Содержание
Типы нейтрино и нейтринные осцилляции / Хабр
Нейтрино – точно так же, как заряженные лептоны (электрон, мюон, тау), кварки верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) и нижнего типа (нижний, странный, прелестный) – бывают трёх типов. Но делить на типы их можно разными способами. При этом, из-за квантовой природы нашего мира в один момент времени можно использовать только один из них. В этой статье я объясню, почему так происходит, и как из этого факта следует такой интересный и важный с научной точки зрения факт, как нейтринные осцилляции.
Вы, возможно, считаете, что у каждой частицы есть определённая масса – к примеру, энергия массы электронов равна (E = mc2) 0,000511 ГэВ – и с одной из возможных точек зрения три типа нейтрино не являются исключениями. Мы можем классифицировать три нейтрино по их массам (которые пока точно неизвестны), и называть их, от наиболее лёгких к наиболее тяжёлым, нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3.
Мы назовём такое деление массовой классификацией, а такие типы нейтрино – массовыми типами.
Рис. 1
Другой способ классифицировать нейтрино – по их связи с заряженными лептонами (электроном, мюоном и тау). Это упомянуто в статье о том, как выглядели бы частицы, если бы поле Хиггса было нулевым. Лучший способ это понять – сфокусироваться на том, как на нейтрино влияет слабое ядерное взаимодействие, что отражается в их взаимодействиях с частицей W. Частица W очень тяжёлая, и если вы её произведёте, она может распадаться (рис. 1) на один из трёх заряженных антилептонов и один из трёх нейтрино. Если W распадается на антитау, то появится тау-нейтрино. Сходным образом, если W распадётся на антимюон, появится мюонное нейтрино. (Что критично для создании нейтринного луча, пион распадается при помощи слабых взаимодействий, и из положительно заряженных пионов получаются антимюон и мюонное нейтрино). А если W распадается на позитрон, появится электронное нейтрино. Назовём это слабой классификацией, а эти нейтрино – нейтрино слабого типа, поскольку их определяет слабое взаимодействие.
Ну и в чём же тут проблема? Мы постоянно используем разные классификации в применении к людям. Мы говорим о том, что люди бывают молодыми, взрослыми и пожилыми; они бывают высокими, среднего роста и низкими. Но людей можно по желанию разделять и далее, например, на девять категорий: молодые и высокие, молодые и среднего роста, взрослые и низкие, пожилые и низкие, и так далее. Но квантовая механика запрещает нам делать то же самое с классификациями нейтрино. Не существует нейтрино, являющихся одновременно мюонными нейтрино и нейтрино-1; не бывает тау-нейтрино-3. Если я сообщу вам массу нейтрино (и, следовательно, принадлежит ли он к группе нейтрино-1, 2 или 3), я просто не смогу сказать вам, является ли он электронным, мюонным или тау-нейтрино. Нейтрино определённого массового типа является смесью, или «суперпозицией» трёх нейтрино слабого типа. Каждый нейтрино массового типа – нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3 – точная, но отличная от других смесь электронного, мюонного и тау-нейтрино.
Верно и обратное. Если я увижу, как пион распадается на антимюон и нейтрино, я сразу же узнаю, что получившийся нейтрино будет мюонным нейтрино – но я не смогу узнать его массу, поскольку он будет представлять собой смесь из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Электронное нейтрино и тау-нейтрино – это тоже точные, но отличающиеся смеси трёх нейтрино определённых масс.
Связь между этими массовыми и слабыми типами больше похожа (но не точно соответствует) связи между классификациями американских шоссе, как идущих «с севера на юг» и с «запада на восток» (правительство США делит их таким способом, назначая нечётные числа шоссе С/Ю и даже простым дорогам З/В), и делением их на дороги, идущие с «северо-востока на юго-запад» и с «юго-востока на северо-запад». У использования любой классификации есть свои преимущества: классификация С/Ю – З/В подходит, если вы концентрируетесь на широте и долготе, а СВ/ЮЗ – ЮВ/СЗ будет более удобной вблизи побережья, поскольку оно идёт с юго-запада на северо-восток.
Но обе классификации одновременно использовать нельзя. Дорога, идущая на северо-восток, частично является северной, и частично восточной; нельзя сказать, что она либо такая, либо сякая. А северная дорога является смесью из северо-восточной и северо-западной. Так и с нейтрино: нейтрино массового типа – смесь нейтрино слабого типа, а нейтрино слабого типа – смесь массовых. (Аналогия перестанет работать, если вы решите использовать усовершенствованную классификацию дорог С/Ю – СВ/ЮЗ – В/З – ЮВ/СЗ; для нейтрино такого варианта не существует).
Невозможность классифицировать нейтрино, приписав их к определённому массовому типу и к определённому слабому типу – это пример принципа неопределённости, похожего на странность, запрещающую одновременно знать точное положение и точную скорость частицы. Если вы точно знаете одно из этих свойств, у вас нет никакого представления о другом. Или вы можете узнать что-то об обоих свойствах, но не всё. Квантовая механика точно говорит вам, как сбалансировать ваше знание и незнание.
Кстати, эти проблемы не относятся только к нейтрино. Они связаны и с другими частицами, но особенно важны в контексте поведения нейтрино.
Несколько десятилетий назад всё было проще. Тогда считалось, что у нейтрино нет массы, поэтому достаточно было использовать слабую классификацию. Если посмотреть в старые работы или в старые книжки для обычных людей, вы увидите только такие названия, как электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Однако после открытий 1990-х годов этого уже недостаточно.
И теперь начинается самое интересное. Допустим, у вас есть нейтрино высокой энергии электронного типа, то есть определённая смесь нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Нейтрино движется в пространстве, но три его различных массовых типа двигаются с немного отличающимися скоростями, весьма близкими к скорости света. Почему? Потому, что скорость объекта зависит от его энергии и массы, а у трёх массовых типов три разных массы. Разница в их скоростях крайне мала для любого нейтрино, которое мы сможем измерить – она никогда не наблюдалась – но её влияние удивительно сильно!
