таким образом, под угрозой оказался один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии.
Спас положение швейцарский физик Вольфганг Паули, в 1930 году высказавший предположение, что при бета-распаде вместе с электроном рождается какая-то частица-невидимка, которая и уносит недостающую часть энергии. Незамеченной эта частица остаётся потому, что не имеет массы покоя и электрического заряда и не способна отрывать электроны от атома или расщеплять ядра, иными словами, не может производить те эффекты, по которым обычно судят о появлении частицы. К тому же она очень слабо взаимодействует с веществом, а потому может пройти через большую толщу вещества, не обнаруживая себя. Этой частицей и оказалось наше нейтрино.
Едва успели обнаружить нейтрино, как оно нанесло сильнейший удар всему зданию физики.
Американские ученые Т. Д. Ли и Ц. Н. Янг открыли нарушение одного из фундаментальных законов микромира. Оказалось, что нейтрино, как зачарованная красавица, никогда не может увидеть себя в зеркале. Изменение координат на противоположные (именно так «действует» зеркало) играет криминальную роль в его жизни. Оно превращается в античастицу. В зеркале мы увидим уже антинейтрино. И все процессы, в которых участвует нейтрино, несут на себе отпечаток его необычной судьбы.
Загадка космических ливней
Не так давно выяснилось, что нейтрино не следуют правилам поведения, обязательным для остальных частиц. Известно, что чем большую энергию имеет, например, протон, тем более неохотно вступает он в контакт с окружающим веществом. А нейтрино — наоборот. Они становятся все более общительными. Такое изменение «характера» нейтрино влияет прежде всего на его проникающую способность. Если энергия нейтрино очень велика, то для него серьезным препятствием может стать даже атмосфера Земли!
Это необычное свойство нейтрино навело ученых на одну интересную мысль.
В последние годы было обнаружено несколько загадочных широких ливней элементарных частиц, возникающих в атмосфере. Если сложить энергии всех частиц такого ливня, то получится очень большая величина. Физики предполагают, что эти широкие ливни могли быть созданы нейтрино, обладающим такой огромной энергией. Оно прилетает из далекого космоса и застревает в земной атмосфере, порождая гигантские потоки элементарных частиц.
Впрочем, пока зарегистрировано всего лишь около десяти ливней, поэтому смелая гипотеза нуждается в подтверждении.
Посланцы Солнца
Солнце не только согревает и освещает Землю, но и непрерывно облучает ее потоками нейтрино. Сто миллиардов солнечных нейтрино в секунду падает на каждый квадратный сантиметр поверхности нашей планеты. Они возникают в центре Солнца, в бурлящем ядерном котле, где водород превращается в гелий. Нейтрино — побочный продукт этой реакции. Родившись, они тотчас разлетаются во все стороны, легко преодолевая массу солнечного вещества.
Как бы долго вы ни смотрели на поверхность супа, ни за что не догадаетесь, густой он или жидкий. Чтобы узнать это, надо помешать суп ложкой. Не имея градусника, невозможно точно определить и его температуру. Нейтрино могли бы стать и ложкой и термометром для определения свойств глубинных слоев Солнца. Только они приходят на Землю, так сказать, в первозданном виде. Свет — электромагнитные волны, которые вместе с нейтрино возникают в центре нашего светила, теряют полученную при рождении информацию в борьбе с солнечным веществом. Ведь свету неизмеримо труднее, чем нейтрино, пробиться на поверхность. Сталкиваясь по дороге с разными частицами, первичные фотоны порождают другие, уже с меньшей энергией. Те, в свою очередь, вступают в неравную борьбу с веществом, передавая эстафету следующему поколению. До поверхности Солнца через миллионы лет, наконец, добираются уже далекие потомки первых фотонов, которые ничего не помнят о своем происхождении. Пытаться по ним судить о процессах, протекающих в солнечном ядре, — все равно, что гадать на кофейной гуще.
В то же время необходимая ученым информация в виде солнечных нейтрино буквально «носится в воздухе».
Нейтринный маскарад
Астрономические телескопы стараются поднять как можно выше над Землей, чтобы атмосфера не мешала рассмотреть Солнце. «Увидеть» его с помощью нейтрино можно, лишь забравшись поглубже под землю, где фон от космического излучения достаточно мал. «Нейтринный телескоп», который был использован для поисков солнечных нейтрино, устроен очень просто. Это огромный резервуар — более пятисот тонн жидкости, содержащей хлор и обычно используемой для чистки одежды. Столкнувшись с ядрами атомов хлора, нейтрино превращает их в радиоактивные ядра атомов аргона, число которых легко подсчитать с помощью обычного счетчика элементарных частиц. Можно «выловить» даже несколько атомов аргона из всей огромной массы жидкости, находящейся в резервуаре.
Естественно, что чем дольше будет облучаться бак с жидкостью, тем больше накопится в нем таких нейтринных следов. Три месяца нейтринный телескоп не спускал «глаз» с Солнца, причем наблюдение велось круглосуточно: в нейтринных лучах ночью его видно так же хорошо, как и днем.
