Частица нейтрино: Нейтрино. Антинейтрино

Нейтрино. Антинейтрино

Вскоре после открытия А. Беккерелем явления радиоактивности Э. Резерфорд показал, что в результате радиоактивного распада появляются электроны. Это явление было названо β—-распадом. (В 1934 г. Ирэн и Жолио Кюри обнаружили явление β+-распада, сопровождающееся появлением в результатеβ+-распада позитронов.) Изучение явления β-распада привело к неожиданному результату. Оказалось, что и электроны, и позитроны имеют непрерывный спектр энергий. Для объяснения этого явления В. Паули предположил, что процесс β-распада сопровождается появлением не одной наблюдаемой заряженной частицы электрона (β—-распад) или позитрона (β+‑распад), а двух. Вторую частицу сложно обнаружить, т.к. она имеет маленькую массу и нулевой электрический заряд. Эта частица вначале была названа нейтроном, но после открытия нейтронов в составе атомного ядра была по предложению В. Паули переименована в нейтрино, что в переводе с итальянского означает «маленькая нейтральная частица». Образование нейтрино в результате β‑распада спасло казавшиеся нарушенными законы сохранения энергии и импульса. Нейтрино имело квантовое число спин s = 1/2 и уносило недостающую часть энергии и импульса. Предсказанные Паули нейтрино появлялись как в результате β—‑распада, так и в результате β+‑распада. Как и предсказал В.Паули, обнаружение нейтрино оказалось очень сложной задачей. Лишь в 1956 г. Ф. Райнесу и К. Коэну удалось в результате сложного эксперимента доказать существование антинейтрино. Были зарегистрированы антинейтрино, образующиеся в ядерном реакторе в результате деления атомных ядер. Как и предсказал В. Паули нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом σ ≈ 10-43 см2. Свидетельством существования антинейтрино явилось наблюдение реакции e + p → e+ + n. Фредерик Райнес (1918 –1998) 1956 г. Ф Райнес и К Коуэн зарегистрировали антинейтрино. Схема установки Ф. Райнеса и К. Коэна Нобелевская премия по физике 1995 г. − Ф Райнес. За детектирование нейтрино.     Источником антинейтрино являлся ядерный реактор. Интенсивные потоки антинейтрино  образовывались в результате β—-распада радиоактивных осколков деления. Под действием антинейтрино, образующихся в ядерном реакторе в результате реакции на протоне происходило образование позитрона и нейтрона. Этот процесс был надежно зарегистрирован. Ф. Райнес: «В конце 1955 г., по предложению и при большой моральной поддержке Джона А. Вилера (John A. Wheeler), детектор был поставлен на новый, мощный (700 МВт в то время) компактный тяжеловодный реактор на заводе в Саванна Ривере в Айкене, Южная Каролина (the Savannah River Plant in Aiken. South Carolina).     Этот реактор отлично подходил для изучения нейтрино, благодаря наличию хорошо экранированного помещения, расположенного в массивном здании в 11 метрах от реактора и на глубине 12 метров под землей. Интенсивный поток  (1.2·1013 см–2сек–1) и уменьшение фона от космических лучей внесли существенный вклад в успех эксперимента, который даже при этих благоприятных условиях потребовал 100 дней измерений в течение одного года.     В Саванна Ривере мы выполнили серию измерений, чтобы показать, что: а)  связанный с реактором сигнал согласовывается с теоретическими ожиданиями; б)  первый импульс сигнала обусловлен позитронной аннигиляцией; в)  второй импульс сигнала обусловлен захватом нейтрона; г)   величина сигнала зависит от количества протонов в мишени; д)  с помощью эксперимента поглощения исключается возможность регистрации излучения отличных от нейтрино частиц.     Мы руководствовались правилом: для того, чтобы сделать вывод о том, что мы действительно наблюдали нейтрино Паули Ферми, каждая проверка должна была принести ожидаемый для нас результат. Неожиданный результат подразумевал бы либо экспериментальную ошибку, либо необходимость внесения корректив в наш взгляд на нейтрино»[*]. Ф. Райнес: «Наша телеграмма Паули. Проверки были завершены, и мы обрели уверенность в результате. Это было великолепное ощущение непосредственного участия в процессе познания. В июне 1956 г. мы решили, что пришло время сообщить о наших результатах человеку, который и начал все это, когда молодым написал свое знаменитое письмо, в котором ввел нейтрино, сказав для большего эффекта, что не может прийти на заседание и рассказать об этом лично, потому что должен идти на танцы.     Наше сообщение было переправлено в ЦЕРН, где Паули прервал заседание, для того чтобы зачитать телеграмму участникам совещания (и затем экспромтом сделал несколько замечаний, касающихся открытия): «Мы счастливы сообщить Вам. что мы определенно зарегистрировали нейтрино от фрагментов деления путем наблюдения обратного бета-распада протонов. Полученное сечение хорошо согласуется с ожидаемыми шестью умноженными на десять в минус сорок четвертой степени сантиметрами в квадрате». Позже мы узнали, что Паули с друзьями выпили ящик шампанского в честь этого события.     Через много лет (примерно в 1986 г.) К.П. Энц (С.Р. Enz), студент Паули, прислал нам копию письма, написанного ночью в 1956 г., которое никогда не было нами получено: «Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули».     Проблема была решена, брошенный вызов встречен. Оставалось только ждать независимого подтверждения результата другими экспериментаторами. Как оказалось, мы были правы, но проверка существования, ставшая побочным продуктом нейтринных экспериментов на ускорителе, заняла около восьми лет. Я подозреваю, что такая задержка была вызвана в основном тем, что наш результат не был неожиданным. Около 20 лет спустя другая группа, вдохновленная возможностью существования нейтринных осцилляции, также зарегистрировала e + p на реакторах».     