Частица-призрак: нейтрино. Нейтрино что это такое
Что такое нейтрино
Содержание страницы:
Нейтрино — элементарная частица с очень маленькой массой. Они причислены к классу лептонов, имеют полуцелый спин и могут участвовать только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Нейтрино, хоть и слабо, но всё же взаимодействуют с материей. А это означает что у неё есть какая-то масса! Определение её массы было чрезвычайно важно. Если узнать массу одной частички, можно примерно определить их суммарную массу и плотность. Масса эта даст вклад в общую массу Вселенной, а это очень важный показатель в современной космологии и используется в множестве расчётов. За одну секунду каждый квадратный сантиметр нашего тела пронзают примерно 60 000 000 000 нейтрино, которые посылает нам Солнце.
Проникающая способность этих частиц так велика, что они беспрепятственно пронзают свинцовую среду толщиной в сто световых лет!
В переводе с итальянского, название этой частицы звучит как «нейтрончик». В. ПаулиВольфганг Эрнст Паули — швейцарский физик-теоретик, работавший в области физики элементарных частиц и квантовой механики первым допустил наличие электрически нейтральных лёгких частиц, имеющих половинный спин. В отличие от Паули, который считал, что частица находится в ядре в готовом виде, Ферми допустил что она рождается в процессе внутриядерного превращения нейтрона в электрон и протон. В результате, протон остаётся в самом ядре, а электрон вместе с нейтрино вылетает в пространство.
Солнечные нейтрино
Наше Солнце, фактически являясь огромным термоядерным реактором, образует огромное количество нейтрино. Потоки этих частиц регистрируются на Земле с конца 60-х годов ХХ века. Но число частиц получается отличным от модели, которая описывает солнечные процессы на Солнце. Такое расхождение долго оставалось тайной солнечной физики.
На сегодняшний день принято считать что некоторая часть солнечных нейтрино, двигаясь к Земле претерпевает какие-то изменения и превращается в другие сорта нейтрино.
Такие нейтринные осцилляции уже фактически подтверждены экспериментально в нейтринной обсерватории, расположенной в канадском Садбери. Эта обсерватория располагается на двухкилометровой глубине, в шахте. Здесь были уловлены частички всех трёх типов, из них лишь треть оказалась электронными. Таким количеством подтверждается теория, предсказывающая переход нейтрино одного сорта в другой.Скорость нейтрино — не быстрее света
В конце 2011 года научный мир всколыхнула новость о превышении световой скорости мюонными нейтрино. Эксперименты проводились на ускорителе в ЦЕРНе. Было заявлено о превышении скорости света на 0,00248%. Но после тщательных и независимых измерений оказалось, что сенсация преждевременна. Ошибки в расчетах возникли из-за плохого стыка в одном из оптических кабелей.
Где применяют
- Нейтринная астрономия. Этот раздел астрономии изучает нейтринные излучения, поступающие из источников вне солнечной системы. Результаты этих исследовании проливают свет на происходящие космические процессы. Все звёзды излучают не только свет, но и нейтринные потоки, возникающие как следствие ядерных реакций. Поздние стадии эволюции звезды характерны большой потерей нейтрино (до 90%), вследствие чего происходит нейтринное «охлаждение». Так как нейтринные потоки без какого-либо поглощения способны преодолевать гигантские расстояния, можно изучать свойства очень удалённых объектов.
- Диагностика протекания ядерной реакции. Эта диагностика применима к промышленным ядерным реакторам и атомным электростанциям. Это направление очень перспективно, и многие страны ведут работы по изготовлению специальных детекторов. Они должны измерять мощность реактора и композитный состав топлива в реальном времени посредством измерения нейтринного спектра реактора.
- Средства связи. Связь на основе нейтринных потоков пока только в теоретических разработках. Она сделает возможным передачу данных в любые точки земного пространства, подземные и подводные. Очень важное преимущество — передача информации сквозь толщу планеты и на сверхдальние расстояния без потерь мощности сигнала.
- Геология. Те нейтрино, которые образовались после радиоактивного распада элементов, находящихся внутри Земли, могут помочь в изучении внутреннего состава планеты. Если измерить интенсивность потока нейтрино в различных точках планеты, возможно составление карты, на которой отобразятся источники радиоактивного тепловыделения.
Нейтринное охлаждение звёзд
Нейтринное охлаждение играет значительную роль при взрыве сверхновых. Нейтринные потоки, свободно исходящие из недр взорвавшейся сверхновой звёзды, уносят энергию из эпицентра взрыва, тем самым охлаждая звезду. Значения температур во время взрыва очень высоки, и нейтрино с большей эффективностью выводит энергию из внутренних областей. По этому же принципу со временем остывают белые карлики и нейтронные звёзды.
comments powered by HyperCommentslight-science.ru
Частица нейтрино: определение, свойства, описание. Осцилляции нейтрино
Нейтрино – это элементарная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда. Она обладает очень малой массой, которая может быть даже нулевой. От массы зависит и скорость нейтрино. Различие во времени прибытия частицы и света составляет 0,0006 % (± 0,0012 %). В 2011 г. в ходе эксперимента OPERA было установлено, что скорость нейтрино скорость света превышает, но независимый опыт этого не подтвердил.
Неуловимая частица
Это одна из наиболее распространенных частиц во Вселенной. Так как она очень мало взаимодействует с веществом, ее невероятно трудно обнаружить. Электроны и нейтрино не участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, но и в равной степени принимают участие в слабых. Частицы, обладающие такими свойствами, называются лептонами. В дополнение к электрону (и его античастице позитрону), к заряженным лептонам относят мюон (200 масс электрона), тау (3500 масс электрона) и их античастицы. Их так и называют: электрон-, мюон- и тау-нейтрино. У каждого из них есть антиматериальная составляющая, называемая антинейтрино.
Мюон и тау, подобно электрону, имеют сопутствующие им частицы. Это мюон- и тау-нейтрино. Три типа частиц различаются друг от друга. Например, когда мюонные нейтрино взаимодействуют с мишенью, они всегда производят мюоны, и никогда тау или электроны. При взаимодействии частиц, хотя электроны и электрон-нейтрино могут создаваться и уничтожаться, их сумма остается неизменной. Этот факт приводит к разделению лептонов на три вида, каждый из которых обладает заряженным лептоном и сопровождающим его нейтрино.