Скорость частицы v в теории относительности Эйнштейна можно записать через массу частицы m и энергию E (это полная энергия, т.
е. энергия движения плюс энергия массы E=mc2), и скорость света с, как:
Если у частицы очень большая скорость и её полная энергия Е гораздо больше энергии массы mc2, тогда
Где точки напоминают о том, что эта формула – не точное, но хорошее приближение к большому Е. Иначе говоря, скорость частицы, двигающейся почти со скоростью света, отличается от скорости света на величину, равную половине квадрата отношения энергии массы частицы к её полной энергии. Из этой формулы видно, что если у двух нейтрино есть разные массы m1 и m2, но одинаковая большая энергия Е, то их скорости отличаются очень мало.
Посмотрим, что это значит. Все измеренные нейтрино от взорвавшейся в 1987 году сверхновой прибыли на Землю в 10-секундном промежутке. Допустим, электронный нейтрино был испущен сверхновой с энергией в 10 МэВ. Этот нейтрино был смесью из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3, каждый из которых двигался с немного отличной скоростью! Заметили бы мы такое? Массы нейтрино нам точно неизвестны, но, допустим, что у нейтрино-2 энергия массы равна 0,01 эВ, а у нейтрино-1 энергия массы равна 0,001 эВ.
Тогда две их скорости, учитывая, что их энергии равны, будут отличаться от скорости света и друг от друга менее, чем на одну часть от ста тысяч триллионов:
(погрешность всех уравнений не превышает 1%). Такая разница в скорости означает, что части нейтрино-2 и нейтрино-1 изначального электронного нейтрино прибыли бы на Землю с разницей в миллисекунду – такую разницу по множеству технических причин засечь невозможно.
* * *
А теперь от интересного мы переходим к реально странным вещам.
Эта крохотная разница скоростей заставляет точную смесь из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3, составляющую электронное нейтрино, постепенно меняться при движении в пространстве. Это значит, что то электронное нейтрино, с которого мы начали, со временем перестаёт быть собой и соответствовать одной конкретной смеси из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Различные массы нейтрино трёх массовых типов превращают начальное электронное нейтрино в процессе перемещения в смесь из электронного нейтрино, мюонного нейтрино и тау-нейтрино.
Проценты смеси зависят от разницы скоростей, и, следовательно, от энергии начального нейтрино, а также от различия масс (точнее, от различия квадратов масс) нейтрино.
Рис. 2
Сначала эффект увеличивается. Но, что интересно, как показано на рис. 2, этот эффект не просто постоянно растёт. Он растёт, а потом снова уменьшается, а потом снова растёт, снова уменьшается, снова и снова, в процессе движения нейтрино. Это называется нейтринными осцилляциями. Как именно они происходят, зависит от того, какие у нейтрино массы и каким образом там смешаны массовые нейтрино и слабые нейтрино.
Эффект осцилляций можно измерить благодаря тому, что электронное нейтрино при столкновении с ядром (а именно так нейтрино и можно засечь) может превратиться в электрон, но не в мюон и не тау, в то время, как мюонное нейтрино может превратиться в мюон, но не в электрон или тау. Так что, если мы начали с луча мюонного нейтрино, и после перемещения на некое расстояние некоторые нейтрино столкнулись с ядрами и превратились в электроны, это значит, что в луче происходят осцилляции, и мюонные нейтрино превращаются в электронные нейтрино.
Один весьма важный эффект усложняет и обогащает эту историю. Поскольку обычная материя состоит из электронов, но не из мюонов и тау, электронные нейтрино взаимодействуют с ней не так, как мюонные или тау. Эти взаимодействия, происходящие посредством слабого взаимодействия, крайне малы. Но если нейтрино пройдёт через большую толщу материи (допустим, через ощутимую долю Земли или Солнца), эти небольшие эффекты смогут накопиться и сильно повлиять на осцилляции. К счастью, о слабом ядерном взаимодействии нам известно достаточно для того, чтобы детально предсказать эти эффекты, и просчитать всю цепочку задом наперёд, от измерений в эксперименте до выяснения свойств нейтрино.
Всё это делается с использованием квантовой механики. Если для вас это не интуитивно, расслабьтесь; для меня это тоже не интуитивно. Всю имеющуюся интуицию я получил из уравнений.
Оказывается, что тщательное измерение нейтринных осцилляций – наиболее быстрый способ изучения свойств нейтрино! За эту работу уже давали Нобелевскую премию.
Вся эта история появилась из классического взаимодействия эксперимента и теории, протянувшегося с 1960-х годов до сегодняшнего дня. Я упомяну наиболее важные из проведённых измерений.
Для начала, мы можем изучать электронные нейтрино, производимые в центре Солнца, в его хорошо изученной ядерной топке. Эти нейтрино путешествуют сквозь Солнце и через пустое пространство к Земле. Обнаружено, что когда они прибывают на Землю, они с одинаковой вероятностью могут принадлежать к типу мюонных или тау, как и к типу электронных нейтрино. Это само по себе служит доказательством нейтринной осцилляции, а точное распределение даёт нам подробную информацию о нейтрино.
Также у нас есть мюонные нейтрино, возникающие при распаде пионов, возникающих в космических лучах. Космические лучи — это частицы с высокой энергией, прибывающие из космоса, и сталкивающиеся с атомными ядрами в верхних слоях атмосферы. В получившихся в результате каскадах частиц часто встречаются пионы, многие из которых распадаются на мюонные нейтрино и антимюоны, или на мюонные антинейтрино и мюоны.
Некоторые из этих нейтрино (и антинейтрино) мы засекаем в наших детекторах, и можем измерить, какая их часть принадлежит к электронным нейтрино (и антинейтрино) в зависимости от того, какую толщу Земли они прошли перед тем, как попасть в детектор. Это опять-таки даёт нам важную информацию о поведении нейтрино.