Обнаружение антинейтрино привело к очередной проблеме: являются ли нейтрино образующиеся в результате β+— и β—‑распадов одинаковыми частицами или различными? Для выяснения вопроса являются ли ν и  тождественными частицами или между ними существует какое-то различие, был поставлен эксперимент по регистрации реакции + n → p + e—. (5.1) Если ν и  являются тождественными частицами, то реакция (5.1) должна наблюдаться. Это следует из того, что имеет место реакция ν + n → p + e—. (5.2) являющаяся обращением во времени наблюдаемой Райнесом и Коэном реакции p + e— → ν + n. Обе реакции (5.1) и (5.2) при тождественности ν и  должны идти с одним и тем же характерным для нейтрино (антинейтрино) сечением ≈10-43 см2.     Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить только на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию: + 37Cl → 37Ar + e—. (5.3)     Если реакция + n → p + e— возможна, то под действием антинейтрино реактора один из нейтронов, входящих в состав ядра 37Cl, превращается в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа 37Ar с периодом полураспада 35.04 суток. В результате захвата одного из электронов атомной оболочки (е-захват) ядро 37Ar вновь превращается в 37Cl. e-захват можно зарегистрировать по появлению оже-электрона с энергией 2.8 кэВ, который должен сопровождать процесс е‑захвата.     Для регистрации реакции + 37Cl → 37Ar + e— необходимо было использовать большую массу мишени, так как в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, сечение реакции должно было составлять ≈10-43 см2. В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четырехлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была разработана специальная методика извлечения радиоактивного изотопа 37Ar из огромного объема мишени. Выделенный 37Ar помещался затем в низкофоновый пропорциональный счетчик для регистрации его радиоактивности.     Образование радиоактивного изотопа 37Ar в результате реакции + 37Cl → 37Ar + e— не было зарегистрировано. Для величины сечения реакции + n → p + e— была получена верхняя оценка σэксп( + n → p + e—) < 0.25×10-44 см2, что почти в 45 раз меньше того, что следовало ожидать, если бы нейтрино и антинейтрино были тождественными частицами.     Оказалось, что нейтрино, образующиеся в результате β+— и β—‑распадов разные частицы – они являются частицей и античастицей. Частица, появляющаяся при β—‑распаде вместе с электроном, была названа антинейтрино, а частица, появляющаяся при β+-распаде вместе с позитроном, была названа нейтрино. Таблица 5.1 Основные характеристики электронного антинейтрино Характеристика Численное значение Спин J, ћ 1/2 Масса mc2, эВ б3 Электрический заряд, Кулон 0 Магнитный момент, eћ/2mec <10-10 Лептонное число Le -1     Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что нейтрино ν и антинейтрино  являются различными частицами. Нейтрино всегда в конечном состоянии появляется в паре с позитроном, а антинейтрино − в паре с электроном. При облучении нуклонов в пучке нейтрино в конечном состоянии наблюдаются только электроны. Если реакция происходит под действием антинейтрино, среди продуктов реакции всегда присутствуют позитроны, и никогда не наблюдаются электроны.     Отмеченные различия в свойствах нейтрино и антинейтрино можно описать, если ввести для электронов и нейтрино и для их античастиц новое квантовое число -электронный лептонный заряд Le, приписав электрону и нейтрино значение Le = +1, а их античастицам позитрону и антинейтрино -значение Le = -1. При этом должен выполняться закон сохранения лептонного заряда (числа): Закон сохранения электронного лептонного заряда (числа) В замкнутой системе электронный лептонный заряд (число) Le сохраняется.     Из закона сохранения лептонного числа следует, какие реакции с участием электронных нейтрино и антинейтрино возможны, а какие запрещены. Разрешены реакции Запрещены реакции e + p → n + e+ νe + n → p + e— νe + p → n + e+ e + n → p + e—.     Нейтрино имеет спин s = 1/2. Если частица имеет спин s = 1/2, то возможны две различные ориентации спина относительно направления импульса p частицы. Различают правополяризованные и левополяризованные частицы. Правополяризованной считается частица, спин которой направлен по импульсу, левополяризованной − против импульса. Для характеристики взаимного направления спина и импульса частицы вводится понятие спиральности h, которое определяется соотношением Тогда согласно определению правополяризованные частицы имеют положительную спиральность h = +1, лепополяризованные − отрицательную h = -1. В многочисленных экспериментах было показано, что электронное нейтрино νe всегда является левополяризованной частицей, а электронное антинейтрино e − правополяризованной частицей.                              h(ν) = -1,       h() = +1 В природе отсутствуют правополяризованные нейтрино и левополяризованные антинейтрино. Таким образом, нейтрино ν отличается от своей античастицы антинейтрино значением электронного лептонного числа Le Le(ν) = +1, Le() = -1; значением спиральности h h(ν) = -1, h() = +1     Изучение процесса β-распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным и не ядерным взаимодействиями, а новым типом взаимодействия, до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. Изучение процессов, происходящих в результате слабого взаимодействия, принесло в физику много неожиданных и сенсационных открытий. [*] Ф. Райнес. «Нейтрино: от полтергейста к частице». УФН 166 1352 (1996)