Для обнаружения этой частицы необходимы очень большие и чрезвычайно чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низким уровнем энергии будут путешествовать в течение многих световых лет до взаимодействия с веществом. Следовательно, все наземные эксперименты с ними полагаются на измерении их малой доли, взаимодействующей с регистраторами разумных размеров. Например, в нейтринной обсерватории в Садбери, содержащей 1000 т тяжелой воды, через детектор проходит около 1012 солнечных нейтрино в секунду. А обнаруживается только 30 в день.
История открытия
Вольфганг Паули первым постулировал существование частицы в 1930 г. В то время возникла проблема, потому что казалось, что энергия и угловой момент не сохраняются при бета-распаде. Но Паули отметил, что если будет излучаться не взаимодействующая нейтральная частица нейтрино, то закон сохранения энергии будет соблюден. Итальянский физик Энрико Ферми в 1934 развил теорию бета-распада и дал частице ее имя.
Несмотря на все предсказания, в течение 20 лет нейтрино не могли обнаружить экспериментально из-за его слабого взаимодействия с веществом. Так как частицы электрически не заряжены, на них не действуют электромагнитные силы, и, следовательно, они не вызывают ионизацию вещества. Кроме того, они вступают в реакцию с веществом только через слабые взаимодействия незначительной силы. Поэтому они являются наиболее проникающими субатомными частицами, способными проходить через огромное число атомов, не вызывая никакой реакции. Только 1 на 10 миллиардов этих частиц, путешествуя через материю на расстояние, равное диаметру Земли, вступает в реакцию с протоном или нейтроном.
Наконец, в 1956 году группа американских физиков во главе с Фредериком Райнесом сообщила об открытии электрон-антинейтрино. В ее экспериментах антинейтрино, излучаемые ядерным реактором, взаимодействовали с протонами, образуя нейтроны и позитроны. Уникальные (и редкие) энергетические сигнатуры этих последних побочных продуктов стали доказательствами существования частицы.
Открытие заряженных лептонов мюонов стало отправной точкой для последующей идентификации второго вида нейтрино – мюонных. Их идентификация была проведена в 1962 году на основе результатов эксперимента в ускорителе частиц. Высокоэнергетические мюонные нейтрино образовывались путем распада пи-мезонов и направлялись на детектор таким образом, чтобы можно было изучить их реакции с веществом. Несмотря на то что они являются нереакционноспособными, как и другие типы этих частиц, было обнаружено, что в тех редких случаях, когда они реагировали с протонами или нейтронами, мюон-нейтрино образуют мюоны, но никогда электроны. В 1998 г. американские физики Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер получили Нобелевскую премию по физике за идентификацию мюон-нейтрино.
В середине 1970 годов физика нейтрино пополнилась еще одним видом заряженных лептонов – тау. Тау-нейтрино и тау-антинейтрино оказались связанными с этим третьим заряженным лептоном. В 2000 году физики в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми сообщили о первых экспериментальных доказательствах существования этого типа частиц.
Масса
Все типы нейтрино обладают массой, которая гораздо меньше, чем у их заряженных партнеров. Например, эксперименты показывают, что масса электрон-нейтрино должна быть меньше 0,002 % массы электрона и что сумма масс трех разновидностей должна быть меньше 0,48 эВ. В течение многих лет казалось, что масса частицы равна нулю, хотя не было никаких убедительных теоретических доказательств, почему это должно быть именно так. Затем, в 2002 году, в Нейтринной обсерватории в Садбери было получено первое прямое доказательство того, что электрон-нейтрино, испускаемые ядерными реакциями в ядре Солнца, пока они проходят сквозь него, изменяют свой тип. Такие «осцилляции» нейтрино возможны, если один или несколько видов частиц обладают некоторой малой массой. Их исследования при взаимодействии космических лучей в атмосфере Земли также свидетельствуют о наличии массы, но требуются дальнейшие эксперименты, чтобы более точно ее определить.
Источники
Естественные источники нейтрино – это радиоактивный распад элементов в недрах Земли, при котором испускается большой поток низкоэнергетических электронов-антинейтрино. Сверхновые тоже являются преимущественно нейтринным явлением, поскольку только эти частицы могут проникать сквозь сверхплотный материал, образующийся в коллапсирующей звезде; лишь малая часть энергии преобразуется в свет. Расчеты показывают, что около 2 % энергии Солнца – это энергия нейтрино, образованных в реакциях термоядерного синтеза. Вполне вероятно, что большая часть темной материи Вселенной состоит из нейтрино, образовавшихся во время Большого взрыва.
Проблемы физики
Области, связанные с нейтрино и астрофизикой, разнообразны и быстро развиваются. Текущие вопросы, привлекающие большое число экспериментальных и теоретических усилий, следующие:
- Каковы массы различных нейтрино?
- Как они влияют на космологию Большого взрыва?
- Осциллируют ли они?
- Могут ли нейтрино одного типа превращаться в другой, пока они путешествуют через материю и пространство?
- Являются ли нейтрино принципиально отличными от своих античастиц?
- Как звезды разрушаются и образуют сверхновые?
- Какова роль нейтрино в космологии?
Одной из давних проблем, вызывающей особый интерес, является так называемая проблема солнечных нейтрино. Это название относится к тому, что во время нескольких наземных экспериментов, проводившихся в течение последних 30 лет, постоянно наблюдалось меньше частиц, чем необходимо для производства энергии, излучаемой солнцем. Одним из возможных ее решений является осцилляция, т. е. преобразование электронных нейтрино в мюонные или тау во время путешествия к Земле. Так как гораздо труднее измерить низкоэнергетические мюон- или тау-нейтрино, такого рода преобразование могло бы объяснить, почему мы не наблюдаем правильного количества частиц на Земле.
Четвертая Нобелевская премия
Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду за обнаружение массы нейтрино. Это была четвертая подобная награда, связанная с экспериментальными измерениями данных частиц. Кого-то, возможно, заинтересует вопрос о том, почему мы должны так беспокоиться о чем-то, что с трудом взаимодействует с обычной материей.
Сам факт того, что мы можем обнаружить эти эфемерные частицы, является свидетельством человеческой изобретательности. Поскольку правила квантовой механики вероятностны, мы знаем, что, несмотря на то что почти все нейтрино проходят сквозь Землю, некоторые из них будут с ней взаимодействовать. Детектор достаточно большого размера способен это зарегистрировать.