Эти «солнечные» и «атмосферные» нейтрино научили нас многому о свойствах нейтрино за последние двадцать лет (а первый намёк на нечто интересное случился почти 50 лет назад). И к этим естественным источникам энергии прибавляются различные исследования, проведённые при помощи лучей нейтрино, таких, как те, что используются в эксперименте OPERA, а также при помощи нейтрино из обычных ядерных реакторов. Каждое из измерений по большей части согласуется со стандартной интерпретацией солнечных и атмосферных нейтрино, и позволяет проводить более точные измерения смесей массовых типов и слабых типов нейтрино и различий в квадратах масс нейтрино массового типа.
Как и следовало ожидать, в экспериментах присутствуют небольшие расхождения с теоретическими ожиданиями, но ни одно из них не было подтверждено, а большинство, если не все, являются лишь статистическими случайностями или проблемами на экспериментальном уровне.
Пока что ни одно противоречие с пониманием нейтрино и их поведения не было подтверждено в нескольких экспериментах. С другой стороны, вся эта картина довольно нова и достаточно плохо проверена, поэтому вполне возможно, хотя и маловероятно, что у неё могут существовать совершенно другие интерпретации. И действительно, уже предлагались довольно серьёзные альтернативы. Так что уточнение деталей свойств нейтрино – это активно развивающаяся область исследований, в которой по большей части возникает согласие, но кое-какие вопросы всё ещё остаются открытыми – включая полное и бесповоротное определение масс нейтрино.
Как ловят нейтрино на дне Байкала
Пока вы читаете эти строки, сквозь вас «пролетают»
миллиарды нейтрино. Некоторые из них родились в недрах Солнца,
другие образовались в атмосфере, третьи проделали невероятный
путь из самых отдаленных уголков Вселенной. Разумеется, вы ничего
не заметили, как и сами загадочные частицы. Ведь для нейтрино не
существует преград.
У них нет электрического заряда, а их масса
невероятно мала. Поэтому нейтрино без всяких видимых последствий
пронзают все на своем пути: человеческие тела, звезды и планеты.
Почти сто лет назад существование нейтрино казалось невозможным.
А сегодня крупные нейтринные обсерватории объединяются в единую
сеть, чтобы разгадать загадки неуловимой частицы. Как физики ХХ
века спасали законы сохранения энергии и импульса? Почему
нейтринные обсерватории строят во льдах Антарктиды, на дне
Байкала и в Средиземном море? Рассказывает Дмитрий
Наумов.
Дмитрий Вадимович Наумов — заместитель
директора по научной работе лаборатории ядерных проблем
Объединенного института ядерных исследований, доктор
физико-математических наук, руководитель Нейтринной Программы
ОИЯИ.
— Нейтрино называют самой загадочной частицей.
Почему?
— Нейтрино появилось буквально на кончике пера.
Эту частицу
придумал австрийский теоретик Вольфганг Паули еще в 1930 году в
отчаянной попытке спасти законы сохранения энергии и импульса.
Напомню, что не все атомные ядра стабильны. Некоторые
распадаются. Известны три вида радиоактивных распадов — альфа,
бета и гамма. Сегодня мы понимаем, что они вызваны тремя
фундаментальными взаимодействиями — электромагнитным,
слабым и сильным соответственно. В бета-распадах ядро меняет
заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения
закона сохранения энергии и импульса, энергия и импульс
начального распада должны в точности равняться сумме энергий и
импульсов всех продуктов распада. Однако в экспериментах с
бета-распадами было обнаружено (кстати далеко не сразу это
признали), что это не так. У электронов были почти любые энергии
между нулем и некоторой максимальной величиной. При этом, в
случае электромагнитного и сильного взаимодействия законы
сохранения энергии и импульса точно выполнялись. А в
бета-распадах возникала такая странная проблема.
Это стало настоящей проблемой для физиков, решение которой
растянулось не на одно десятилетие. Выдающийся ученый Нильс Бор
даже предложил отказаться от законов сохранения на некотором
уровне описания природы. Вольфгангу Паули эта мысль показалась
совсем уж дикой. И очень хорошо! Он выдвинул идею, что в процессе
деления ядра появляется и улетает еще одна частица. Она
электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы
попросту не могут ее зафиксировать. Кроме того, она должна была
очень слабо взаимодействовать, иначе все равно застряла бы в
наших детекторах, и ее следы были бы найдены. Сегодня эта мысль
кажется простой и понятной, но в 30-е годы ХХ века она была
поистине революционной.
Сам Паули понимал, что идея подвергнется критике, и считал, что
существование такой частицы никто не сможет подтвердить. Он даже
не осмелился изложить свою идею на конференции вслух.
Ученый написал ее участникам знаменитое сегодня письмо,
начинающееся словами “Дорогие радиоактивные дамы и
господа!” В письме была изложена его гипотеза и приведены
извинения, что сам он участвовать в работе конференции не
может, т.
к. должен быть на балу в Цюрихе.
Изначально, Паули назвал свою неуловимую частицу нейтроном.
Сегодня мы знаем, что нейтрон — это достаточно тяжелая частица,
которая участвует в сильном взаимодействии, т.е. совершенно не
подходит под описание. Дело в том, что на момент написания
письма нейтрон еще не открыли. Только в 1932 году британец Джеймс
Чедвик смог обнаружить нейтрон, чье существование предсказали
советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Да и
сам Чедвик твердо верил в то, что в ядре есть и что-то еще кроме
протонов. Слово нейтрино (по-итальянски «маленький нейтрон»)
предложил итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую
количественную теорию бета-распада. В ней ученый описал
взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и
нейтрино.
С этого момента теоретики стали активно исследовать нейтрино,
определяя вероятность его взаимодействия. Оказалось, что
взаимодействует эта частица так слабо, что зарегистрировать ее
почти невозможно.
Например, чтобы поймать половину всех нейтрино,
излучаемых Солнцем, надо залить свинцом все пространство от нас
до Альфа-Центавра. Поэтому, физики долгое время считали нейтрино
частицей-призраком. Многие соглашались с тем, что она существует,
но не знали, как с ней работать.
— По причине того, что она мало с чем
взаимодействует.
— Точно.
— Паули даже поспорил на шампанское, что частицу никогда
не откроют.
— Да.
— Но в итоге ошибся.