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.

Почему так тяжело изучать нейтрино и что эта частица расскажет об истории Вселенной

Елизавета
Приставка

Новостной редактор

Нейтрино является одной из самых распространенных частиц во Вселенной, при этом ее невероятно сложно обнаружить. Изучать нейтрино важно, потому что они содержат в себе информацию о явлениях и процессах, которые их порождают: это значит, что с помощью частицы можно узнать о происхождении Вселенной. Рассказываем обо всех тайнах, которые хранят в себе нейтрино.

Читайте «Хайтек» в

Что такое нейтрино?

Нейтрино — это сверхлегкие частицы, образующиеся в процессе ядерных реакций. Большинство из тех, что были обнаружены на Земле, исходят от Солнца, которое превращает водород в гелий. Но в 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые «нейтрино CNO». И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.

До недавнего времени было вообще непонятно, есть ли у нее масса. В последние годы стало ясно, что есть, но очень маленькая. Ее точное значение неизвестно по сию пору, а имеющиеся оценки в общем сводятся к тому, что нейтрино примерно на 10 порядков легче протона. Примерно так же соотносится вес кузнечика (около 1 грамма) с водоизмещением современного атомного авианосца George Bush (около 100 тыс. тонн).

Частица не имеет или почти не имеет электрического заряда — эксперименты пока не дали однозначного ответа, а из всех фундаментальных физических взаимодействий достоверно участвует только в слабом и гравитационном.

Нейтрино подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они обычно перечисляются именно в таком порядке, и это не случайно: так отображается последовательность их открытия. Кроме этого, есть еще антинейтрино — это античастицы трех разных типов, соответствующих «обычным». Нейтрино разных поколений могут самопроизвольно превращаться друг в друга. Ученые называют это нейтринными осцилляциями, за их открытие присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года.

Нейтрино — результат ядерных (и термоядерных, мы далее не будем выделять их отдельно) реакций. Их, неуловимых, очень много. По подсчетам физиков-теоретиков, на каждый нуклон (то есть протон или нейтрон) во Вселенной приходится около 10⁹ нейтрино. Тем не менее, мы совершенно его не замечаем: частицы проходят сквозь нас. 

Как ученые ищут нейтрино?

Современные детекторы регистрируют не сами нейтрино — это пока невозможно. Объектом регистрации оказываются результаты взаимодействия частицы с веществом, заполняющим детектор. Его выбирают так, чтобы с ним реагировали нейтрино определенных, интересующих разработчиков, энергий. Поскольку энергия нейтрино зависит от механизма их образования, можно считать, что детектор рассчитан на частицы определенного происхождения.

Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник — Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 млрд солнечных нейтрино в секунду.

На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию).

После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).

Детектор Super-Kamiokande: огромный резервуар цилиндрической формы, помещенный под землю на глубине 1 км; изнутри весь покрыт фотоумножителями; заполняется дистиллированной водой

Общей особенностью всех современных нейтринных телескопов являются меры, направленные на экранирование аппаратуры от всех посторонних частиц. Нейтрино, хотя их в природе очень много, засекаются детекторами очень редко. Любой посторонний шум от космических или земных частиц наверняка их заглушит.