Первое подобное устройство было построено в шестидесятые годы глубоко в шахте в Южной Дакоте. Шахта была заполнена 400 тыс. л чистящей жидкости. В среднем одна частица нейтрино каждый день взаимодействует с атомом хлора, превращая его в аргон. Невероятно, но Раймонд Дэвис, отвечавший за детектор, придумал способ обнаружения этих нескольких атомов аргона, и четыре десятилетия спустя в 2002 году за этот удивительный технический подвиг он был удостоен Нобелевской премии.
Новая астрономия
Поскольку нейтрино так слабо взаимодействуют, они могут путешествовать на огромные расстояния. Они дают нам возможность заглянуть в места, которые иначе мы бы никогда не увидели. Нейтрино, обнаруженные Дэвисом, образовывались в результате ядерных реакций, которые проходили в самом центре Солнца, и смогли покинуть это невероятно плотное и горячее место только потому, что они почти не взаимодействуют с другой материей. Можно даже обнаружить нейтрино, летящее из центра взорвавшейся звезды на расстоянии более ста тысяч световых лет от Земли.
Кроме того, эти частицы позволяют наблюдать Вселенную в ее очень малых масштабах, намного меньших, чем те, в которые может заглянуть Большой адронный коллайдер в Женеве, обнаруживший бозон Хиггса. Именно по этой причине Нобелевский комитет решил присудить Нобелевскую премию за открытие нейтрино еще одного типа.
Загадочная недостача
Когда Рэй Дэвис наблюдал солнечные нейтрино, он обнаружил лишь треть от ожидаемого их количества. Большинство физиков считало, что причиной этого является плохое знание астрофизики Солнца: возможно, модели недр светила переоценивали количество производимых в нем нейтрино. Тем не менее на протяжении многих лет, даже после того, как солнечные модели улучшились, дефицит сохранялся. Физики обратили внимание на другую возможность: проблема могла быть связана с нашими представлениями об этих частицах. В соответствии с превалировавшей тогда теорией они массой не обладали. Но некоторые физики утверждали, что на самом деле частицы имели бесконечно малую массу, и эта масса являлась причиной их нехватки.
Трехликая частица
Согласно теории осцилляции нейтрино, в природе существует три их различных типа. Если частица обладает массой, то по мере движения она может переходить из одного типа в другой. Три вида – электронный, мюонный и тау – при взаимодействии с веществом могут преобразовываться в соответствующую заряженную частицу (электрон, мюон или тау-лептон). «Осцилляция» происходит благодаря квантовой механике. Тип нейтрино не постоянен. Он меняется с течением времени. Нейтрино, начавшее свое существование как электронное, может превратиться в мюонное, а затем обратно. Таким образом, частица, образованная в ядре Солнца, по дороге к Земле может периодически превращаться в мюон-нейтрино и наоборот. Поскольку детектор Дэвиса мог обнаружить только электрон-нейтрино, способное привести к ядерной трансмутации хлора в аргон, то казалось возможным, что недостающие нейтрино превратились в другие типы. (Как оказалось, нейтрино осциллируют внутри Солнца, а не на пути к Земле).
Канадский эксперимент
Единственным способом проверить это было создание детектора, который работал для всех трех типов нейтрино. Начиная с 90-х годов Артур Макдональд из Королевского университета в Онтарио возглавлял команду, которая это осуществила в шахте в Садбери, Онтарио. Установка содержала тонны тяжелой воды, предоставленной в кредит правительством Канады. Тяжелая вода является редкой, но встречающейся в природе формой воды, в которой водород, содержащий один протон, заменен его более тяжелым изотопом дейтерием, который содержит протон и нейтрон. Канадское правительство складировало тяжелую воду, т. к. она используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Все три типа нейтрино могли разрушить дейтерий с образованием протона и нейтрона, а нейтроны затем подсчитывали. Детектор регистрировал примерно в три раза большее число частиц по сравнению с Дэвисом – именно то количество, которое предсказывалось лучшими моделями Солнца. Это позволило предположить, что электрон-нейтрино могут осциллировать в другие его типы.
Японский эксперимент
Примерно в то же время Такааки Кадзита из Университета Токио проводил еще один замечательный эксперимент. Детектор, установленный в шахте в Японии, регистрировал нейтрино, приходящие не из недр Солнца, а из верхних слоев атмосферы. При столкновении протонов космических лучей с атмосферой образовываются ливни других частиц, в том числе мюонные нейтрино. В шахте они превращали ядра водорода в мюоны. Детектор Кадзиты мог наблюдать частицы, приходящие в двух направлениях. Одни падали сверху, приходя из атмосферы, а другие двигались снизу. Число частиц было различным, что говорило о разной их природе – они находились в разных точках своих осцилляционных циклов.
Переворот в науке
Это все экзотично и удивительно, но почему осцилляции и массы нейтрино привлекают к себе столько внимания? Причина проста. В стандартной модели физики элементарных частиц, разрабатывавшейся на протяжении последних пятидесяти лет двадцатого века, которая правильно описывала все остальные наблюдения в ускорителях и других экспериментах, нейтрино должны были быть безмассовыми. Открытие массы нейтрино говорит о том, что чего-то не хватает. Стандартная модель не является полной. Недостающие элементы еще предстоит открыть – с помощью Большого адронного коллайдера или другой, еще не созданной машины.
fb.ru
Нейтрино - это... Что такое Нейтрино?
Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов.
Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около 100 св. лет). Также известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6·1010 нейтрино, испущенных Солнцем[1]. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями[2].Свойства нейтрино
Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:
Масса нейтрино крайне мала. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ[3][4]. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7·10−3 эВ².
Масса нейтрино важна для предположения объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.
Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга. Это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино. Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в котором были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Подтверждение нейтринных осцилляций потребует внесения изменений в Стандартную модель.
В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной.[5]
Существуют теоретические предпосылки, предсказывающие существование четвёртого типа нейтрино — стерильного нейтрино (англ.). Однозначного экспериментального подтверждения (эксперименты MiniBooNE (англ.), LSND (англ.)) их существования пока нет.
История открытия
Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов ХХ века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.
С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть, спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным, и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр альфа-частиц при альфа-распаде.
Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Н. Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии! Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.
Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы выдвинул 4 декабря 1930 г. Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:
…имея в виду … непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти «обменную статистику» и закон сохранения энергии. Именно имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином 1/2… Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при β-распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон», таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной. Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь; серьёзность положения с непрерывным β-спектром хорошо проиллюстрировал мой уважаемый предшественник г-н Дебай, который недавно заявил мне в Брюсселе: «О… об этом лучше не думать вовсе, как о новых налогах».— «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».