Но все было напрасно. После облучения не удалось обнаружить ни одного атома аргона в жидкости. Поток солнечных нейтрино оказался, по крайней мере, в десять раз меньше расчетного…
Физиков это не обескуражило. «Расчеты ожидаемого числа нейтрино, — говорят одни, — и не могли претендовать на абсолютную бесспорность, так как основывались на весьма косвенных данных». С другой стороны, можно предположить, как это делает академик Б. М. Понтекорво, что причина неудачи опыта лежит в необычных свойствах самого нейтрино.
Типы нейтрино
Нейтрино не одиноко на белом свете. Существует два типа таких частиц — электронные нейтрино, вылетающие вместе с электронами при радиоактивном распаде ядер, и мюонные, возникающие в паре с мю-мезоном при распаде более тяжелой нестабильной частицы. Их приметы совершенно одинаковые. Но, как и очень похожие близнецы, они отличаются друг от друга своим поведением: участвуют в разных ядерных реакциях.
Не исключено, что свободные электронные нейтрино не всегда остаются электронными, а мюонные — мюонными.
Возможно, что в вакууме электронные нейтрино самопроизвольно превращаются в мюонные и наоборот.
Что же получается? В реакцию с хлором могут вступать только электронные нейтрино. Именно такие частицы и испускает солнечный ядерный котел. Но если по дороге на Землю электронные нейтрино успевают частично превратиться в мюонные, то пойманных невидимок будет значительно меньше, чем их есть на самом деле.
Может быть, нейтринный маскарад — и есть причина нынешней неудачи в охоте за солнечными нейтрино. Первая попытка не удалась. Сейчас идет перевооружение. Экспериментаторы готовятся к новой встрече с посланцами Солнца.
Нейтринное цунами
Много интересного «знают» нейтрино, обрушивающиеся на Землю из далекого космоса. Они доносят до нас мощное дыхание огромных горячих звезд. Энергия теплового излучения этих звезд столь велика, что в их недрах постоянно возникают пары легких частиц — электронов и позитронов. Сталкиваясь друг с другом, они опять превращаются в фотоны теплового излучения.
Казалось бы, эта игра, в которой фотоны и электрон-позитронные пары, как мяч, перебрасывают друг другу энергию, может продолжаться бесконечно долго.
Но нет. Как только температура звезды достигает сотни миллионов градусов, в жизни звезды наступает драматический перелом. При такой температуре некоторые электрон-позитронные пары превращаются не в фотоны, а в пару нейтрино-антинейтрино. Эти частицы уже никогда не столкнутся друг с другом. Заменив в игре электрон-позитронных партнеров, они не передают мяч — энергию, а как озорные мальчишки, нарушая все правила, уносят его (точнее, ее) с собой.
Эта энергия потеряна для звезды навсегда. И чем выше ее температура, тем больше нейтрино она испускает. Они играют роль окна, распахнутого на улицу из жарко натопленной комнаты. Чтобы комната не остыла, в печь надо подкладывать все больше дров. Так и звезда начинает все интенсивнее расходовать свое термоядерное топливо. Как и температура печи в комнате, повышается температура ее недр, а вместе с ней увеличивается и число испускаемых нейтрино.
В последние столетия своей жизни звезды, по-видимому, в основном теряют энергию в виде нейтрино, а не света.
Эти частицы так быстро расхищают энергетические запасы звезды, что наступает момент, когда ей уже нечем восполнить эту убыль. Горючее звезды — водород — полностью «выгорел». Но звезда не остывает. Как организм человека съедает сам себя при голодании, так и звезда, по-видимому, начинает расходовать гравитационную энергию своей массы.
Начинается катастрофически быстрое сжатие звезды — коллапс. Интенсивность нейтринного потока невероятно возрастает. В течение сотых долей секунды звезда «выдыхает» больше нейтрино, чем было испущено ею за всю жизнь. По современным представлениям так заканчивают свою эволюцию все звезды с массой большей, чем у Солнца.
Иногда во время коллапса от звезды отделяется небольшая часть, которая с громадной скоростью расширяется. Астрономы наблюдают свечение этого облака — так называемую вспышку сверхновой. Возможно, что другие звезды коллапсируют спокойно, обходясь без фейерверка.
Если вспышка сверхновой произойдет в центре нашей Галактики, то мощная нейтринная волна достигнет и нашей планеты. По оценкам, сделанным учеными, ее можно будет зарегистрировать в счетчике, содержащем несколько сотен тонн жидкости. Если несколько таких нейтринных счетчиков расположить в разных местах земного шара, то по последовательности зарегистрированных ими нейтринных сигналов можно будет определить, откуда пришла нейтринная волна.
Вспышки сверхновых — довольно редкое явление: примерно, одна сверхновая за 300 лет в нашей Галактике. Но если верно предположение о механизме «тихого» коллапса, то нейтринное цунами должно обрушиваться на Землю гораздо чаще — почти раз в месяц! Если когда-нибудь удастся зарегистрировать их, то мы получим возможность, не покидая Земли, узнать об интереснейшем периоде в жизни звезд.
Космические линзы
Гравитационному притяжению подвластно все, что имеет массу. Нейтрино не составляют исключения. Хотя масса нейтрино, точнее, масса покоя этой частицы, как и масса покоя фотона, равна нулю, в движении она приобретает инерционную массу.