Поэтому стандартное размещение нейтринной обсерватории — в шахте или, в некоторых случаях, под водой, чтобы вышележащая толща блокировала ненужное излучение. Эта толща тоже тщательно подбирается — горные породы, например, должны быть как можно менее радиоактивными. Граниты нам не подойдут, глины тоже. Хорошее место для детектора — шахта в толще чистого известняка.

Еще одно важное требование — быть как можно дальше от атомных электростанций. Работающий ядерный реактор является очень мощным источником антинейтрино, которые в данном случае излишни.

Лучшее направление для работы нейтринной обсерватории — прием частиц, пришедших снизу, сквозь нашу планету. Для нейтрино она прозрачна, для всего остального — нет.

Современные детекторы определяют нейтринное событие по «разрушительному эффекту». Когда неуловимая частица все-таки взаимодействует с веществом детектора, она вызывает разрушение первоначального атомного ядра с образованием каких-то иных частиц. Их-то затем и обнаруживают в детекторе.

Чтобы вызвать такую реакцию, нейтрино должно иметь собственную энергию не ниже определенного, нужного для данного детектора, уровня. Поэтому современная техника всегда имеет ограничение снизу — регистрирует нейтрино, имеющие энергию выше определенного уровня. В таком порядке мы их и рассмотрим.

Зачем мы вообще изучаем нейтрино?

Нейтрино рассказывают нам чрезвычайно много о том, как Вселенная создается и удерживается от распада. Нет другого способа ответить на многие вопросы.

Натаниэль Боуден, ученый из Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса

Эксперты сравнили поиск этих частиц с работой археологов, восстанавливающих доисторические артефакты с целью понять, какой жизнь была тогда. Лучшее понимание нейтрино может раскрыть тайны других элементов астрономии и физики: от темной материи до расширения Вселенной.

Эксперимент COHERENT Окриджской национальной лаборатории состоял из пяти детекторов частиц, предназначенных для непосредственного наблюдения высокоспецифического взаимодействия между нейтрино и ядрами атомов.  В прошлом году эти ученые опубликовали исследование в Science о взаимодействии между двумя нейтрино, которое было выдвинуто в качестве гипотезы десятилетиями ранее, но никогда прежде не наблюдались.

Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий. 

Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.

Изучение испускаемых Землей нейтрино может помочь нам хотя бы понять, сколько в земном веществе радиоактивных элементов и где они в основном находятся. По части последнего существуют разные версии, начиная от того, что уран с торием — атрибут нижней части земной коры, и кончая тем, что источники радиации в ходе формирования планеты «утонули» к ее центру, и там существует нечто вроде ядерного реактора, причем периодически действующего.

Накопившиеся продукты распада, когда их становится достаточно много, останавливают цепную реакцию. Потом в раскаленной среде они потихоньку диффундируют наверх (они легче), освобождая место для новых порций делящегося материала, после чего процесс запускается снова. Если это так, то подобная цикличность могла бы помочь в объяснении перемен магнитной полярности Земли и, надо думать, во многом другом.

Интересен также вопрос о доле ядерных реакций в общем тепловыделении Земли. Напомним, что земные недра суммарно выдают порядка 47 ТВт тепла в год, но ученые до сих пор смутно представляют себе, какая часть этой энергии приходится на радиогенное тепло, а какая — на остаточное тепло, выделившееся когда-то при гравитационной дифференциации земного вещества.

Чем это интересно для обычного человека?

Технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что любое вложение в эту сферу окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера.

Эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.

Как мы продвинулись в изучении нейтрино?

Накануне стало известно, что Японские ученые из Университета Цукубы и Токийского университета разработали космологическую модель, которая точно отражает роль нейтрино в эволюции Вселенной.

В результате выяснилось, что в областях, где много нейтрино, обычно присутствуют массивные скопления галактик. Еще один важный вывод: нейтрино подавляет кластеризацию темной материи и галактик, а также изменяет температуру в зависимости от собственной массы.

Также стало известно, что Borexino, огромный подземный детектор частиц в Италии, уловил невиданный ранее тип нейтрино, исходящий от Солнца. Эти нейтрино подтверждают гипотезу 90-летней давности и дополняют наше представление о циклах синтеза Солнца и других звезд. В 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые нейтрино CNO. И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.

Реакция CNO выделяет лишь крошечную часть от общего количества солнечной энергии, но у более массивных звезд она считается основной движущей силой термоядерного синтеза. Экспериментальное обнаружение нейтрино CNO означает, что ученые наконец получили связь между последними частями головоломки и могут расшифровать весь цикл солнечного термоядерного синтеза.

Подтверждение того, что CNO осуществляется в процессе термоядерной активности нашей звезды, где подобные реакции занимают не более 1%, укрепляет нашу уверенность в том, что мы точно понимаем, как работают звезды.  