Впоследствии нейтроном была названа, как оказалось, другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах 1933—1934 итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино».
На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.
Перспективы использования
Одно из перспективных направлений использования нейтрино — это нейтринная астрономия. Известно, что звёзды, кроме света, излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звёздной эволюции за счёт нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии (нейтринное охлаждение), то изучение свойств нейтрино (в частности — энергетического спектра солнечных нейтрино) помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать ещё более удалённые астрономические объекты[6].
Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведённые в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять реакторный нейтринный спектр и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).
Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю[7].
Исследования нейтрино
Нейтрино изучается в нескольких лабораториях в США, Италии, Японии.
Регистрации возможного превышения скорости света
22 сентября 2011 года коллаборация OPERA объявила о регистрации возможного превышения скорости света мюонными нейтрино (на 0,00248 %).[8][9][10] Нейтрино от ускорителя SPS (ЦЕРН, Швейцария) якобы прибывали к детектору (находящемуся на расстоянии 730 км в подземной лаборатории Гран-Сассо, Италия) на 61±10 наносекунд раньше расчётного времени; это значение получено после усреднения по 16 тысячам нейтринных событий в детекторе за три года. Физики обратились к своим коллегам с просьбой проверить результаты в подобных экспериментах MINOS (лаборатория Fermilab возле Чикаго) и T2K (Япония).
Менее чем за месяц в архиве препринтов появилось около 90 статей, предлагающих возможные объяснения зарегистрированного эффекта[11].
23 февраля 2012 года коллаборация OPERA сообщила об обнаружении двух ранее неучтенных эффектов, которые могли иметь влияние на процесс измерения времени полёта нейтрино. Для проверки степени влияния данных эффектов на результаты измерений было решено провести новые эксперименты с нейтринными пучками[12][13]. Проведенные в ноябре-декабре 2011 года независимые измерения в той же лаборатории (эксперимент ICARUS) сверхсветовых скоростей нейтрино не обнаружили[14].
В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)[15].
В культуре
- Нейтрино посвящена песня Тимура Шаова — «Свободная частица»[16].
- В фильме «2012» произошедший на Солнце выброс нейтрино привёл к расплавлению земного ядра, что привело к геотектонической катастрофе. Это, конечно, кинематографическая выдумка, т.к. нейтрино не провзаимодействовало бы с веществом Земли.
Примечания
Ссылки
Научно-популярные фильмы
См. также
dic.academic.ru
Нейтрино - что это?
Многие видели художественный фильм о полной катастрофе Земли, которая произошла из-за небывалой ранее вспышки на Солнце. Как следствие — появление усиленного потока нейтрино, который начал разогревать ядро нашей планеты. Попытаемся разобраться — что такое нейтрино?
Элементы всего сущего
Абсолютно все, видимое и невидимое нашими глазами, состоит из микрочастиц — атомов и молекул. В основном молекулы состоят от нескольких до многих тысяч соединений атомов. Атом, в свою очередь, состоит из ядра и окружающих его отрицательно заряженных электронов. Само ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц — нейтронов. При распаде нейтрона испускается электрон и антинейтрино и высвобождая определенное количество энергии, становится протоном. В общем, если не забивать себе голову, нейтрино образуется из-за процессов, происходящих в атомах, из которых состоит все вокруг нас.
Антинейтрино и нейтрино. История и факты
В 20-х годах 20-го века остро встал вопрос чистой математики. Общее количество выделяемой энергии, при распаде частиц ядра атома, оказалось неравным сложенному количеству энергии на всех его уровнях. Выражаясь проще — энергия куда-то девалась. Поэтому, исходя из расчетов, физик Паули в 30-м году предположил наличие еще одной частицы и процесс поиска пошел. Но лишь в 1956 году существование антинейтрино, а стало быть и ее противоположности было доказано. Дело оставалось за малым — найти эту частицу фактически.
Экспериментальное обнаружение нейтрино
С 60-х годов прошлого века было произведено немалое количество экспериментов по выявлению этих частиц. Вот названия некоторых из них: БАЙКАЛ, НЕВОД, ANTARES, DONUT, OPERA, BOREXINO, DAYA BAY.
Построены специальные, дорогостоящие лаборатории:
- Садбери — находится на глубине 2-х км под землей. Функционировала с 1999 по 2006 гг. Сейчас происходит переоборудование для новых экспериментов;
- GERDA — мощный агрегат под горой в Италии;
- ICECUBE — гигантский нейтринный детектор.
И множество других. Путем многих экспериментов было выявлено 3 вида нейтрино:
- электронные;
- мюонные;
- тау-нейтрино.
Осенью 2011 года, в лаборатории OPERA, был зафиксирован поток нейтрино быстрее скорости света. Но после проверки данного эксперимента выяснилось, что результаты были ошибочными. Причиной погрешности в вычислениях, оказалась техническая ошибка.
Нейтрино и гравитация. Гипотезы
Потоки нейтрино несутся к нам со скоростью света, из космоса: от Солнца и далеких звезд, пронзая все на своем пути. Через человеческий организм за секунду проходят триллионы этих частиц. Предполагается, что основная масса нейтрино была порождена в результате Большого взрыва.
На данный момент существует теория, что гравитация Земли и ее вращение происходят вследствие проникания нейтрино через материю, что создает отклонение тела от первоначального направления движения. Сфокусированный поток нейтрино оказывает давление на планету, что собственно и образует гравитацию. Подтверждения данная теория не имеет.
Понравилась статья? Поделитесь!
interesnie-fakti.net
Что такое Нейтрино?
Нейтрино – квант нейтрального излучения, нейтральная фундаментальная частица с небольшой массой, спин которой ½ ħ. Нейтрино принимает участие лишь в гравитационном и слабом взаимодействии, относится к классу лептонов (см. Стандартная модель.
История открытия нейтрино
История нейтрино берет начало в исследованиях бета-распада – такого вида радиоактивного распада, при котором ядро атома излучает бета-частицу, то есть электрон или позитрон. Как было уже известно в 1920-х годах, согласно модели атома, описанной Нильсом Бором, вокруг ядра атома располагается некая электронная оболочка. Электроны в этой оболочке находятся на разных так называемых энергетических уровнях, и для перехода между ними требуется определенная энергия. Таким образом, при бета-распаде электроны, вылетающие с атома, должны были нести в себе энергию, кратную той, которая потребовалась для перехода между различными энергетическими уровнями, т.е. нести дискретный спектр энергии. Данное утверждение строится на основе закона сохранения энергии. Однако в эксперименте английского физика Джеймса Чедвика было показано, что спектр энергий вылетающих электронов непрерывный, словно ядро излучает электроны с самой разной энергией, и даже не кратной энергетическим уровням.