Поэтому, если поток нейтрино от какой-либо звезды встретит на своем пути другую звезду или планету, то с ним случится то же самое, что и с параллельным пучком света, падающим на оптическую линзу. Гравитационное поле космического тела, например, звезды, сфокусирует нейтринный поток на определенном расстоянии от своего центра. Это нейтринное фокусное расстояние зависит только от радиуса и плотности звезды.
Солнце тоже может играть роль такой гравитационной линзы. Оно фокусирует нейтринное изображение звезды в точке, удаленной на сто миллиардов километров от своего центра, то есть на расстоянии, в двадцать раз большем радиуса орбиты самой удаленной планеты солнечной системы — Плутона. Линза-Земля, обращаясь вокруг Солнца, тоже непрерывно фокусирует солнечные нейтрино. Нейтринное изображение Солнца вслед за движением нашей планеты перемещается в пространстве на расстоянии в тысячу миллиардов километров от ее центра.
Прозрачность гравитационных линз лучше, чем у обычных оптических: ведь свет частично поглощается линзами, а поток нейтрино проходит через звезду практически без потерь.
Звезда-линза не вызывает и разброса частиц, дисперсию. Нейтрино любых энергий фокусируются совершенно одинаковым образом.
Ученый И. Лапидес предполагает, что, используя фокусирующие свойства массивных космических тел, можно было бы «построить» нейтринный телескоп для поисков источников нейтринного излучения. Представим себе, что очень большой космический корабль с хорошо защищенным от космических лучей нейтринным детектором на борту выведен на околосолнечную орбиту с радиусом, равным нейтринному фокусному расстоянию нашего светила. Если корабль движется по поверхности сферы такого радиуса, то можно «прощупывать» участки пространства, расположенные за Солнцем. Как только на линии, соединяющей космический корабль с центром Солнца, окажется испускающая нейтрино звезда, детектор на космическом корабле зарегистрирует резкое увеличение потока нейтрино.
Для такой цели вполне подошел бы космический корабль, движимый взрывами водородных бомб, над проектом которого работал физик-теоретик Ф.
Дайсон. Он считает, что корабль грузоподъемностью в десятки и сотни тысяч тонн может быть построен уже на основе Современного уровня науки и техники.
Ровесники Вселенной
Мы не знаем, что происходит на Солнце в данный миг. Только через восемь минут световые лучи или солнечные нейтрино сообщат, нам, что Солнце работает нормально…
Последний крик коллапсирующей где-то на краю Галактики звезды дойдет до нас через много тысяч лет мощным всплеском нейтринной волны или судорогой гравитационного поля. Но как ни долог путь этих вестников далеких событий, мы узнаем голос знакомой нам Вселенной. А такой ли она была миллиарды лет назад?
Если правы ученые, то 10—15 миллиардов лет назад Вселенная совсем не походила на то, что мы сейчас подразумеваем под этим словом. Тогда еще не было звезд, не было Галактики. Существовала лишь сверхплотная раскаленная материя, состоящая из отдельных элементарных частиц, смешанных с излучением.
Как это ни фантастично, но, по-видимому, до сих пор живы свидетели, видевшие такую Вселенную.
На одной из самых ранних стадий ее развития, в так называемую «лептонную эру», основную роль должны были играть легкие частицы-лептоны (мюоны, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино). Затем нейтрино оторвались от остальной Вселенной, повели независимый образ жизни и поныне скитаются в ее просторах. Многое изменилось с тех пор во Вселенной. Но нейтрино — ее ровесники — еще помнят о том, чему были свидетелями.
Уже обнаружено реликтовое космическое тепловое излучение, которое, как и нейтрино, возникло на ранней стадии эволюции Вселенной. Если бы удалось найти реликтовые нейтрино, то это позволило бы окончательно решить вопрос о «горячем климате», царившем во Вселенной впервые секунды и минуты ее существования.
Но надежды встретиться с реликтовыми нейтрино пока невелики. Энергия их так мала, что еще неизвестны достаточно надежные методы, чтобы суметь их зарегистрировать. И все-таки, как считает академик Я. Б. Зельдович, «…поиски реликтовых нейтрино, какими бы сложными они не оказались, чрезвычайно важны…
Автор: В.
Черногорова.
В чем уникальность нейтрино и какие тайны они могут нам открыть
Нейтрино — самые загадочные фундаментальные частицы Стандартной модели. В чем их уникальность, зачем тратят столько усилий на их исследования и какие тайны они могут нам открыть? Объясняет главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов.
Частица из странности
Нейтрино предсказал в 1930-е немецкий физик Вольфганг Паули, существованием этой частицы он объяснял очень странное явление. Во время бета-распада ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса во всех распадах электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперименты показали, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.
Паули предположил, что в процессе деления ядра появляется еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы ее зафиксировать не могут.
В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на новое ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.
Лишь в конце 1950-х нейтрино удалось наконец зарегистрировать. Представим мысленно еще раз весь процесс: распад ядра на другое ядро и появление электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, создающий такие распады, и есть поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеивается на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе из ниоткуда, вы можете сделать вывод, что это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Это и является основным убедительным средством регистрации нейтрино.