Франк Калаприс, главный исследователь Borexinо

Детекторы нейтрино предназначены для отслеживания тех редких случаев, когда эти «призрачные частицы» случайно сталкиваются с другими атомами. Обычно в таких устройствах используются огромные объемы детекторной жидкости или газа, которые испускают вспышку света при «ударе» нейтрино. Подобные эксперименты обычно проводятся внутри камеры глубоко под землей, вдали от помех и воздействия других космических лучей.

Команда потратила годы, регулируя температуру инструмента, чтобы замедлить движение жидкости внутри детектора, и сосредоточилась на сигналах, исходящих из центральной области контейнера. В феврале 2020 года команда наконец-то уловила искомый сигнал и потратила почти год на его расшифровку и на то, чтобы удостовериться в отсутствии ошибок.

Эти данные могут не только улучшить наше понимание цикла слияния звезд, но и помочь ученым выяснить, насколько «металлическими» являются Солнце и другие звезды.

Читать также

Найдено предполагаемое царство исчезнувших хеттов. Что обнаружили археологи?

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное

Открыт фермент, который обращает вспять старение клеток

Как нейтрино получают свою массу?

В 1998 году исследователи сделали открытие, которое бросило вызов их пониманию физики элементарных частиц и привлекло внимание к скромной частице на десятилетия вперед.

Стандартная модель, теоретическая основа, которая должна объяснить обычную материю и ее взаимодействия, предсказала, что частицы, называемые нейтрино, не имеют массы. В экспериментах оказалось, что нейтрино двигаются со скоростью света, на что способна только безмассовая частица.

Но затем физики из обсерватории Супер-Камиоканде в Японии получили первые доказательства того, что нейтрино имеют крошечную, но не нулевую массу.

«Это было первое наблюдаемое явление, которое мы не знали, как объяснить», — говорит Андре де Гувеа, физик-теоретик и профессор Северо-Западного университета. «Наша модель провалилась. Это означает, что не хватает какого-то ингредиента».

Итак, теперь мы знаем: нейтрино не безмассовые, они просто невероятно легкие — в миллион раз легче, чем следующая по легкости частица — электрон. Триллионы нейтрино безвредно проходят через ваше тело каждую секунду и, по сути, вообще редко взаимодействуют с какой-либо материей.

«Поскольку они так слабо взаимодействуют, мы знаем о нейтрино не так много, как о других частицах Стандартной модели», — говорит Джессика Тернер, постдокторант, изучающий феноменологию нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США. «Мы знаем, что они там. У нас есть много экспериментов, которые обнаруживают их взаимодействие, но мы знаем о них относительно мало».

Кое-что мы знаем. Мы знаем, что нейтрино бывают трех видов. И они не придерживаются только одного из этих вкусов; они колеблются от аромата к аромату, перемещаясь в пространстве. Этот подвиг возможен только потому, что они имеют ненулевую массу.

Но откуда взялась эта масса?

Нейтрино — тип фундаментальной частицы, известной как фермион. Все остальные фермионы, такие как лептоны и кварки, приобретают массу за счет взаимодействия с бозоном Хиггса. Но нейтрино, похоже, не следуют этой тенденции.

Физики предложили сотни теорий того, как нейтрино могут получить свою массу, и у каждого есть своя любимая. Возможно, есть еще один источник массы, о котором мы не знаем. Возможно, массы нейтрино — это взаимодействие бозона Хиггса и этого нового источника массы. Для многих острые ощущения приходят от попытки сузить его.

«Если нам повезет, вопрос будет таким: какой ответ правильный?» говорит де Гувеа. «Какой способ природа выбирает, чтобы дать нейтрино массу? Мы до сих пор не знаем ответа на этот вопрос».

Скрытое нейтрино

Как мы сейчас экспериментально наблюдаем, нейтрино не могут взаимодействовать с полем Хиггса, потому что им не хватает чего-то очень важного: они не правые.

Частицы могут быть лево- и правовращающими; эти обозначения указывают на ориентацию спина частицы по отношению к направлению ее импульса.

Большинство частиц можно назвать двусторонними; они бывают как левосторонними, так и правосторонними. Когда частица взаимодействует с полем Хиггса, она меняет свою хиральность с левой на правую или с правой на левую. Это переключение должно произойти, чтобы поле придало частице массу.

«Левые частицы ведут себя совсем иначе, чем правосторонние, — говорит Педро Мачадо, физик из Фермилаб. «Значит, вам нужно что-то, чтобы склеить их вместе, а именно бозон Хиггса».

Но в случае с нейтрино все сложнее. Это потому, что, как ни странно, все нейтрино кажутся левыми.

