Нейтрино это что: Нейтрино | это… Что такое Нейтрино? |

Что такое нейтрино

Что такое нейтрино? Это что-то неуловимое, что все пытаются поймать; что-то, не имеющее массы, что все пытаются взвесить. На самом деле масса у нейтрино есть, так как эта элементарная частица все же взаимодействует с материей, хоть и на таком уровне, что высчитать ее практически невозможно. Нейтрино относятся к классу лептонов и имеют полуцелый спин.

Если узнать массу одной частицы нейтрино, мы сможем определить данный показатель для всех, а также их плотность. В свою очередь это позволит более близко изучить массу всей Вселенной, которая активно используется в космологии и является основой большого количества вычислений. Почему же вычислить массу нейтрино так сложно? Потому что она на столько мала, что их проникающая способность чуть ли не безгранична. Данные частицы могут свободно пройти насквозь свинцовой пластины толщиной в сотню-другую световых лет, а звезды для них и вовсе как будто прозрачны. Ежесекундно каждый сантиметр нашего тела пронизывают 60 миллиардов нейтрино, посылаемых Солнцем. Вот и представьте, на сколько мала масса этих если они буквально проходят через нас насквозь в таких немыслимых количествах без каких-либо ощущений с нашей стороны.

Нейтрино, в переводе с итальянского языка, означает «маленький нейтрон» или «нейтрончик». Впервые об этих частицах заговорил швейцарский физик-теоретик Вольфганг Эрнст Паули в 1930 году. Он предположил, что при бета-распаде нейтрона на протон и электрон законы сохранения энергии не могут выполняться без наличия еще одной частицы.

Существование новой неизвестной частицы было доказано экспериментально лишь спустя 26 лет после этого, за два года до смерти самого Паули.

Солнечные нейтрино

Что есть Солнце по своей сути? Звезда, а еще неимоверно большой термоядерный реактор. Вследствие этого он формирует немыслимое количество данных элементарных частиц. Солнечные «атаки» нейтрино фиксируются по всей планете с конца 60-ых годов прошлого века. Однако, даже с этим не все так просто. Ведь конечное количество частиц, достигающих Земли меньше, чем описывает модель поведения солнечных процессов. Данная загадка не решена до сих пор, поэтому принято считать, что по пути к нам часть нейтрино изменяется под действием каких-то других процессов, отчего превращается в другие виды этих частиц.

Более того, это предположение уже почти подтверждено экспериментальным путем в специальной нейтринной обсерватории, расположенной в Канаде на глубине в два километра под землей. Ученым удалось уловить там все типы нейтрино, и лишь третья часть из них оказалось электронными, что подтверждает их трансформацию из одного вида в другой.

Солнечные нейтрино

Скорость нейтрино не быстрее света

Уже в наше время научное сообщество всколыхнуло заявление о том, что нейтрино движутся быстрее света. Европейская организация по ядерным исследованиям, называемая просто ЦЕРН, провела исследования на ускорителе, которые показали превышение скорости света на несколько тысячных долей процента: 0,00248%. Но все это оказалось лишь неисправностью оборудования. Как бы это глупо ни звучало, но в лаборатории просто «кабель отошел», а радостные ученые уже пошли трубить об этой «сенсации».

Где применяют

Нейтринная астрономия. Это не то что бы область применения, а скорее, изучения. Данная наука исследует нейтринные излучения, которые поступают к нам не от нашей звезды, а из-за пределов солнечной системы. Это помогает лучше изучить многие процессы, протекающие в космосе. Любая звезда помимо света излучает и огромные потоки нейтрино, которые возникают во время термоядерных реакций. Ученые также выяснили, что чем старше звезда, тем меньше нейтрино она испускает. В самые поздние этапы своей эволюции небесное светило может потерять до 90% всех нейтрино, из-за чего проходит их нейтринное «охлаждение». По причине огромной пронизывающей способности нейтринных потоков, ученые могут исследовать свойства невероятно далеких космических объектов.

Диагностика протекания ядерной реакции. Не трудно догадаться, где используется данная технология – ядерные реакторы и АЭС. Различные сканеры на основе нейтрино разрабатываются чуть ли не по всему миру, так как это очень перспективная область. Подобные детекторы способы проводить замеры мощности реактора онлайн, а также вычислять композитный состав ядерного топлива.

Нейтрино

Средства связи. Эта технология в данный момент находится даже не на стадии разработки, а лишь в теории. Из-за все той же проникающей способности нейтрино, чисто теоретически, можно передавать данные в любую точку планеты, как на поверхности, так и под ней, практически мгновенно без снижения уровня сигнала.

Геология. Нейтрино формируются не только в звездах, но и в процессе радиоактивного распада некоторых элементах, наполняющих недра нашей планеты. Поэтому они могут помочь в изучении геологического состава Земли, а в последствии и определении точек радиоактивного тепловыделения на планете.