Такие разные
Как есть электроны и позитроны, частицы и античастицы — так есть нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникает в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — если появляется позитрон, то есть происходит прямой бета-распад и обратный бета-распад.
Есть электроны и соответствующий им тип нейтрино — электронный, и есть аналоги, лептоны второго и третьего поколений: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. У электрона, мюона и тау-лептона электрический заряд –1, а нейтрино — нейтральные частицы. Когда мы говорим, что зарегистрировали мюонное нейтрино, это значит, что оно было зарегистрировано в том процессе, когда появляется мюон; нейтрино электронное — когда появляется электрон; тау-нейтрино — когда появляется тау-лептон.
Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — тау-антинейтрино. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что такие частицы существуют.
Проходят сквозь стены
Нейтрино очень тяжело экспериментально изучать. Они свободно проходят через все преграды. Чтобы остановить нейтрино, нужно построить стенку, например, из свинца, шириной от Солнца до следующей звезды.
Так что остается только описанный выше опосредованный способ регистрации — по результатам взаимодействия нейтрино с ядром.
Но есть и плюс: так как для нейтрино нет преград, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором этот источник находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг в режиме реального времени. Тот же принцип действует и в случае с ядерным реактором: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там происходят.
А если говорить о неядерных процессах и нейтрино более высоких энергий? У таких нейтрино длина свободного пробега относительно взаимодействия в веществе с энергией падает, и если, например, энергия нейтрино в 100 раз больше, чем масса протона, вещество становится не совсем прозрачным, то есть нейтрино все-таки с ним взаимодействует. Соответственно, немножко искажается поток этих нейтрино. Представим следующий процесс: космические лучи летят к Земле, взаимодействуют в атмосфере, в результате рождаются частицы второго или третьего поколения, которые распадаются за счет слабых процессов.
Появляются энергичные нейтрино, которые проходят через центр Земли, вступают в реакции с веществом внутренних оболочек планеты. Мы можем поставить детектор на выходе, а потом сравнить поток вторичных и первичных нейтрино. Таким образом можно определить характеристики вещества Земли, то есть распределение плотных и неплотных компонентов. Получится своеобразный рентгеновский снимок или эхограмма нашей планеты.
Применений у нейтрино много, но, чтобы ими пользоваться, нужно разобраться в физике нейтрино и понимать, как они взаимодействуют в тех или иных случаях.
В поисках стерильного
С нейтрино связаны странные процессы: например, превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого — это называется нейтринными осцилляциями. За исследования в этой области уже присудили несколько Нобелевских премий по физике.
В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми частицами и подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. У каждого из них есть свой «близнец» — антинейтрино.
Согласно одной из гипотез, кроме трех перечисленных поколений нейтрино существует еще и четвертое — стерильные нейтрино. Эти частицы не участвуют даже в слабом взаимодействии, отчего зарегистрировать их крайне сложно.
Обнаружить их можно по факту уменьшения потока антинейтрино в процессе осцилляций — при переходе «обычных» нейтрино в стерильные и обратно.
Сейчас в России проводят три эксперимента, цель которых — поиск стерильных нейтрино, все эти исследования поддерживает «Росатом». Первый эксперимент, DANSS, проходит на Калининской АЭС. В качестве источника нейтрино используется ядерный реактор одной из энергетических установок. На станции стоит детектор, который регистрирует антинейтрино, приходящие из ядерного реактора.
Второй эксперимент — «Нейтрино‑4». Его проводят в Димитровграде на исследовательском реакторе СМ‑3 в НИИАР. Третий, BEST, проводится в Кабардино-Балкарии, в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Там в качестве источника нейтрино используют короткоживущий изотоп хром‑51.
По результатам взаимодействия нейтрино с детектирующим веществом (галлием) судят о том, есть стерильное нейтрино или нет. Эксперименты по изучению нейтринных осцилляций, конечно, проводят не только в России. В Китае, например, проходит реакторный нейтринный эксперимент Daya Bay, в международную коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран, в том числе из России. Там источник антинейтрино — шесть ядерных реакторов, а в трех залах, на расстоянии от 500 до 1800 м от источника, расположены восемь антинейтринных детекторов.
Многие слышали про эксперимент IceCube, который проводится в Антарктике. Глубоко подо льдом, на расстоянии от 1450 до 2450 м друг от друга, расположены тросы с прикрепленными к ним детекторами. Как мы помним, только нейтрино могут пройти Землю насквозь, так что IceCube регистрирует нейтрино, пришедшие из Северного полушария.
В японской подземной лаборатории находится детектор Super-Kamiokande — там работал японский ученый Такааки Кадзита, получивший Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций.
А в США в начале 2020-х планируется эксперимент DUNE. Там осцилляции нейтрино будут изучать одновременно два детектора: ближний (в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, где расположен ускоритель) и дальний, который будет находиться на расстоянии 1300 км, в Сэнфордской подземной исследовательской лаборатории.
Теоретические предсказания, касающиеся стерильных нейтрино, ученые пытаются уточнить уже на протяжении десятка лет, однако пока нельзя говорить о том, что какой-то эксперимент имеет стопроцентный успех.
Тем не менее это новая физика, которая сейчас активно развивается. Вне зависимости от результатов этих экспериментов мы существенно расширим наши знания об устройстве мира и дополним (или опровергнем) Стандартную модель.