— На самом деле, это было очень продуманное пари. Посудите сами:
если он его проигрывает (сейчас-то мы знаем, что он проиграл),
его имя навсегда вписывается в историю физики, поэтому стоимость
ящика шампанского — мелочь, по сравнению с таким достижением. При
этом, если бы он выиграл, то получил бы бесплатно шампанское. То
есть при любом исходе он оказывался в выигрыше. Кстати сказать,
когда Паули получил телеграмму от будущего лауреата Нобелевской
премии Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (который, к сожалению,
не дожил до премии), он тут же собрал всех друзей теоретиков, и
они это шампанское распили, а экспериментаторам ничего и не
досталось.
Детали фотоумножителя
Фото: Николай Мохначев / Научная Россия
— Нобелевская премия досталась.
— Да, но к сожалению, не всем. Совет всем читателям: надо быть не
только умным, но еще и здоровым, чтобы дожить до своей
Нобелевской премии.
— Поучительная история. Что известно о сортах нейтрино
сегодня? Почему физики называют их ароматами?
— Надо сказать, что физики — часто люди с юмором, они любят
давать какие-нибудь интересные и забавные названия. Поэтому у
нейтрино есть ароматы, которые, конечно, никакого отношения к
запаху не имеют. А у кварков есть цвета, не имеющие никакого
отношения к цветам.
Вернемся к сортам нейтрино. На сегодняшний день выделяют три
сорта или аромата нейтрино. Откуда взялись ароматы? Начну с того,
что существуют три заряженных лептона — электрон, мюон и
тау-лептон. Они взаимодействуют очень похожим образом, только
мюон тяжелее электрона почти в 200 раз, а тау-лептон тяжелее
мюона почти в 17 раз.
Как оказалось, нейтрино тоже существует три
разных вида. В слабых взаимодействиях нейтрино всегда
рождается вместе с каким-то заряженным лептоном того же сорта или
аромата, если говорить по-научному. Например, вместе с
электроном рождается электронное анти-нейтрино, с мюоном —
мюонное, с тау-лептоном — тау-нейтрино. То, что этих ароматов
ровно три было надежно установлено экспериментально из
анализа вероятности распада другой частицы под названием Z-бозон
— нейтральной частицы и одного из переносчиков слабого
взаимодействия. Z-бозон нестабилен и примерно в 90 раз тяжелее
протона. Z-бозон распадается на множество разных частиц, в том
числе на пару нейтрино и антинейтрино. Соответствующая
вероятность легко оценивается в теории. Понятно, что трем типам
или ароматам нейтрино суммарно отвечает в три раза большая
вероятность распада Z-бозона на пару нейтрино-антинейтрино.
Поэтому, сравнение с экспериментом позволило установить, что
число типов нейтрино равно трем.
— А как же стерильные нейтрино?
— Приятно, что вы так прекрасно подготовились к нашему разговору!
Действительно, начиная с 2012 года, физики столкнулись с новой
загадкой. Известно, что антинейтрино в изобилии рождаются в
ядерных реакторах. Оказалось, что при измерениях обнаруживается
дефицит, который невозможно объяснить осцилляциями нейтрино —
важнейшим эффектом, предсказанным Бруно Понтекорво, работавшим в
Дубне, и за подтверждение которого Такааки Кадзита и Артур
Макдональд получили Нобелевскую премию по физике в 2015 году.
Реакторный дефицит невозможно объяснить осцилляциями трех
нейтрино. А можно ли четырех? Если бы нейтрино было четыре типа,
то можно. Но Z-бозон надежно установил, что типов нейтрино ровно
три, а не четыре! Что же делать? Тогда возникла очень хитрая
гипотеза, что кроме трех перечисленных поколений нейтрино
существует еще одно — стерильное нейтрино. Если известные
нам нейтрино взаимодействуют слабо, то стерильное не
взаимодействует вообще! Поэтому, стерильные нейтрино не
противоречат наблюдаемой вероятности распада Z-бозона.
При
этом, в процессе осцилляций известных нам нейтрино часть
времени они проводят в стерильном состоянии. Если в этом
состоянии они попадают в детектор, то будет наблюдаться дефицит
взаимодействий нейтрино. Весьма оригинальная идея! И у нее
довольно глубокие следствия. В частности, такие нейтрино могли бы
проявляться в космологии. Но на сегодняшний день эта гипотеза не
очень-то согласуется с экспериментом. Несмотря на то, что идея
красивая, возможно, что в природе она не реализуется. По крайней
мере, таким образом.
— Тогда откуда дефицит?
— Скорее всего, использовалась не совсем правильная ядерная
модель, предсказывающая потоки нейтрино. Это не очень-то простая
задача, и нейтрино в реакторе рождается сотнями и даже тысячами
всевозможных способов.
— Как устроены нейтринные обсерватории. Как можно уловить
неуловимое?
— Чтобы уловить неуловимое, необходимо произвести что-то, что уже
можно уловить. Само по себе нейтрино увидеть невозможно. Поэтому
нужны другие частицы, которые оставят электрические сигналы в
детекторе. Проще говоря, нейтрино прилетает в детектор и рождает
частицу, которую можно зарегистрировать. Это могут быть мюоны,
протоны и другие заряженные или нейтральные частицы.
Если говорить про астрофизические нейтрино, для анализа которых и
создан эксперимент Baikal-GVD, то частицы, которые рождаются
после взаимодействия с астрофизическим нейтрино, светят
черенковским светом. Этот черенковский свет можно увидеть при
помощи фотоумножителей.
— То есть самого нейтрино мы увидеть никак не можем.
Скорее, остаточные явления.
— Да.
— А почему многие нейтринные обсерватории строятся либо
глубоко под землей, либо под водой?