Очевидное отсутствие правых нейтрино составляет главную загадку массы нейтрино. «Мы не знаем, существует ли эта частица на самом деле», — говорит Мачадо. И если они действительно существуют, возможно, правые нейтрино настолько инертны, что взаимодействуют только с бозоном Хиггса, что особенно затрудняет их обнаружение.

Нейтрино как собственная противоположность

Хотя ученым еще предстоит обнаружить правосторонние нейтрино, они уже знают о другой группе правовращающих частиц в нейтринной экосистеме: антинейтрино. Это подводит нас к следующей теории: возможно, нейтрино на самом деле является собственной античастицей.

Каждая фундаментальная частица имеет аналог античастицы с некоторыми зеркальными свойствами, такими как противоположный заряд (например, отрицательно заряженные электроны таким образом спариваются с положительно заряженными позитронами). Античастицы приобретают массу точно так же, как и связанные с ними частицы.

Нейтрино и его противоположность, антинейтрино, являются нейтрально заряженными частицами. Итак, вот загадка: если это выглядит как нейтрино и действует как нейтрино, не следует ли из этого, что антинейтрино может быть той же частицей, что и нейтрино?

Если антинейтрино и нейтрино — это просто правая и левая версии одной и той же частицы, то они должны быть в состоянии соединиться, чтобы получить массу. Это означало бы, что нейтрино — это нечто, называемое майорановскими фермионами, которые могут возникать только тогда, когда и частица, и античастица идентичны.

В этом сценарии нейтрино получит свою массу за счет взаимодействия со своим антинейтрино. Чтобы это заработало, теоретикам нужно было бы изобрести что-то еще, например, уникальную форму бозона Хиггса, специально предназначенную для взаимодействия с нейтрино.

Альтернатива бозону Хиггса

Самая популярная теория предлагает совершенно новый массовый механизм, не входящий в Стандартную модель, который вводит совершенно новую частицу.

По словам де Гувеа, эта новая сущность может быть сверхтяжелой частицей, похожей на правую нейтрино, но с собственной массой. Это может быть что-то похожее на бозон Хиггса или электрон-подобную частицу. Это могут быть даже множественные частицы, совокупный эффект которых придает нейтрино массу.

Одной из самых популярных форм этой теории является механизм качания, который объясняет крошечный размер нейтрино.

Если в механизме, создающем массу нейтрино, участвует тяжелая частица, ее тяжесть может быть причиной того, что левые нейтрино такие легкие.

Эксперименты весят

Физики проверяют эти теории в экспериментах, пытаясь исключить те из них, которые не работают.

Первый и самый важный вопрос, на который нужно ответить: являются ли нейтрино майорановскими фермионами? Такие эксперименты, как GERDA (GERmanium Detector Array) в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, пытаются определить, являются ли нейтрино их собственными античастицами, путем поиска явления, называемого безнейтринным двойным бета-распадом.

В этом процессе нейтрон внутри изотопа, в данном случае изотопа германия, распадается и выбрасывает электрон и нейтрино. Если два нейтрона внутри одного изотопа распадаются одновременно, это называется двойным бета-распадом. Ученые ищут безнейтринный двойной бета-распад, при котором ядро ​​испускает только два электрона и не испускает нейтрино, потому что нейтрино спарились (в стиле Майорана) и аннигилировали.

Двойной бета-распад наблюдается крайне редко. Безнейтринный двойной бета-распад — если он произойдет — будет еще реже.

«Мы его еще не видели, но мы не беспокоимся, — говорит де Гувеа.

Он предсказывает, что у физиков будет ответ, так или иначе, примерно через 10 лет (хотя он признает, что, поскольку трудно доказать отрицательный результат, безнейтринный двойной бета-распад всегда может казаться недостижимым).

Плоды этого исследования не ограничатся нейтрино, говорит Тернер. «Если мы поймем их лучше, мы сможем связать эти другие открытые вопросы в физике элементарных частиц», — говорит она.

Вопросы типа: Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Почему расширение Вселенной ускоряется? Откуда берется темная материя?

«Мы собираем как можно больше информации о массах нейтрино, — говорит де Гувеа, — потому что это поможет сформировать наше понимание физики элементарных частиц таким образом, который качественно отличается от того, что мы имеем сейчас. Это надежда».

Нейтрино – EWT

Фон

Нейтрино, также называемое электронным нейтрино, является самой легкой и самой маленькой из всех обнаруженных до сих пор элементарных частиц. Впервые он был предложен Вольфгангом Паули в 1930 году, а затем обнаружен в экспериментах в 1956 году. Это электрически нейтральная частица, которая обнаруживается в слабом взаимодействии, ядерных реакциях (таких как процессы в звездах) и некоторых столкновениях частиц. Большинство нейтрино, обнаруженных на Земле, исходят от Солнца и называются солнечными нейтрино. На самом деле каждую секунду миллиарды нейтрино проходят через площадь размером с человеческий ноготь. Нейтрино невероятно малы, и поскольку они нейтральны и не притягиваются к частицам, они редко сталкиваются с другой частицей в атоме. Они могут пройти через всю Землю без каких-либо столкновений.