Есть интересная история?
Напишите нам
Читайте также:
Нейтрино исполняется 60 лет | журнал симметрии
В 1930 году Вольфганг Паули предположил существование новой крошечной частицы без электрического заряда.
Предполагалось, что частица очень легкая — или, возможно, вообще не имеет массы — и почти никогда не взаимодействует с материей. Позднее Энрико Ферми назвал эту загадочную частицу «нейтрино» (или «маленькой нейтральной частицей»).
Хотя нейтрино очень много, ученым потребовалось 26 лет, чтобы подтвердить их существование. За 60 лет, прошедших с момента открытия нейтрино, мы постепенно узнавали об этой интригующей частице.
«Кажется, что ученым требуется десятилетие или два, чтобы придумать эксперименты, чтобы начать исследовать следующее свойство нейтрино», — говорит Кит Риладж, исследователь нейтрино в Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики. . «И как только мы это делаем, нам часто приходится чесать затылок, потому что нейтрино действует не так, как мы ожидаем. Так что нейтрино с самого начала было захватывающей частицей».
Теперь мы знаем, что на самом деле существует три типа или «аромата» нейтрино: электронные, мюонные и тау. Мы также знаем, что нейтрино меняются, или «колеблются», между тремя типами, когда они путешествуют в пространстве.
Поскольку нейтрино колеблются, мы знаем, что они должны иметь массу.
Однако остается много вопросов о нейтрино, и в поиске ответов участвуют ученые и экспериментаторы по всему миру.
Тайна недостающей энергии
Паули придумал нейтрино, пытаясь решить проблему сохранения энергии в конкретной реакции, называемой бета-распадом. Бета-распад — это способ сделать нестабильный атом более стабильным, например, путем превращения нейтрона в протон. В этом процессе испускается электрон.
Если бы нейтрон превратился только в протон и электрон, их энергии были бы точно определены. Однако эксперименты показали, что электрон не всегда появляется с определенной энергией — вместо этого электроны демонстрируют диапазон энергий. Чтобы объяснить этот диапазон, Паули предположил, что в бета-распаде должна участвовать неизвестная нейтральная частица.
«Если бы в бета-распаде участвовала другая частица, все три частицы делили бы энергию, но не всегда одинаково», — говорит Дженнифер Рааф, исследователь нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории Ферми при Министерстве энергетики США.
«Поэтому иногда вы могли получить электрон с высокой энергией, а иногда — с низкой энергией».
В начале 1950-х годов физик из Лос-Аламоса Фредерик Рейнс и его коллега Клайд Коуэн решили обнаружить эту крошечную нейтральную частицу с очень слабым взаимодействием.
В то время нейтрино были известны как таинственные «призрачные» частицы, которые окружают нас повсюду, но в основном проходят прямо через материю и забирают энергию в бета-распадах. По этой причине поиск Рейнса и Коуэна по обнаружению нейтрино стал известен как «Проект Полтергейст».
«Название казалось логичным, потому что они, по сути, пытались изгнать призрака», — говорит Рилаге.
Поймать частицу-призрак
«История открытия нейтрино интересна и в некотором смысле могла случиться только в Лос-Аламосе, — говорит Риэлидж.
Все началось в начале 1950-х. Работая в Лос-Аламосе, Рейнс руководил несколькими проектами по испытанию ядерного оружия в Тихом океане, и его интересовали вопросы фундаментальной физики, которые можно было исследовать в рамках испытаний.
Считалось, что ядерный взрыв создает интенсивный выброс антинейтрино, и Рейнс подумал, что можно спланировать эксперимент, чтобы обнаружить некоторые из них. Рейнс убедил Коуэна, своего коллегу из Лос-Аламоса, поработать с ним над разработкой такого эксперимента.
Первой идеей Райнеса и Коуэна было разместить большой жидкостный сцинтилляционный детектор в шахте рядом с испытательным полигоном ядерного взрыва в атмосфере. Но потом придумали получше — поставить детектор рядом с ядерным реактором.
Итак, в 1953 году Рейнс и Коуэн направились к большому ядерному реактору в Хэнфорде, штат Вашингтон, со своим 300-литровым детектором по прозвищу «Герр Оге» (по-немецки «мистер Глаз»).
Хотя Рейнс и Коуэн действительно обнаружили небольшое увеличение нейтриноподобных сигналов, когда реактор был включен, по сравнению с тем, когда он был выключен, шум был подавляющим. Они не могли окончательно заключить, что слабый сигнал был вызван нейтрино. В то время как защита детектора препятствовала проникновению нейтронов и гамма-лучей из реактора, она не могла остановить поток космических лучей, падающих из космоса.
В течение следующего года Рейнс и Коуэн полностью переделали свой детектор, сделав его трехслойной конфигурацией, которая позволила бы им четко различать сигнал нейтрино и фон космических лучей. В конце 1955 года они снова отправились в путь со своим новым 10-тонным детектором — на этот раз к мощному ядерному реактору на заводе в Саванна-Ривер в Южной Каролине.
Более пяти месяцев Рейнс и Коуэн собирали данные и анализировали результаты. В июне 1956 года они отправили Паули телеграмму. В нем говорилось: «Мы рады сообщить вам, что мы окончательно обнаружили нейтрино».