— Само сочетание «нейтринный телескоп» уже звучит достаточно
забавно. Давайте разбираться. Чтобы зарегистрировать нейтрино,
нужен большой объем вещества. Потоки нейтрино сверхвысоких
энергий, которые рождаются в далеком космосе, теряют свою
интенсивность с ростом расстояния до их источника. Значит
число взаимодействий нейтрино на Земле тоже уменьшается. В
лабораторных условиях обеспечить настолько большой объем вещества
проблематично. Но у нас есть отличная возможность использовать
естественные водоемы — моря, океаны, озера или лед, как на Южном
полюсе. Для регистрации астрофизических нейтрино нужно
использовать примерно 1 кубический километр вещества или 1
миллиард тонн.
Нейтрино прилетает в байкальскую воду, взаимодействует с
веществом, рождая мюон, электрон или тау-лептон, в зависимости от
аромата нейтрино. Частица движется по прямой траектории, заданной
направлением прилета нейтрино. Если частица имеет ненулевой
электрический заряд и движется быстрее света в этой среде, то
возникает голубоватое свечение, открытое в середине прошлого века
Сергеем Ивановичем Вавиловым и Павлом Алексеевичем Черенковым.
Фотоумножители как раз и регистрируют это свечение.
Оптические модули телескопа
Фото: Николай Мохначев / Научная Россия
Но и здесь не всё так просто. К нам из космоса прилетает
множество космических лучей — элементарных частиц и ядер атомов,
движущихся с высокими энергиями в космическом пространстве.
Сталкиваясь с земной атмосферой, они порождают «зоопарк» частиц,
среди которых могут быть и мюоны. Тем самым детектор может
зарегистрировать не только мюоны от нейтрино, но и те, что
появились в атмосфере. Именно поэтому детекторы помещаются как
можно глубже под воду, чтобы интенсивность атмосферных мюонов
была меньше.
— А есть ли еще способы, как можно увидеть
нейтрино?
— Да, есть и другие способы регистрации нейтрино. Первый связан с
реакторными антинейтрино. Любой реактор испускает большое
количество антинейтрино: каждую секунду на 1 гигаватт термальной
мощности реактора излучается примерно
1020 антинейтрино. При этом, у каждого реактора
средняя мощность порядка 3-х гигаватт. Чтобы зарегистрировать
данные типы нейтрино, можно использовать сцинтилляционные
детекторы.
Сцинтилляторы — это особые вещества, обладающие способностью
излучать свет при поглощении ионизирующего излучения. Возбуждение
происходит за счет ионизации, а не за счет механического
воздействия. При этом, высвечивание света происходит быстро, в
форме почти мгновенной для глаза вспышки. Интересно, что обычно
сцинтиллятор светится в диапазоне длин волн, в которых
фотоумножители не чувствительны. Поэтому в сцинтиллятор
добавляются специальные химические примеси, которые смещают
спектр излучения в область чувствительности фотоумножителей. К
примеру, Объединенный институт ядерных исследований принимает
активное участие в коллаборации JUNO. Экспериментальный зал
установки JUNO будет располагаться в 700 метрах под землей.
Детектор, наполненный 20 тысячами тонн жидкого сцинтиллятора,
будет просматриваться 20 тысячами больших фотоумножителей
(диаметром около полуметра) и еще 20 тысячами маленьких
(диаметром чуть больше 7.5 см) для обнаружения сцинтилляционного
света, который образуется при столкновении нейтрино с атомами
водорода. По размерам установка сопоставима с 14-этажным (только
сферическим) домом.
Второй способ регистрации связан с так называемыми солнечными
нейтрино. Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного
синтеза. Солнечный нейтринный поток напрямую связан с мощностью
Солнца, а значит, его можно вычислить теоретически. Теоретики
вычислили, экспериментаторы измерили, но результаты расходились
почти в три раза. Последующие эксперименты подтвердили это
расхождение. Так возникла загадка солнечных нейтрино. Решение
загадки дал эксперимент SNO. В нем использовалась так называемая
тяжелая вода, содержащая дейтерий. Это позволило регистрировать
как общий поток всех ароматов солнечных нейтрино, так и отдельно
компоненту электронных нейтрино.
— Поговорим подробнее о Байкальском нейтринном
телескопе. Каковы его ключевые задачи?
— Сама идея регистрации нейтрино в естественных водоемах
принадлежит советскому физику Моисею Александровичу Маркову.
Вместе с академиком Александром Евгеньевичем Чудаковым он
предложил тогда еще молодому физику Григорию Владимировичу
Домогацкому подумать над созданием детектора на Байкале. После
этого в Институте ядерных исследований РАН появилась лаборатория
нейтринной астрофизики высоких энергий, с которой началась
история Байкальского нейтринного телескопа.
Домогацкий, Чудаков и Марков были пионерами. И первое время много
сил и энергии уходило не на нейтрино как таковое, а на более
простые вещи: изучение свойств байкальской воды, подбор и
создание глубоководных разъемов, машин для резки льда,
прокладывания кабеля, создание сфер для фотоумножителей и так
далее. Миллион всяких трудностей, с которыми научное сообщество в
их лице столкнулось впервые.
Но все проблемы были решены, в том числе благодаря характеру
Григория Владимировича, которого все знают, как методичного,
спокойного, настойчивого человека. И начиная с 90-х годов
началась постепенная установка приборов на Байкале. А спустя
несколько лет были получены пионерские экспериментальные
результаты.
В это же время американские физики строили детектор на Южном
полюсе. Поистине, героический труд, поскольку строить такой
детектор во льду гораздо сложнее и дороже, как минимум раз в
двадцать.
Другой эксперимент строили европейцы в Средиземном море —
ANTARES, в рамках которого ученые развивали технологию
детектирования в морских условиях.
Эти три проекта и задавали уровень исследований в мире и,
конечно, конкурировали друг с другом.
К началу 2000-х годов американские коллеги серьезно вырвались
вперед, и стало ясно, что байкальский эксперимент безнадежно
отстал. Вслед за первой установкой ученые из США начали
строительство нового телескопа кубокилометрового масштаба —
IceCube, который принес важнейшее открытие: астрофизические
нейтрино, которые все искали, наконец, были зарегистрированы. Это
стало революцией и рождением новой науки — нейтринной астрономии.
Между тем, телескоп во льду менее точен в определении направления
нейтрино. Тогда участники байкальской коллаборации предложили
создать новую версию Байкальского нейтринного телескопа размером
в 1 кубический километр, используя важнейшие свойства байкальской
воды.