Странное свойство нейтрино (v _e ) — способность колебаться , становиться больше и увеличивать массу. Он может стать мюонным нейтрино (v _u ) или тау-нейтрино (v _t ). Обе эти более крупные частицы по-прежнему нейтральны и принадлежат к семейству нейтрино. Три нейтрино также являются частью лептонного семейства частиц, в которое входят электрически заряженные электроны (электрон, мюон-электрон и тау-электрон).

Авторы и права: J-ЧАСТЬ

Объяснение

В теории энергетических волн нейтрино является вероятным кандидатом на роль центра единой волны, что делает его фундаментальной частицей , создающей другие частицы. Другие частицы состоят из набора волновых центров (К) в частице, подобно тому, как атомные элементы образуются из набора протонов в ядре. Центр одиночной волны, отражающий сферические продольные волны для создания стоячих волн, будет выглядеть так:

Нейтрино – Стоячие волны энергии из центра одиночной волны Нейтрино может колебаться, чтобы стать более крупным мюонным нейтрино, а мюонное нейтрино может стать тау-нейтрино. Это происходит естественным образом, когда триллионы и триллионы нейтрино прибывают на Землю от Солнца. Как было найдено с помощью уравнения продольной энергии из формы уравнений волновой постоянной:

• Число частиц нейтрино равно 1
• Число частиц мюонного нейтрино равно 8
• Число частиц тау-нейтрино равно 20

Причина, по которой нейтрино колеблются, заключается в том, что в природе может произойти случайное слияние 20 или менее нейтрино — кинетическая энергия, идущая от Солнца. Это согласуется с нейтринными экспериментами.

Причина, по которой другие частицы не колеблются естественным образом, заключается в том, что для их образования требуются более высокие энергии. Частицы с большим количеством частиц (более 20) требуют высокоэнергетических экспериментов, таких как лаборатории ускорителей частиц, чтобы генерировать кинетическую энергию для объединения и формирования частиц. Это согласуется с экспериментами на ускорителях частиц.

Нейтрино и семейство лептонов

Предполагается, что лептона немного более стабильны и, следовательно, встречаются в природе из-за геометрических конфигураций, которые подобны протонам и нейтронам в атомном ядре. Семейство нейтрино будет относительно стабильным при этих предполагаемых геометрических структурах (левая часть рисунка ниже). При числе частиц 1 (нейтрино), 8 (мюонное нейтрино) и 20 (тау-нейтрино) они, возможно, являются симметричными тетраэдрами, что означает, что они могут не иметь заряда, если два тетраэдра вращаются в противоположных направлениях. Это оставляет возможность обнаружить больше нейтрино, особенно с количеством частиц 2 (K = 2), учитывая сходство количества частиц с последовательностью магических чисел в количестве атомных чисел, наблюдаемой в элементах. У него будет энергия покоя около 110 эВ. Для сравнения, количество частиц для других лептонов (электрона, мюонного электрона и тау-электрона) показано в правой части рисунка. Семейство электронов также может иметь тетраэдрическую структуру, но несимметричную. Следовательно, когда частица вращается, она создает поперечную волну, обнаруженную в магнитной силе.

Сравнение с атомными элементами

Если нейтрино могут колебаться до 20 (тау-нейтрино), то как насчет других механизмов? Например, почему нейтрино с числом частиц 2, 3, 4, 5, 6 или 7 не найдены? Следующее обнаруженное нейтрино — это мюонное нейтрино с числом частиц 8. Центры волн должны быть в узлах стоячих волн, чтобы быть стабильными, и другие геометрические схемы, вероятно, не приводят к этой стабильности.

Как описано в расчетах частиц, лептоны появляются с теми же магическими числами , что и у атомных элементов. Числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 являются особыми в атомном мире из-за сочетания стабильности этих атомов, когда их нуклоны содержат эти числа (количество протонов или нейтронов). Магические числа соответствуют орбитальным оболочкам и тому, как электроны помещаются на орбите, окружающей ядро. Уровни энергии связи ядер оказываются выше в этих числах.

Кредит: Гиперфизика

Магические номера в атомных элементах

Доказательство

Доказательство энергетической волны Объяснение для нейтрино.