1930
Вольфганг Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино, чтобы объяснить проблему сохранения энергии при бета-распаде.
Изображение предоставлено Беттиной Катценштейн / ETH Zürich
1934
Энрико Ферми предлагает теорию, включающую гипотетическую частицу Паули, которую он называет «нейтрино» (по-итальянски «маленькая нейтральная частица»).
Ганс Бете и Рудольф Пайерлс подсчитали, что вероятность взаимодействия нейтрино с материей чрезвычайно мала, и пришли к выводу, что практически невозможно наблюдать нейтрино.
Изображение предоставлено Министерством энергетики, Управление по связям с общественностью
1956
Группа ученых под руководством физиков Фредерика Рейнса и Клайда Коуэна наблюдает за первым свидетельством существования нейтрино, регистрируя электронные антинейтрино, производимые ядерным реактором на заводе в Саванна-Ривер. .
Изображение предоставлено ЦЕРН
1957
Бруно Понтекорво выдвигает гипотезу о том, что нейтрино могут колебаться или переходить из одного типа в другой.
Изображение предоставлено Марио Де Биази (Mondadori Publishers)
1958
Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории определили, что нейтрино всегда имеют левостороннюю спиральность (направление их вращения противоположно направлению их движения).
Изображение предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией
1962
Группа ученых под руководством Леона Ледермана, Мела Шварца и Джека Стейнбергера обнаружила существование второго типа нейтрино, мюонного нейтрино, в ходе эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Изображение предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией
1968
Химик Рэй Дэвис первым обнаружил электронные нейтрино, испускаемые Солнцем. Однако его эксперимент в шахте Хоумстейк обнаруживает только одну треть предсказанного количества солнечных нейтрино, что приводит к «проблеме солнечных нейтрино».
Изображение предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией. бозон Z.
Изображение предоставлено ЦЕРН
1975
Существование тау-нейтрино постулируется после того, как Мартин Перл и его коллеги из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые обнаружили заряженный тау-лептон.
Изображение предоставлено SLAC
1985
Коллаборация Kamiokande в Японии и коллаборация IMB в США обнаруживают атмосферные нейтрино, которые образуются при взаимодействии космических лучей с частицами в атмосфере. Однако эксперименты обнаруживают меньшее отношение мюонных нейтрино к электронным нейтрино, чем предсказывалось, что приводит к «аномалии атмосферных нейтрино».
Изображение предоставлено Мичиганским университетом
1987
Коллаборации Kamiokande и IMB впервые обнаружили нейтрино, испускаемые взрывающейся звездой Supernova 1987A.
Изображение предоставлено ESA/Hubble & NASA
1988
Леон Ледерман, Мел Шварц и Джек Стейнбергер удостоены Нобелевской премии по физике за открытие мюонного нейтрино.
Изображение предоставлено ЦЕРН
1989
Ученые из ЦЕРН и Национальной ускорительной лаборатории SLAC сообщают о доказательствах существования только трех типов легких нейтрино (электронных, мюонных и тау).
Изображение предоставлено ЦЕРН
1995
Фредерик Рейнс удостоен доли Нобелевской премии по физике за открытие электронного нейтрино.
1998
Коллаборация Super-Kamiokande в Японии объявляет о первом свидетельстве осцилляций нейтрино, что подразумевает, что нейтрино имеют массу. Эксперимент показывает исчезновение атмосферных мюонных нейтрино по мере их перемещения от точки их происхождения к подземному детектору.
Изображение предоставлено Обсерваторией Камиока, ICRR (Институт исследования космических лучей), Токийский университет
2000
Ученые в рамках эксперимента DONUT в Национальной ускорительной лаборатории Ферми впервые наблюдали третий тип нейтрино, тау-нейтрино.
Изображение предоставлено Fermilab
2001
Коллаборация SNO в Канаде объявляет о первом свидетельстве осцилляции солнечных нейтрино.
Изображение предоставлено SNO
2002
Коллаборация SNO объявила об убедительных доказательствах осцилляции солнечных нейтрино.
Рэй Дэвис и Масатоси Косиба удостоены доли Нобелевской премии по физике за первое обнаружение нейтрино космического происхождения.
Изображение предоставлено SNO
2004
Коллаборация KamLAND в Японии объявляет о свидетельствах повторного появления электронных антинейтрино при регистрации антинейтрино, производимых ядерным реактором, что указывает на осцилляции антинейтрино.
Изображение предоставлено Стэнфордским университетом
2005
Коллаборация KamLAND объявляет о первом обнаружении геонейтрино, которые образуются внутри Земли.
Изображение предоставлено Стэнфордским университетом
2010
Коллаборация OPERA в Национальной лаборатории дель Гран-Сассо в Италии впервые обнаружила тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Мюонное нейтрино колебалось на своем пути от ЦЕРНа до Гран-Сассо.
Изображение предоставлено OPERA
2015
Такааки Кадзита из эксперимента «Супер-Камиоканде» и Артур Макдональд из эксперимента SNO удостоены Нобелевской премии по физике за вклад в обнаружение нейтринных осцилляций.