Дело в том, что в байкальской воде свет почти не рассеивается. А
это значит, что установка обеспечит высокую точность
восстановления направления нейтрино. И с 2014 года началась
активная работа по строительству нового телескопа на Байкале. Уже
в 2015-2016 годах был введен первый кластер под названием
“Дубна”.
Среди главных задач телескопа: зарегистрировать нейтрино
сверхвысоких энергий — в миллиард раз больше, чем энергии,
которые рождаются в Солнце.
Научное сообщество сейчас активно
ищет механизм, который приводит к рождению нейтрино таких
огромных энергий. Согласно одной из гипотез, ответ нужно искать в
галактиках, а точнее в их центрах, где расположены гигантские
черные дыры.
Сверхмассивные черные дыры находятся в центре практически всех
спиральных галактик. Масса таких черных дыр в миллионы или даже в
миллиарды раз превосходит массу Солнца. Когда такая черная дыра
поглощает вещество из звезд вокруг, то формируется аккреционный
диск из вещества, которое затем постепенно поглощается дырой.
Некоторые из черных дыр, после поглощения звезды, помимо
образования диска, выпускают в космос релятивистские струи или
джеты, которые могут распространяться в космическое пространство
на несколько миллионов световых лет. По сути, джеты — это
естественные ускорители частиц. Возможно, именно здесь рождаются
нейтрино сверхвысоких энергий.
— Станет ли Байкальский нейтринный
телескоп частью мировой системы?
— Конечно, да.
Каждый телескоп по отдельности решает свои задачи,
но вместе они могут дать гораздо больше. К тому же каждый из них
располагается в разных частях света, что позволяет объединять
телескопы для триангуляции — единый инструмент для определения
направлений.
— Все это напоминает поиск бозона Хиггса, когда все
научное сообщество пыталось отыскать эту частицу. И в итоге ее
обнаружили. Когда мы все-таки сможем разгадать все загадки самой
загадочной частицы — нейтрино?
— Исследования активно ведутся. Уверен, что с теми нейтринными
телескопами, которые существуют сегодня, задачи будут решены в
ближайшие 5-7 лет.
Мы не надеемся на удачу. Научное сообщество точно знает, что
необходимо сделать и за какой промежуток времени, чтобы получить
однозначный ответ. Думаю, что концу 2020-х годов большинство
загадок нейтрино будет уже решено. Что не исключает, конечно, что
появятся новые вопросы, о которых мы даже не догадываемся.
vimeo.com/video/538479531″>
Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть — Нож
В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.
Самой первой частицей, о которой узнали физики, стал электрон. Это понятие ввел еще в конце XIX века британский ученый Джордж Стоуни, чтобы описать перенос заряда в электрохимических процессах. А в 1897 году Джозеф Томсон, исследуя «катодные лучи», выяснил, что они состоят из частиц, обладающих также и волновыми свойствами.
Свойства волны и частицы во многом противоположны.
Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.
Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.Какие бывают элементарные частицы
После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено.
Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
- то, что мы видим невооруженным глазом;
- молекулярная структура;
- атомная структура;
- элементарный уровень.
Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.
Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.
Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.
Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.
Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).
Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).
Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.
Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино.
Все эти названия взяты не с потолка.
Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.
Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.
А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот.
А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой.
Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).
Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).
Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.
Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.
Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.
Составные частицы
Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.
Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.
Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.
Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.
Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.
А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.
Объяснитель: Что такое лептоны?
Элизабетта Барберио, The Conversation
Мюоны, тип лептона, изучаются на Большом адронном коллайдере — но что это такое? Кредит: ЦЕРН
Гигантский Большой адронный коллайдер в лаборатории CERN в Европе может быть закрыт до 2015 года, но во второй половине этого года там все еще будут проводиться эксперименты на гораздо меньших синхротронах, которые изучают распад частиц на электроны, мюоны и нейтрино.
принадлежат к семейству, называемому лептонами.
Так что же такое лептоны? Во-первых, давайте начнем с основ.
Материя состоит из атомов, а атомы состоят из электронов и ядер, связанных электромагнитной силой.
Электроны имеют отрицательный электрический заряд и их масса мала по сравнению с массой ядер. Ядра состоят из протонов и нейтронов. В свою очередь, протоны и нейтроны состоят из точечных частиц, называемых «верхним» и «нижним» кварками.
Насколько нам известно, электроны являются элементарными частицами; то есть они кажутся точечными частицами без внутренней структуры.
Кварки и лептоны
Так называемая Стандартная модель физики элементарных частиц, которая полностью подтверждается обширными экспериментальными результатами, предполагает, что материальная Вселенная состоит из небольшого числа фундаментальных частиц:
- кварков
- электроноподобных частиц, называемых лептонами.
Кварки связываются друг с другом за счет сильного взаимодействия, образуя, например, протоны и нейтроны. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, а взаимодействуют только через электромагнитное и слабое взаимодействие.
Кварки, по крайней мере в нормальных условиях, существуют только в связанных состояниях. Лептоны, с другой стороны, можно наблюдать индивидуально.
Типы лептонов
У нас есть экспериментальные данные о шести различных видах лептонов — трех отрицательно электрически заряженных лептонах и трех электрически нейтральных. Наиболее известными электрически заряженными лептонами являются:
- электрон (e)
- мюон (μ)
- тауон (τ)
Три электрически нейтральных лептона — это нейтрино (ν). С каждым заряженным лептоном связаны три различных типа нейтрино:
- электронное нейтрино (νe)
- мюонное нейтрино (νμ)
- тауонное нейтрино (νε)
ассоциированная античастица, имеющая ту же массу, но противоположный заряд.
Электрон знаком каждому. Он напрямую связан с химическими свойствами почти всех атомов. Это самая маленькая из известных нам заряженных частиц, и она очень стабильна. Античастица электрона, позитрон, имеет такую же массу, но имеет положительный заряд. Это была первая открытая частица антивещества.
Мюоны и тауоны
Мюоны и тауоны являются более тяжелыми и очень нестабильными версиями электрона.