Нейтринное охлаждение звёзд

Как вы уже знаете, нейтринное охлаждение звезд происходит в процессе их эволюции. Оно играет важную роль во взрывах сверхновых. Во время этого процесса, потоки нейтрино уносят энергию далеко от центра взрыва, что приводит к более быстрому охлаждению звезды.

Нейтрино

Сверхновая SN 1987A, от которой впервые были зарегистрированны внегалактические 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).

Содержание:

1 История открытия нейтрино
2 Общие сведения
3 Поляризация и лептонное число
4 Нейтринные осцилляции
5 Материалы по теме
6 Применение
7 Интересные факты о нейтрино

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.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год

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

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

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 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

Осцилляции электронного нейтрино. Черный цвет обозначает электронное нейтрино, синий — мюонное, а красный тау-нейтрино.

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.

Детектор размещён в японской лаборатории на глубине в 1 км в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио

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.

Материалы по теме

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 %.
27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК
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 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.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 10062

Запись опубликована: 29.11.2015
Автор: Максим Заболоцкий

нейтрино

Солнце представляет собой массу раскаленного газа

Гигантская ядерная печь

Где водород встроен в гелий

При температуре в миллионы градусов. . . .

—Они могут быть великанами

Детектор Супер-Камиоканде, предоставлено Обсерваторией Камиока (заменено), ICRR (Институт
Исследования космических лучей), Токийский университет

Нейтрино — субатомная частица, известная своим
способность проскальзывать сквозь материю, не взаимодействуя с ней. Нейтрино имеют
ни одна из «ручек», с помощью которых большинство других частиц воздействуют на одну
другой: нет электрического заряда, почти нулевая масса. Они такие неуловимые
что световой год свинца, девять с половиной триллионов километров
(шесть триллионов миль) остановит только половину нейтрино, летящих
через это. Единственная надежда на их обнаружение состоит в том, чтобы положить большой
количество материи в одном месте и надежда на случайное нейтрино
по глупой случайности ударит где-нибудь атом и взаимодействует с
Это. Потому что так много других источников излучения выделяют энергию
во всей Вселенной любой детектор, пытающийся обнаружить нейтрино,
для борьбы с фоновым шумом. Выделение сигнала из этого шума
может быть проблемой. Чтобы облегчить задачу, нейтринные детекторы
строятся под землей, часто в глубоких шахтах. Скала вокруг
Детектор блокирует любое излучение, недостаточно мощное для проникновения
под землей; поскольку нейтрино такие «скользкие», они могут
пройти сквозь скалу и добраться до детектора.

Нейтрино ценны для астрономов именно потому, что они
такой уклончивый. Поскольку даже большие толщины материи не имеют большого
эффект, нейтрино могут течь прямо через вещи, которые искажают или
блокировать другие виды излучения. Например, наше Солнце представляет собой шар из
горячие газы, 1 392 000 километров (870 000 миль) в диаметре. Ядерный
термоядерные реакции в ядре Солнца нагревают эти газы, производя огромные
количества энергии. Мы хотели бы знать подробности о том, что
происходит внутри ядра Солнца, но газообразные слои на пути
блокировать наш взгляд. Атомы газа так хорошо рассеивают свет, что
фотон, основная частица света, проходит примерно пятьдесят тысяч
лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Фотоны покидают ядро, ударяются рядом
атомы, отскакивают от них, ударяются о другие атомы и тратят столетия на
все больше и больше одного и того же, пока им не удается просочиться в
более тонкие области вблизи поверхности. Все это рассеяние и толкание
затеняет детали интерьера, как яркий город
линия горизонта выглядит расплывчатой и нечеткой, если смотреть сквозь густую
туман. Нейтрино избегают этой проблемы, потому что им не нравится
взаимодействуют с атомами Солнца. Однажды ядерные реакции в ядре
производят нейтрино, они могут излучаться и быстро покидать
Солнце. Таким образом, детекторы нейтрино могут рассказать нам, что происходит глубоко внутри.
солнечное ядро, потому что они приносят нам информацию непосредственно из
источник. В терминах аналогии с городом они проносятся сквозь туман и
раскрыть мегаполис позади него.

Нейтрино вошло в физику как детище Вольфганга
Паули (1900-1958). Паули пытался объяснить загадочный
особенность бета-распада, типа ядерной реакции, которая часто
происходит в нестабильных тяжелых элементах. При бета-распаде нейтрон внутри
атомное ядро распадается и превращается в протон, высвобождая
электрон, улетающий от атома. Измерения показали, что
энергия электрона менялась: иногда он едва выползал из
притяжение ядра, и иногда оно улетало с большой скоростью. Физики
может довольно легко объяснить случай высоких энергий: электрон
просто несли максимальную энергию, которую могла дать реакция. какая
— спросил Паули о случаях с более низкой энергией.