Изображения предоставлены Бенгтом Найманом
1930
1934
1956
1957
1958
1962
1968
1973
1975
1985
1987
1988
1989
1995
1998
2000
2001
2002
2004
2005
2010
2015
Предыдущий
Следующий
Разгадка очередной загадки нейтрино
В 1960-х годах началась новая загадка, связанная с нейтрино — на этот раз в золотом руднике в Южной Дакоте.
Рэй Дэвис, химик-ядерщик из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, разработал эксперимент по обнаружению нейтрино, образующихся в реакциях на Солнце, также известных как солнечные нейтрино. В нем был большой детектор на основе хлора, расположенный в миле под землей в шахте Хоумстейк, который обеспечивал защиту от космических лучей.
В 1968 году эксперимент Дэвиса впервые обнаружил солнечные нейтрино, но результаты оказались загадочными. Астрофизик Джон Бахколл рассчитал ожидаемый поток нейтрино от Солнца, то есть количество нейтрино, которое должно быть обнаружено в определенной области за определенное время. Однако в ходе эксперимента было обнаружено только около одной трети предсказанного количества нейтрино. Это несоответствие стало известно как «проблема солнечных нейтрино».
Сначала ученые думали, что проблема в эксперименте Дэвиса или в модели Солнца, но никаких проблем обнаружено не было. Постепенно ученые начали подозревать, что на самом деле проблема связана с нейтрино.
«Кажется, нейтрино всегда нас удивляют, — говорит Рилаж. «Мы думаем, что что-то довольно просто, а оказывается, что это не так».
Ученые предположили, что нейтрино могут колебаться или переходить из одного типа в другой, путешествуя в космосе. Эксперимент Дэвиса был чувствителен только к электронным нейтрино, поэтому, если нейтрино колеблются и достигают Земли в виде смеси трех типов, это объясняет, почему эксперимент обнаруживает только одну треть из них.
В 1998 году эксперимент Супер-Камиоканде в Японии впервые обнаружил осцилляции атмосферных нейтрино. Затем, в 2001 году, Нейтринная обсерватория Садбери в Канаде объявила о первом свидетельстве осцилляций солнечных нейтрино, за которым последовали убедительные доказательства в 2002 году. Спустя более 30 лет ученые смогли подтвердить, что нейтрино осциллируют, тем самым решив проблему солнечных нейтрино.
«Тот факт, что нейтрино колеблются, интересен, но важно то, что он говорит нам о том, что нейтрино должны иметь массу», — говорит Габриэль Ореби Ганн, исследователь нейтрино из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики. и сотрудник SNO. «Это огромно, потому что в Стандартной модели не ожидалось, что нейтрино будет иметь массу».
Тайны за пределами Стандартной модели
Стандартная модель — теоретическая модель, описывающая элементарные частицы и их взаимодействия — не включает механизм, при котором нейтрино имеют массу. Открытие осцилляции нейтрино нанесло серьезный удар по чрезвычайно точной картине субатомного мира.
«Важно взглянуть на эту картинку и посмотреть, какие ее части выдерживают экспериментальные испытания, а какие еще нуждаются в дополнительной информации», — говорит Рааф.
После 60 лет изучения нейтрино осталось несколько загадок, которые могут открыть окно в физику за пределами Стандартной модели.
Является ли нейтрино собственной античастицей?
Нейтрино уникально тем, что потенциально может быть собственной античастицей. «Единственное, что мы знаем на данный момент, что отличает материю от антиматерии, — это электрический заряд», — говорит Ореби Ганн. «Итак, для нейтрино, у которого нет электрического заряда, возникает очевидный вопрос — в чем разница между нейтрино и его партнером из антиматерии?»
Если нейтрино не является собственной античастицей, должно быть что-то помимо заряда, отличающее антиматерию от материи. «В настоящее время мы не знаем, что это будет, — говорит Ореби Ганн. «Это будет то, что мы называем новой симметрией».
Ученые пытаются определить, является ли нейтрино собственной античастицей, исследуя безнейтринный двойной бета-распад. Эти эксперименты ищут события, в которых два нейтрона распадаются на протоны одновременно. Стандартный двойной бета-распад произвел бы два электрона и два антинейтрино. Однако, если нейтрино является собственной античастицей, два антинейтрино могут аннигилировать, и в результате распада останутся только электроны.
Несколько предстоящих экспериментов будут направлены на поиск безнейтринного двойного бета-распада. К ним относятся эксперимент SNO+ в Канаде, эксперимент CUORE в Национальной лаборатории дель Гран-Сассо в Италии, эксперимент EXO-200 на экспериментальном заводе по изоляции отходов в Нью-Мексико и эксперимент MAJORANA в подземном исследовательском центре Сэнфорда в бывшем Хоумстеке. шахта в Южной Дакоте (та самая шахта, в которой Дэвис провел свой знаменитый эксперимент с солнечными нейтрино).
Каков порядок или «иерархия» массовых состояний нейтрино?
Мы знаем, что нейтрино имеют массу и что три состояния массы нейтрино немного различаются, но мы не знаем, какое из них самое тяжелое, а какое — самое легкое. Ученые стремятся ответить на этот вопрос с помощью экспериментов, изучающих нейтрино, когда они колеблются на больших расстояниях.