Мюоны имеют массу в 207 раз больше массы электрона и время жизни 2,20 микросекунды. Он может создаваться в космических лучах на разной высоте над землей.
Мюоны составляют более половины космического излучения на уровне моря, остальное составляют в основном электроны, позитроны и фотоны. Средний поток (или концентрация) мюонов на уровне моря составляет около одного мюона на квадратный сантиметр в минуту.
Американские физики Карл Андерсон и Сет Неддермейер изучали космические лучи, когда в 1936 году открыли мюон. Открытие этой частицы было настолько неожиданным, что лауреат Нобелевской премии Исидор Исаак Раби воскликнул: «Кто это заказал?»
Тауон был обнаружен в экспериментах по столкновению частиц высокой энергии между 1974 и 1977 годами Мартином Перлом и его коллегами из Стэнфордского центра линейных ускорителей в Калифорнии.
Это самый массивный из лептонов, имеющий массу около 3,490 раз больше массы электрона и в 17 раз больше массы мюона. У тауона очень короткое время жизни — в 100 000 раз меньше, чем у мюона.
Нейтрино
Нейтрино образуются в различных взаимодействиях. Солнце производит миллионы нейтрино в реакциях внутреннего синтеза, которые питают его.
Поскольку нейтрино не взаимодействуют электрически или сильно, они почти никогда не взаимодействуют с другими частицами. Большинство нейтрино проходят сквозь Землю, никогда не взаимодействуя ни с одним атомом.
Поскольку нейтрино производились в большом количестве в ранней Вселенной и редко взаимодействовали с материей, во Вселенной их много.
Открытие того, что нейтрино имеют очень маленькую массу, по крайней мере, в миллион раз легче электрона, повышает вероятность того, что нейтрино получают свою массу в результате неизвестных процессов, которые могут не быть связаны с недавно открытым бозоном Хиггса.
Сложное генеалогическое древо
Все элементарные частицы материи по какой-то загадочной причине организованы в три отдельных семейства.
Первое семейство, включающее электрон, электронное нейтрино и верхний и нижний кварки, дает нам знакомую материю в виде протонов, нейтронов и электронов. (Частицы второго и третьего семейств не являются частью обычной материи. Они существовали в первую долю секунды Вселенной, но очень быстро распались, превратившись в частицы первого семейства.)
«Компактный» детектор мюонного соленоида на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Кредит: ЦЕРН
Текущая теория физики элементарных частиц предполагает, что существует не более трех семейств лептонов. Это связано с экспериментальными данными, указывающими на существование трех типов нейтрино и, следовательно, трех семейств лептонов.
Одним из доказательств является измеренное соотношение содержания водорода и гелия во Вселенной. При моделировании процесса образования ядер (нуклеосинтеза) в результате Большого взрыва количество типов нейтрино влияет на содержание гелия.
Наблюдаемое содержание согласуется с тремя типами нейтрино.
Несмотря на свой успех, Стандартная модель физики элементарных частиц не отвечает на вопросы, почему у нас так много типов лептонов и почему их массы так сильно различаются.
Только детальные экспериментальные исследования свойств лептонов позволят лучше понять эту тайну.
Узнать больше
Охота на частицу утконоса
Источник:
Разговор
Эта история опубликована с разрешения The Conversation (под лицензией Creative Commons-Attribution/Без производных).
Цитата :
Объяснитель: Что такое лептоны? (2014, 7 января)
получено 6 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2014-01-leptons.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
лептонов
лептонов
Лептоны и кварки являются основными строительными блоками материи, т. е. рассматриваются как «элементарные частицы». В нынешней структуре есть шесть лептонов: электроны, мюоны и тау-частицы и связанные с ними нейтрино. Различные разновидности элементарных частиц обычно называют «ароматами», и здесь считается, что нейтрино имеют совершенно разные ароматы. Важными принципами для всех взаимодействий частиц являются сохранение лептонного числа и сохранение барионного числа. Теперь, когда у нас есть экспериментальные данные о шести лептонах, уместно задать вопрос: «Есть ли еще?». Настоящая стандартная модель предполагает, что существует не более трех поколений. Одним из экспериментальных доказательств этого является измеренное соотношение содержания водорода и гелия во Вселенной. Когда моделируется процесс нуклеосинтеза от Большого взрыва, количество типов нейтрино влияет на обилие гелия. Наблюдаемое содержание согласуется с тремя типами нейтрино.
| Index Концепции частиц | |
|
Как один из лептонов, электрон рассматривается как одна из фундаментальных частиц. Античастица электрона, позитрон, идентична по массе, но имеет положительный заряд. Если электрон и позитрон встретятся, они аннигилируют с образованием двух гамма-лучей. С другой стороны, одним из механизмов взаимодействия излучения с веществом является парное рождение электрон-позитронной пары. С электроном связано электронное нейтрино.
| Index Концепции частиц | ||||||||||||||||||||||||||
|
Это фермион со спином 1/2, и поэтому он ограничен принципом запрета Паули, фактом, который имеет ключевое значение для построения периодической таблицы элементов.
511 Мюон — это лептон, который распадается с образованием электрона или позитрона. Тот факт, что приведенный выше распад является трехчастичным распадом, является примером сохранения лептонного числа; в распаде должно быть одно электронное нейтрино и одно мюонное нейтрино или антинейтрино. Время жизни мюона составляет 2,20 микросекунды. Мюон образуется в верхних слоях атмосферы в результате распада пионов, вызванных космическими лучами: Измерение потока мюонов космического происхождения на разных высотах над Землей является важным экспериментом по замедлению времени в теории относительности. Мюоны составляют более половины космического излучения на уровне моря, а остальную часть составляют в основном электроны, позитроны и фотоны от каскадных событий. (Рихтмайер) Средний поток мюонов на уровне моря составляет около 1 мюона на квадратный сантиметр в минуту.