Подобные противоречия к 1930-му году донельзя заинтересовали научное сообщество. Ведь пока решение этой задачи не найдется, истинность закона сохранения энергии останется под вопросом. Тот же Нильс Бор даже предположил, что энергия на самом деле не сохраняется и фундаментальный закон природы возможно неверен. Но в декабре 1930-го года свою гипотезу выдвинул венский физик-теоретик — Вольфганг Паули. Он положил, что электрон уносит число энергии, кратное энергии перехода, а остаток выпадает на некую другую частицу, которую назвал нейтроном. В 1932-м году Д. Чедвик открывает иную нейтральную частицу, входящую в состав ядра атома, и называет ее нейтроном. В следующем году на Солвеевском конгрессе, рассматривающем проблемы физики и химии, Паули объяснил механизм бета-распада с описанной им частицей, нейтроном. Во избежание путаницы в определении двух нейтронов, название частицы, описанной Паули, взяли из работ Энрико Ферми (1933-1934 г.), где итальянский физик называл частицу – нейтрино (с итальянского «нейтрончик»).
Общие сведения
Нейтрино – это лептоны, которые входят в Стандартную модель. Существует три типа нейтральных частиц – нейтрино, а также их три античастицы, каждый из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд:
Электронное нейтрино. Первое открытое нейтрино, а потому относится к первому поколению лептонов. Оно рождается в процессе бета-распада и высвобождает остаточную энергию, «не взятую» электронном, по этой причине и получило свое название.
Мюонное нейтрино – второй тип, описанный в 1940-х годах, и экспериментально обнаруженный в 1962-м году. Зачастую оно излучается в реакциях с участием космических лучей и при распаде π-мезонов с высокими энергиями.
Тау-нейтрино – соответствует тау-лептону, открытому в 1975-м году, и вместе с ним является лептоном третьего поколения. Экспериментально обнаружена в 2000-м году и стала предпоследней частицей, предсказанной Стандартной моделью.
Нейтрино имеет очень малое сечения взаимодействия с веществом, а потому обладает большой проникающей способностью. Например, чтобы со 100%-ной вероятностью «захватить» нейтрино при помощи железной стены, ее толщина должна достигать 1*1018 метров (108 св. лет), что в 25 раз больше расстояния до ближайшей звезды — Проксима Центавра.
Поляризация и лептонное число
Важным свойством частицы в квантовой механике является поляризация спина (о том, что такое спин – читайте здесь). Спин имеет направление, и если оно перпендикулярно направлению импульса частицы, то ее называют поперечно поляризованной, если же параллельно – то поляризация продольна. В свою очередь, если при продольной поляризации спин направлен в сторону импульса, то поляризация зовется «правой», наоборот – «левой». В результате образовался закон сохранения четности, согласно которому частицы с правой и левой поляризацией – равнозначны, и должны встречаться в природе в равном количестве.
За сложными математическими конструкциями скрываются законы природы, но как вскоре оказалось, они нарушаются нейтрино. Удивительно, но за все время исследований ученые обнаруживали только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино, что противоречит закону сохранения четности. Благодаря трудам физиков-теоретиков, казалось, истинный закон может быть спасен, но лишь в том случае, если считать нейтрино безмассовой частицей.
Другим важным физическим утверждением является закон сохранения лептонного числа, который был экспериментально подтвержден и основывается на Стандартной модели. Он гласит о том, что в замкнутой системе разница лептонов и их античастиц сохраняется. Как следствие – появились т.н. флейворные числа для трех типов нейтрино и соответствующих им лептонов. Например, в замкнутой системе должна сохраняться разница между суммой мюонов с мюонными нейтрино, и антимюонов с мюонными антинейтрино.
Но в 2015-м году была официально подтверждена теория нейтринных осцилляций, которые возможны лишь в том случае, когда нарушается закон сохранения четности и сохранения лептонного заряда.
Нейтринные осцилляции
Одной из основных физических задач, связанных с нейтрино является так называемая «проблема солнечных нейтрино». Как известно, в центре нашей звезды происходят ядерные реакции, вследствие которых должны образовываться электронные нейтрино. Имея теоретическую модель Солнца, ученые высчитали число электронных нейтрино, которые должны быть излучены звездой и зарегистрированы земными детекторами. Однако, согласно наблюдениям, которые ведутся с конца 60-х годов, количество искомых частиц в три раза меньше ожидаемого, что есть значительной погрешностью и означает неверное понимание солнечного механизма.
Не желая изменять модель Солнца, ученые выдвинули гипотезу о том, что нейтрино превращается в некую другую частицу, которая не регистрируется детекторами, а именно, недавно открытые мюонные и тау-нейтрино. Подобные осцилляции возможны с одним важным условием – наличие массы у нейтрино.
Данный феномен наблюдался двумя обсерваториями с гигантскими детекторами: японской Super-Kamiokande (г. Камиока) и канадской SNO (Садбери). Первая обсерватория позволяет фиксировать мюонные и электронные нейтрино. Учитывая полученные результаты и некоторые особенности атмосферы, японцы обнаружили, что количество мюонных нейтрино неким образом зависит от расстояния, которое прошли нейтральные частицы. То есть по пути к детекторам какая-то их часть пропадает.
Позже, в 1993-м году, канадская обсерватория в Садбери, способная различать уже все три типа нейтрино, определила, что общее число этих частиц, излучаемых Солнцем, равняется предсказанному количеству. Подобное утверждение отлично согласовывается с теорией нейтринных осцилляций и объясняет недостаточное количество электронных нейтрино.
За обнаружение нейтринных осцилляций в 2015-м году Нобелевской премией по физике были награждены Такааки Кадзита, работающий на детекторе Super- Kamiokande, и Артур Макдональд, сотрудник обсерватории Садбери. Но данное открытие определенно указывает на наличие двух важных проблем: нарушение закона сохранения лептонного заряда из-за превращения одного типа нейтрино в другого, и закона сохранения четности – из-за наличия массы, хоть и не большой (в 180 тыс. раз меньше массы электрона).