Для этих экспериментов на ускорителе создается пучок нейтрино, который направляется через Землю к далеким детекторам. Такие эксперименты с длинной базой включают эксперимент T2K в Японии, эксперимент NOvA в Fermilab и запланированный эксперимент Deep Underground Neutrino.
Какова абсолютная масса нейтрино?
Чтобы попытаться измерить абсолютную массу нейтрино, ученые возвращаются к реакции, которая впервые сигнализировала о существовании нейтрино — бета-распада. Эксперимент KATRIN в Германии направлен на непосредственное измерение массы нейтрино путем изучения трития (изотопа водорода), который распадается в результате бета-распада.
Существует ли более трех типов нейтрино?
Ученые выдвинули гипотезу о другом, еще более слабо взаимодействующем типе нейтрино, называемом «стерильным» нейтрино. Чтобы найти доказательства существования стерильных нейтрино, ученые изучают нейтрино, когда они перемещаются на короткие расстояния.
В рамках программы нейтрино с короткой базой в Фермилабе ученые будут использовать три детектора для поиска стерильных нейтрино: детектор нейтрино с короткой базой, MicroBooNE и ICARUS (детектор нейтрино, который ранее работал в Гран-Сассо). Гран-Сассо также проведет предстоящий эксперимент под названием SOX, который будет искать стерильные нейтрино.
Нарушают ли нейтрино «симметрию зарядовой четности (CP)»?
Ученые также используют эксперименты с длинной базой для поиска того, что называется CP-нарушением. Если бы при Большом взрыве образовалось равное количество материи и антиматерии, все они должны были бы аннигилировать. Поскольку Вселенная содержит материю, что-то должно было привести к тому, что материи стало больше, чем антиматерии. Если нейтрино нарушают CP-симметрию, это может помочь объяснить, почему материи больше.
«Отсутствие ответов на все вопросы о нейтрино делает его интересным, — говорит Рилаге. «Проблемы, которые остались, сложны, но мы часто шутим, что если бы это было легко, кто-то уже разобрался бы с этим. Но это то, что мне в этом нравится — мы должны действительно мыслить нестандартно в поисках ответов».
Нейтринная физика | Аргоннская национальная лаборатория
Обладая точным знанием смешивания нейтрино, теперь можно начать использовать нейтрино в качестве инструмента для понимания того, почему Вселенная построена из материи, а не из антиматерии — один из фундаментальных вопросов Вселенной.
Экспериментальная нейтринная физика сосредоточена на измерении массы и других свойств нейтрино, которые могут иметь важные последствия для понимания эволюции Вселенной. За последние несколько десятилетий физики элементарных частиц накопили экспериментальные данные о свойствах основных составляющих материи, включая нейтрино, чтобы объяснить, как нейтрино взаимодействуют с материей и как эти призрачные частицы распространяются на большие расстояния. Мы открыли явление осцилляции нейтрино, квантово-механический эффект, который возможен только в том случае, если нейтрино переносят массы и смешиваются между собой.
Почему это важно? Обладая точным знанием смешивания нейтрино, теперь можно начать использовать нейтрино в качестве инструмента для понимания того, почему Вселенная построена из материи, а не из антиматерии — один из фундаментальных вопросов Вселенной. Идея состоит в том, чтобы создавать пучки нейтрино (т. е. частиц) и антинейтрино (т. е. античастиц) и измерять свойства их смешивания с помощью детекторов вдали от источников частиц.
Аргонн был лидером в области физики нейтрино с момента разработки двенадцатифутовой пузырьковой камеры в 19 веке.70-х годов и путем создания луча NuMI для эксперимента MINOS. Физики из Аргоннской национальной лаборатории сыграли важную роль в открытии осцилляции нейтрино и измерениях параметров смешивания. Примеры недавнего участия включают эксперименты MINOS и Double Chooz, а также текущий эксперимент NOvA (NuMI Off-Axis νe Appearance).
Нейтринная физика является доминирующей мотивацией для следующего этапа строительства ГЭС в США. После того, как NOvA исследует CP-нарушение нейтрино и иерархию масс нейтрино, мы планируем выполнить окончательное точное определение этих величин с помощью эксперимента DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), который планируется начать после окончания работы NOvA.
Недавние экспериментальные данные, показывающие, что нейтрино имеют массу, заставляют теоретиков пересматривать Стандартную модель физики элементарных частиц. Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере — большой успех физики элементарных частиц, но бозона Хиггса может быть недостаточно для объяснения иерархии масс фермионов и малости масс нейтрино. Список важных вопросов в физике нейтрино, не в каком-либо определенном порядке, включает:
- Каковы точные значения параметров колебаний?
- Нарушают ли нейтрино CP-симметрию, и если да, то насколько?
- Какова иерархия масс нейтрино?
- Существует ли стерильное нейтрино?
- Каковы абсолютные значения масс нейтрино?
- Является ли нейтрино собственной античастицей?
- Можем ли мы обнаружить реликтовые нейтрино Большого взрыва?
- Является ли нейтрино компонентом темной материи?
Понимание физики нейтрино необходимо для выяснения отношений между нейтрино и другими элементарными частицами, особенно когда это касается их относительных масс.