Энергия нейтрино – Расчет

Расчет энергии электронного нейтрино предполагает сферический объем (V) и радиус (r) одной длины волны до перехода стоячих волн в бегущие. Также предполагается, что амплитуда волны (A) является продольной по трем измерениям (в кубе) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Уравнение продольной энергии используется с одной переменной — количеством частиц (K) для расчета энергии покоя. Для нейтрино имеется один волновой центр (K=1).

Нейтрино – Геометрия

Уравнение: Уравнение продольной энергии
Переменные:

• K=1

Результат: 3,83E-19 Joules (кг M ² /S ² )
Комментарии: Использование уравнения и константы волн, результат-3,83E-19 Joules или 2,3 2,39. . Это верхний предел ожидаемого диапазона нейтрино (~ 2,2 эВ), но точная энергия нейтрино все еще определяется в экспериментах.

Предыдущая: Создание и распад частиц

Следующая: Электрон

Физики наткнулись на новую частицу: стерильный нейтрино

Галлиевая аномалия возникла 20 лет назад, когда экспериментальное открытие сбило с толку.

Физики изучают сложные результаты экспериментального реактора частиц, обнаруженного на глубине мили под поверхностью в горах России. То, что они обнаружили, может вызвать землетрясение в самой основе стандартной модели физики: результаты могут подтвердить существование новой элементарной частицы, называемой «стерильным нейтрино», или продемонстрировать необходимость пересмотра части стандартной модели.

Исследование проводится Лос-Аламосской национальной лабораторией в Нью-Мексико в сотрудничестве с Баксанской нейтринной обсерваторией недалеко от границы с Грузией на крайнем юго-западе России. Ученые изложили свои выводы в двух новых статьях, опубликованных в прошлом месяце в журналах 9.0188 Physical Review Letters и Physical Review C.

Чтобы понять выводы группы, нам нужно поговорить о нейтрино, наиболее распространенных и наименее массивных из массивных частиц (частиц, которые вообще имеют какую-либо массу). Впервые они были предложены несколько десятилетий назад и взаимодействуют только через гравитацию и «слабое взаимодействие» стандартной модели физики, а это означает, что, подобно темной материи, нейтрино могут просто проходить сквозь нас, нашу планету и пространство так, как они хотят; они почти ни с чем не взаимодействуют. На протяжении десятилетий ученые разрабатывали способы измерения нейтрино, отслеживая их влияние на то, что их окружает.

Затем, более 20 лет назад, ученые впервые обнаружили нечто, называемое «галлиевой аномалией». В специальном эксперименте, подготовленном для измерения солнечных нейтрино — частиц, выбрасываемых из сердца Солнца, которые пронизывают все вокруг нас, — ученые объединили синтетический изотоп под названием хром-51 с большим источником галлия. Галлий — это своеобразный металл, который плавится при температуре человеческого тела и выглядит как ртуть. Вместе они производят изотоп под названием германий-71.

(Помните, что в то время как элементы в основном сами по себе, атомы являются просто уравнениями субатомных частиц. Изменение формулировки путем добавления или вычитания частиц, таких как протоны, меняет элемент, которым является этот атом. Ядерная энергия в целом основана на принципе, что вы можете взломать ядро и возиться там, заставляя другие вещи выйти наружу).

Но во время того эксперимента в Баксане, который назывался советско-американским экспериментом с галлием (SAGE), ученые наблюдали кое-что необычное. Атомов германия-71 было на 20–24 процента меньше, чем должно было быть, исходя из доступных запасов галлия и хрома-51 и характера эксперимента. Ученые в то время и по сей день не уверены, почему не было достаточного количества германия-71. Все это стало известно как «галлиевая аномалия».

Есть две основные точки зрения, объясняющие это несоответствие, и ни одна из них вам не понравится. Во-первых, у нас может быть просто неправильное понимание основ стандартной модели физики, а это означает, что это совершенно новая вещь, для которой у нас нет парадигмы в настоящее время, и это может потрясти всю организацию. Второе объяснение состоит в том, что это особый тип нейтрино, который даже не отвечает слабому взаимодействию — он отвечает только самой гравитации.

В новом исследовании ученые из Лос-Аламоса начинают распаковывать данные последнего эксперимента, который будет построен на Баксане: Баксанского эксперимента по стерильным переходам (BEST). Продолжая традицию исследований, которая началась с SAGE, BEST включает в свое название спойлер. Это идея стерильного перехода, где «стерильный» — это технический термин для нейтрино, на который влияет только гравитация. «Оценки на каждом расстоянии оказались одинаковыми, но на 20-24% ниже, чем ожидалось, что подтверждает аномалию», — исследователи отчет в одном документе .

Что замечательно в эксперименте BEST и его данных на данный момент, так это то, что он точно настроил экспериментальную установку в игре, так что результаты начнут указывать в сторону или в сторону, в частности, стерильных нейтрино.