Применение
Основные области применения знаний о нейтрино – астрономия и астрофизика. Дело в том, что так же, как и Солнце, большинство других звезд излучают свою энергию в основном в виде потока нейтрино. Вместе с этим, в силу слабого поглощения этих частиц различными космическими телами, дальность их полета может значительно превышать расстояния, проходимые фотоном. Таким образом, человечество сможет изучать более удаленные звезды и прочие космические тела.
Кроме небесных объектов ученые смогут изучать и недра Земли, которые тоже излучают нейтрино в результате радиоактивности ядра, и позволят подробнее определить состав нашей планеты.
Детекторы, мгновенно регистрирующие нейтрино, которые вылетают из ядерного реактора на АЭС, приносили бы более подробную информацию о том, как проходит ядерная реакция. Это помогло бы улучшить контроль мощности и состава топлива, тем самым повысило бы уровень безопасности.
Примечательно, что потоки нейтрино могут использоваться для связи с подводными лодками и прочими объектами, сокрытыми за веществом. Слабовзаимодействующие частицы, испускаемые «источником», пролетали бы сквозь воду и достигали бы детекторов, расположенных на субмарине, после чего переводились бы в другой вид информации. Развитием этой технологии занимаются по большей части военные спецслужбы, и согласно подсчетам, передача информации таким образом будет значительно быстрее (в сотни раз).
Интересные факты о нейтрино
В 2011-м году, в эксперименте нейтринных осцилляций ЦЕРНа, было обнаружено, что частицы, пролетевшие сквозь Землю из Швеции в Италию, вероятно, превысили скорость света на 0,00248 %.
Это вызвало серьезный переполох в научном сообществе. Но сенсация быстро была опровергнута самим же ЦЕРНом, когда стало известно, что «плохо вставленный разъем оптического кабеля» привел к неточному подсчету времени полета.+
Ежесекундно сквозь человеческое тело пролетает 1*1014 нейтрино, и это только те, что излучаются Солнцем.
Как и большинство нейтринных детекторов, Super-Kamiokande располагается в цинковой шахте под землей, на глубине в 1000 метров. Герметичное помещение лаборатории представляется в виде цилиндра с диаметров 40 м. и высотой 42 м, сконструированное из нержавеющей стали и заполненное очищенной водой – 50 000 тонн. На его стенах располагается 11 тыс. фотоэлектронных умножителей– грибоподобных приборов для повышения чувствительности детектора. Система очень восприимчива к свету и обрабатывает каждый квант, проходящий сквозь нее.
lfly.ru
Что такое нейтрино?
Нейтрино - элементарная частица, относится к классу лептонов, имеет отрицательную спиральность и массу около 0,28 эВ.
В далеком 1930 году, ученые столкнулись с неожиданной проблемой. В экспериментах с бета-распадом, спектр энергий излучаемых электронов оказался непрерывным, а не дискретным, как предписывала квантовая механика. При расчетах выходило, что небольшая часть энергии куда-то пропадает, нарушая закон сохранения энергии. Нужно было срочно искать ошибку.
Отчаянную попытку спасти закон сохранения энергии предпринял Вольфганг Паули. Он предположил, что энергия не пропадает, а уносится какой-то неизвестной частицей. Неизвестная частица должна была обладать весьма необычными свойствами. Это должна быть элементарная античастица, она должна была быть сверхмалой и сверхлегкой, обладать только слабым и гравитационным взаимодействием и иметь спин равный -1/2. Физик Энрико Ферми, предложил назвать частицу нейтрино, что означает маленький нейтрон, и предположил, что нейтрино рождается во время распада нейтрона на протон и электрон. Протон остается в ядре, а нейтрино и электрон вылетают наружу. (В последствии такой нейтрино назовут электронным антинейтрино.)
Первые, относительно успешные эксперименты по поимке нейтрино, были произведены 25 лет спустя и нейтрино был официально признан существующим.
На сегодняшний день признаны следующие сорта нейтрино: электронное нейтрино/электронное антинейтрино; мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино; тау-нейтрино/анти-тау-нейтрино. Некоторые исследования намекают на возможность существования четвертого сорта нейтрино.
Сначала ученые предполагали, что нейтрино не имеет массы, но в последствии выяснилось, что масса, хоть и ничтожно маленькая, но все-таки есть. Было открыто так же, что нейтрино в полете попеременно превращается из одного сорта нейтрино в другой сорт нейтрино. Что подразумевает очень хитрый механизм изменения массы нейтрино во время осцилляций.
Благодаря своей необычной природе и сверхмалой массе, нейтрино почти не взаимодействуют с обычной материей. Для того чтобы поймать один нейтрино, требуется очень мощный источник нейтрино, очень чувствительный детектор и очень много времени. Установку, как правило, приходится прятать глубоко под землей, чтобы предотвратить попадание в детектор сторонних частиц прилетающих из космоса. Лучшие установки способны уверенно поймать всего пару нейтрино в день, вследствие этого, нейтрино все еще малоизучен.
Окончательно нейтрино еще не устоялся в науке. Неизвестно сколько сортов нейтрино может существовать в природе. Есть намеки на то, что у нейтрино есть небольшой магнитный момент или даже заряд, что плохо вписывается в стандартную теорию. Предполагается, что нейтрино способны подобно нейтронам провоцировать ядерный распад. Так же, одна из связанных с нейтрино теорий предполагает, что фотон вовсе не элементарная частица, а состоящая из пары нейтрино/антинейтрино.
Нейтрино за свою жизнь пережил несколько волн критики. Некоторые ученые на разных этапах исследований предлагали отказаться от нейтрино или призывали исследовать его в более широких рамках. Другие отмечали плохую согласованность различных теорий работающих с нейтрино. Были и те, что критикуют чрезмерно разросшийся букет разнообразных частиц, включая нейтрино, предостерегая от ошибок и случайных дубликатов.
Вот один из вариантов ранней критики:
Главной проблемой при бета распаде является проблема консервации спинов. Спин протона, нейтрона и электрона 1/2. Нужно объяснить как одна частица со спином 1/2 распадается на две частицы с таким же спином. Паули объяснил это так: 1/2->1/2+1/2+(-1/2) То есть, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино со спином -1/2. Но если мы вспомним что спин это векторная величина, а не скалярная, и произведем все те же расчеты, то все прекрасно сходится и с двумя частицами, а антинейтрино становится ненужным. Следовательно, наблюдаемые нейтрино, скоре всего являются самостоятельными частицами, возможно не имеющими прямого отношения к бета-распаду. Отсюда и скудность обнаружения вблизи источников, способных согласно теории, испускать мощнейшие потоки нейтрино.
www.bolshoyvopros.ru
Частица-призрак: нейтрино
Алексей Левин«Популярная механика» №3, 2010
Пока вы читали короткий заголовок этой статьи, через ваше тело беспрепятственно пролетело 1014 нейтрино.