Лептон — определение, типы и свойства|TuritoЛептонЧто такое лептон? Лептон представляет любую группу элементарных частиц, которые реагируют только на силу Лоренца, гравитационную силу и слабое взаимодействие, а на лептоны не действует сильное ядерное взаимодействие. Мельчайшие лептоны – это электроны с массой, равной 1/1840-й части протона. Самыми тяжелыми лептонами являются мюоны, масса которых более чем в 200 раз превышает массу электрона. Таус содержит почти в 3700 раз большую массу, чем электроны. Каждый заряженный лептон содержит связанный с ним нейтральный ассоциат, или нейтрино (тау-нейтрино, электрон- и мюон-), который не имеет электростатического заряда и минимальной массы. Кроме того, у каждого лептона, как и у нейтрино, есть альфа-частицы, известные как антилептоны. Масса лептонов и масса антилептонов одинаковы, а остальные качества противоположны. Спин или встроенный угловой момент является характерным свойством лептонов, помимо их характеристик заряда и массы. Общее число лептонов L (разность общего числа антилептонов и лептонов) стабильно. Кроме того, кажется, что все законы сохранения лептонов сохраняются; например, число электрон-нейтрино и электронов сохраняется индивидуально из общего количества мюонных-нейтрино и мюонов. Максимальное нарушение закона сохранения лептонов составляет компонент на миллион. Определение лептоновМы знаем, что атом состоит из электронов и нуклонов. Атом описывается силой Лоренца, которую также называют тем, что масса электрона меньше массы нуклона (он содержит протоны и нейтроны). Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны кажутся прямоугольными кварками, расположенными вертикально в ядрах. Согласно квантовой механике, мы определяем лептоны как субатомные частицы с полуцелым значением спина (½). Электроноподобные лептоны называются электрически заряженными лептонами. Нейтрино- Нейтрально заряженный лептон. Электрически заряженные лептоны могут сливаться с различными частицами, создавая более скопившиеся частицы, такие как позитроний и атомы (они имеют ту же массу, что и электрон, но содержат положительный заряд), в то время как нейтрино с трудом соединяется с различными частицами, а также они вряд ли считается. Хорошо известный лептон — это электроны (он содержит минимальную массу по сравнению с каждым заряженным лептоном). Два класса, прокомментированные выше, подразделяются на шесть видов и делятся на три группы: Электронные лептоны – это лептоны первого поколения, состоящие из электронного нейтрино и электрона. Мюонные лептоны подпадают под лептоны второго поколения, состоящего из мюонного нейтрино и мюона. И, наконец, тевтонские лептоны, состоящие из тау-нейтрино и тау-нейтрино. Что такое лептоны?Лептон определяется как полуцелое значение спиновой частицы, на которую не действуют сильные силы. Хардоны — это частицы, на которые не действуют сильные силы. В настоящей модели у нас есть шесть лептонов: тау-частицы, электроны и мюоны, а также связанные с ними нейтрино. Электрон — известный лептон. Другими лептонами являются мюон ( ) и тау ( ), другие лептоны, у которых масса не такая, как у электрона, но они имеют заряды, как у электронов. А остальные лептоны — это нейтрино ( ) и их типы. Типы лептонов В нынешней формации у нас есть шесть видов лептонов. Это атомы мюона, электрона и тау и связанные с ними нейтрино. Лептоны считаются субатомными частицами и не кажутся маленькими частицами материи. Они действуют как частицы эмиссионных линий. Каждый эптон является фермионом, т. е. лептоны содержат значение спина 1/2, что соответствует принципу запрета Паули. Для построения элементов периодической таблицы этот факт является важным признаком.
Свойства лептонов Согласно теореме о спиновой статистике, лептоны являются субатомными частицами; следовательно, задействован закон запрета Паули. Тесно связанным свойством лептонов является хиральность. Это может быть связано с очень простым визуальным атрибутом, называемым спиральностью (спиральность — это направление вращения объекта, приложенное к относительной силе). Частицы с одинаковым спиновым импульсом называются правовращающими, или же неуклюжими. Слабое взаимодействие Стандартной модели и левые и правые фермионы рассматриваются по-разному. Слабое взаимодействие Стандартной модели — это случай, когда равное нарушение внешне записано в записях. Определено, что фермионы правого и левого антинейтрино не будут содержать связи ни с одной из частиц. Правозакрученные атомные частицы находятся под напряжением и не соединяются и не притягиваются в слабой связи, особенно. Тем не менее, правосторонние частицы соединяются электрически и, следовательно, взаимодействуют в слабой электрической силе с различными силами. Другим важным свойством лептонов является электрический заряд, определяющий мощность их парамагнетической связи. Это означает его силовое поле и то, как оно будет реагировать на различные электрические и магнитные поля. Лептоны поддерживают пространственное вращение, используя свой спин и заряженные атомные частицы, создающие магнитное поле. Следовательно, каждое поколение состоит из лептона, заряженного электрически, и лептона, заряженного неэлектрически. Истина передает электромагнитное вторжение заряженных лептонов, которые частицы связывают с электромагнитным квантовым полем фотонов. Лептонное сопротивлениеЛептон – совокупность первичных (субатомных) частиц. Это означает, что лептоны не состоят из различных частиц (кварков нет) Лептоны связаны с различными частицами посредством слабых, лоренцевских и гравитационных сил. Лептоны не будут притягиваться к сильным ядерным силам Самые распространенные лептоны:
Заключение Мы говорим, что лептон определяется как группа частиц (таких как нейтрино, электроны и мюоны), которые содержат ½ как спиновое квантовое число, и на него не действуют более сильные силы. |
7
Его масса примерно в 17 раз больше массы мюона, другого массивного лептона.
511
96×10 -13 
Лептоны считаются атомными частицами; Таким образом, лептоны непредсказуемы в том смысле, что они кажутся состоящими из крошечных частиц материи. Лептоны могут принять либо одну часть электростатического заряда, либо стать нейтральными. Таус, мюоны и электроны — это заряженные лептоны. Все эти виды имеют разные массы и отрицательные заряды.
Лептоны относятся к широкому набору ультраэлементарных частиц, барионов, спин которых определяется полуцелыми числами. Полное число лептонов кажется одинаковым в реакции каждого бита.