Примерно сто лет назад физиков стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада вроде бы должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые, по всей видимости, тоже не сохранялись.
В принципе, эту аномалию можно объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже знаменитый профессор теоретической физики швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. В качестве «крайнего средства» (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии и углового момента Паули допустил, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином. Эти гипотетические лептоны он предложил называть нейтронами. Согласно его гипотезе, именно они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, поэтому в каждом акте бета-распада сумма энергий этой частицы и электрона должна быть постоянной.
Паули понимал, что его идея очень уязвима для критики. Впервые он сообщил о ней в письме от 4 декабря 1930 года, адресованном специалистам по радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, особо подчеркнув, что не счел возможным публиковать свою гипотезу в научном журнале. Неформальный характер этого послания выражен даже в обращении «Дорогие радиоактивные дамы и господа!». Признавая, что его предположение выглядит «почти невероятным», Паули все же попросил коллег подумать, как обнаружить гипотетическую частицу в эксперименте.
Лингвистическое нововведение Паули скоро поменяло адресата — нейтроном назвали нейтральный аналог протона, открытый в 1932 году Джеймсом Чедвиком. А вот сама идея оказалась исключительно плодотворной. В 1933–1934 годах итальянец Энрико Ферми разработал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми окрестил нейтрино. При этом он совершенно по-новому объяснил ее появление. Если Паули считал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино рождается одновременно с превращением одного из внутриядерных нейтронов в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают в окружающее пространство. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю (откуда следует, что оно обладает световой скоростью) и что для его возникновения не нужны посредники в виде каких-либо вспомогательных частиц.
Теория Ферми описывает еще один тип бета-распада, при котором возникают ядра с уменьшенным на единицу атомным номером. Она объясняет этот распад превращением протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его существование. Поскольку позитрон — античастица электрона, естественно предположить, что нейтрино тоже обладает античастицей. Принято считать, что при электронном бета-распаде возникают антинейтрино, а при позитронном — нейтрино (в соответствии с положением теории Дирака, согласно которому частицы и античастицы всегда рождаются парами). В начале 1950-х была сформулирована концепция, которая приписывает каждому лептону число 1, а антилептону число –1. При обоих типах бета-распада эти числа (их называют также лептонными зарядами) сохраняются: сначала лептонов нет вовсе, а затем рождаются лептон и антилептон (электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино), и поэтому лептонное число и до, и после распада остается нулевым.
Нейтрино обладают феноменальной проникающей способностью. Ганс Бете и Рудольф Пайерлс в том же 1934 году с помощью теории Ферми вычислили, что нейтрино с энергиями порядка нескольких МэВ взаимодействуют с веществом настолько слабо, что могут беспрепятственно преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет! Узнав об этом, Паули во время визита в Калифорнийский технологический заявил, что совершил ужасную вещь — предсказал существование частицы, которую вообще невозможно обнаружить!
Пессимистический прогноз Паули опровергли в 1955–1956 годах, после того как американские физики под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса экспериментально подтвердили существование нейтрино (за что в 1995 году Рейнес получил Нобелевскую премию, до которой не дожил Коуэн).
Источником нейтрино для их эксперимента стал один из реакторов ядерного комплекса Savannah River в штате Южная Каролина. Мощные потоки антинейтрино (10 трлн частиц на 1 см2 в секунду!) генерировались бета-распадами ядер урана и плутония. Согласно теории Ферми, антинейтрино при столкновении с протоном порождает позитрон и нейтрон (это так называемый обратный бета-распад). Эти превращения регистрировали с помощью обвешанного датчиками контейнера, заполненного водным раствором хлорида кадмия. Практически все антинейтрино проходили сквозь него беспрепятственно, но в отдельных случаях все же взаимодействовали с ядрами водорода. Возникающие позитроны аннигилировали с электронами, порождая пару гамма-квантов с энергиями порядка 0,5 МэВ. Новорожденные нейтроны поглощались ядрами кадмия, которые испускали гамма-кванты другой частоты. Длительная регистрация такого гамма-излучения позволила надежно доказать реальность нейтрино, о чем в июне 1956 года экспериментаторы известили Паули специальной телеграммой.
Когда группа Коуэна и Рейнеса завершила свой эксперимент, физики полагали, что все нейтрино одинаковы. Однако в конце 1950-х годов теоретики из Советского Союза, Соединенных Штатов Америки и Японии предположили, что нейтрино, сопровождающие рождение мюонов, отличаются от тех, что сопутствуют электронам и позитронам (эта идея впервые была высказана десятилетием раньше, но потом о ней забыли). Так возникла гипотеза нового, мюонного нейтрино (естественно, и антинейтрино). В 1961–1962 годах ее подтвердили в Брукхейвенской национальной лаборатории, и в 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер получили за это Нобелевскую премию. Позднее теоретики поняли, а экспериментаторы удостоверили, что третий и самый массивный заряженный лептон, тау-частица, тоже обладает собственным нейтрино. Так что ныне физика имеет дело с нейтральными лептонами трех видов — это электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждой лептонной паре соответствует пара кварков (в этом же порядке перечисления) — u-кварк и d-кварк, c-кварк и s-кварк, t-кварк и b-кварк.
Существованием трех видов нейтрино объясняются парадоксальные результаты определения плотности потока достигших Земли нейтрино, рожденных в термоядерных реакциях в центре Солнца. Первый детектор солнечных нейтрино Рэй Дэвис и его коллеги установили в золотодобывающей шахте в штате Южная Дакота на глубине полутора километров во второй половине 1960-х годов. Результаты их работы оказались неожиданными — плотность потока солнечных нейтрино была как минимум вдвое меньше величины, соответствующей модели внутрисолнечных процессов (уже хорошо разработанной и считавшейся вполне надежной). Со временем нейтринные обсерватории в Италии, СССР и Японии подтвердили данные американцев и с разной степенью убедительности показали, что плотность потока солнечных нейтрино примерно втрое меньше расчетной. Следует отметить, что использованный группой Дэвиса метод детектирования, основанный на нейтринном превращении хлора-37 в аргон-37, первым предложил эмигрировавший в СССР коллега Ферми, итальянский физик Бруно Понтекорво.
Полученные результаты пытались интерпретировать самыми разными путями, но в конце концов восторжествовало объяснение, предложенное более 40 лет назад Понтекорво и Владимиром Грибовым. Согласно их гипотезе, рождающиеся в недрах Солнца электронные нейтрино по пути к Земле частично изменяют свою природу и превращаются в нейтрино мюонного типа. Детекторы, о которых шла речь, их не регистрировали (или почти не регистрировали), поэтому результаты и оказались заниженными. Когда выяснилось, что существуют три разных нейтрино, стало понятным, почему измеренные показатели оказались втрое меньше ожидаемых.
Непростой характер нейтрино надежней всего доказали сотрудники канадской нейтринной обсерватории Сэд-бери (Sudbury Neutrino Observatory). Детектором у них служил установленный в действующей шахте (на глубине 2 км) контейнер из оргстекла, заполненный тысячей тонн тяжелой воды. Этот нейтринный телескоп производил детектирование двумя различными методами — один регистрировал лишь электронные нейтрино, другой — любые. Весной 2002 года экспериментаторы объявили, что второй показатель втрое больше первого. Это означало, что на Солнце рождается нужное количество электронных нейтрино, но по пути к Земле треть из них превращается в мюонные, а еще треть — в тау-нейтрино (этот процесс называется нейтринной осцилляцией).
Наличие осцилляций имеет поистине фундаментальное значение. Они возможны лишь в том случае, если нейтрино во всех своих ипостасях обладают не нулевой массой. Ее величина еще точно не измерена; скорее всего, она составляет доли электрон-вольта, что как минимум в миллион раз меньше массы электрона. Однако сам факт, что она все-таки существует, позволяет объяснить асимметрию между материей и антиматерией.
Рассказ о космических нейтрино окажется неполным, если не упомянуть, что помимо нейтрино высоких энергий, рожденных в недрах звезд и при взрывах сверхновых, в космосе имеются очень низкоэнергетические нейтрино, сохранившиеся от эпохи Большого взрыва. Расчетная плотность этих реликтовых частиц совпадает с плотностью реликтовых фотонов, но обнаружить их пока невозможно (не существует приборов).
В 1937 году рано ушедший из жизни феноменально одаренный итальянский физик-теоретик Этторе Майорана опубликовал статью «Симметричная теория электрона и позитрона». В соответствии с его теорией электрически нейтральные частицы и античастицы полностью одинаковы и потому неотличимы друг от друга. Нейтрино с этими свойствами выполняют ключевую роль в теории, объясняющей космическую асимметрию между материей и антиматерией.
«Если нейтрино обладает нулевой массой, вопрос о том, отличается оно от своей античастицы или совпадает с ней, не имеет смысла. А вот наличие массы означает, что возможны оба варианта. В первом случае нейтрино называется дираковским, во втором — майорановским. И как на этот счет распорядилась природа, пока не известно, — рассказал «Популярной механике» профессор теоретической физики Северо-западного университета Андре де Гувеа. — До сих пор эксперименты показывали, что лептонные числа строго сохраняются во всех ядерных реакциях. Если нейтрино является дираковской частицей, этот закон вообще никогда не должен нарушаться. А вот для майорановских нейтрино он может соблюдаться лишь приближенно и, следовательно, допускать нарушения. Экспериментаторы знают даже, где их искать. Есть такой внутриядерный процесс, двойной бета-распад: сразу два нейтрона превращаются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Эти превращения происходят чрезвычайно редко, но все же случаются. Сейчас много где пытаются обнаружить двойной безнейтринный бета-распад — перескок ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием лишь одних электронов. И если его найдут, придется согласиться, что лептонное число может не сохраняться и что нейтрино следует считать майорановской частицей».
Во всех экспериментах наблюдаются нейтрино, у которых спин противоположен импульсу, — такие частицы называют левовинтовыми. У антинейтрино спин смотрит в ту же сторону, что и импульс, — это правовинтовые частицы. Но если нейтрино подчиняется уравнению Майорана, оно может проявить себя в слабых взаимодействиях и как частица с правой ориентацией. Правда, в эксперименте подобные нейтринные разновидности не обнаружены, но это не фатально. Можно предположить, что из-за гигантской массы порядка 1014–1016 ГэВ они рождались лишь в составе сверхгорячей материи, существовавшей впервые мгновения после космологической инфляции. Будучи крайне нестабильными, они почти мгновенно распадались и из-за прогрессирующего охлаждения Вселенной больше не возникали.
И вот тут-то начинается самое интересное. Сверхмассивные майорановские нейтрино, или просто майораны, превращаются в бозоны Хиггса и лептоны. Коль скоро в этих распадах не сохраняются лептонные числа, они могут порождать больше электронов, нежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с количеством антинейтрино. В результате у Вселенной появляется ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех майоранов практически не изменяется. Этот процесс называется лептогенезом.
Этим дело не кончается. Взаимодействие между оставшимися после распада майоранов лептонами сверхвысоких энергий может привести к появлению кварков и антикварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез — возникновение барионов, частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии. Существуют правдоподобные сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов оборачивается избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. А потом случилась Великая Аннигиляция со всеми ее последствиями. Сейчас бариогенез через лептогенез — наиболее популярная интерпретация дефицита антиматерии в нашей Вселенной.
«Конечно, это всего лишь теория, — поясняет профессор де Гувеа. — Мы не знаем даже, можно ли считать нейтрино майорановской частицей. Если эта гипотеза получит экспериментальное подтверждение, то позиции модели лептогенеза значительно укрепятся».
На сегодня модель с участием майорановских нейтрино лучше всего объясняет тайну абсолютного преобладания материи над антиматерией в нашей вселенной, считает экс-президент Американского физического общества, физик-теоретик Xелен Квигг из Стэнфордского университета. Она отмечает, что рождение нейтрино при распаде майоранов позволяет объяснить их ничтожную массу — для этого придумана очень красивая теория, так называемый механизм see-saw. Впрочем, доктор Квигг подчеркнула, что эта идея не может быть проверена экспериментом в обозримом будущем. По ее словам, не исключено даже, что эта модель так и останется красивой гипотезой.
elementy.ru