Основной принцип, Сохранение энергии, гласит, что
энергия не может исчезнуть из существования. В тех случаях, когда это представляется
случается, оно на самом деле трансформируется в менее очевидную
форма. (Для физика наблюдение за исчезновением энергии из ситуации
как многие люди чувствуют, когда деньги исчезают из их банка
аккаунт.) Например, когда вы выбрасываете сломанный компьютер
окно, гравитация Земли дает ему определенное количество энергии,
который отображается как скорость компьютера. Чем выше он начинается, тем
больше энергии и, следовательно, скорости, которую он набирает к тому времени, когда попадает в
тротуар ниже. Однако, когда он ударяется о землю, где все
эта энергия уходит? Ответ: кинетическая энергия падение
компьютер от своего движения перешел в тепловых энергии (оба
компьютер и тротуар немного теплее, чем раньше) и
акустический энергетический (при ударе звучит звук). Также некоторые идут
в искажении формы компьютера, который (среди прочего
вещи) вкладывает потенциальных энергии в сгибание кусков металла
и пластик.

Какое явление могло унести энергию электрона
не использовал? Паули придумал новую частицу, сущность, которая
набрать слабину, так сказать. Это должно быть трудно обнаружить,
достаточно неуловимый, чтобы объяснить, почему никто не видел его раньше. Паули
решил, что частица не будет иметь электрического заряда, и что она
был бы очень легким, либо полностью безмассовым, либо почти таким. Энрико
Ферми (1901-1954) назвал эту частицу
нейтрино , от итальянского слова, означающего «маленький нейтральный».

Более позднее открытие, изменение вкуса, усложняет эту проблему.
в некотором роде. С середины 1960-х годов, когда поток солнечных нейтрино впервые был
измеряли примерно до 2002 года «проблему солнечных нейтрино», вызывавшую
много дебатов. Все детекторы подтвердили загадочный результат: Солнце
испуская только от одной трети до половины нейтрино, которые мы
ожидал. Большое количество ума ушло на решение этого
проблема, и события последних нескольких лет были очень
захватывающе. Идея ароматизаторов не только помогла решить проблему
меньших чисел, чем ожидалось, исходящих от солнечных нейтрино,
но также положил начало другой целой области исследований в
поле нейтрино.

Как мы их видим

Сначала необходимо установить, что нейтрино приходят в
три аромата, электрон, мюон и тау, все они
имеют свои особенности и по-разному реагируют на разные
вещи. Большинство детекторов в первую очередь чувствительны к электронам.
нейтрино, так как их основную реакцию довольно легко заметить, однако
есть вторичная реакция, которая может произойти с любым из нейтрино,
но эта реакция, в свою очередь, не дает нам информации о том, какое нейтрино
на самом деле просматривается.

То, как на самом деле обнаруживаются нейтрино, немного
вокруг способ сделать это. Вместо того, чтобы обнаруживать настоящие нейтрино, мы
обнаружить вещи, с которыми взаимодействуют нейтрино, которые часто
даны большие всплески энергии, казалось бы, из ничего. Оттуда
можно сделать вывод, что нейтрино — единственное объяснение такого события.
Есть два основных способа взаимодействия нейтрино.
Видный путь для электронного нейтрино — врезаться в атом и реагировать
либо с нейтроном, либо с протоном, который после реакции вызывает либо электрон
или позитрон (положительно заряженный электрон), чтобы выстрелить в полуслучайном направлении
и ударить по детекторам, наклеенным по бокам. Не многое умеет
Однако нельзя сказать о фактическом направлении нейтрино от этой реакции, поскольку
его импульс только примерно на 10% влияет на направление электрона,
остальная энергия исходит от квантового «покачивания» нейтрона/протона.
с которыми он сталкивается, придавая ему в основном случайную траекторию.

«Картина» солнца, сделанная из взгляда
по направлению солнечных нейтрино.
Предоставлено APOD НАСА.

Второй способ наблюдения нейтрино немного более интуитивен.
поскольку это, по сути, просто нейтрино, приближающееся достаточно близко к электрону, чтобы взаимодействовать
с ним, то оттуда они отскакивают друг от друга в столкновении, которое
значительно увеличивает импульс электрона. Это, оказывается, дает нам довольно
Немного сведений о том, что первая реакция не имеет, главным образом, своего направления. Этот
можно, глядя на направление и импульс электрона, а затем делая
немного физики, чтобы выяснить, откуда взялись нейтрино, чтобы
выпустить электрон в этом направлении. Проблема с таким способом видеть их
вы не только не можете сказать, какой тип нейтрино попадает в электрон, но и
встречается гораздо реже, так как поперечная «мишень», в которую он должен попасть
это вторичное столкновение намного меньше, чем первичное столкновение. Настоящий
направление этого нейтрино также лишь в какой-то степени точное, так как имеется много
факторы, которые могут повлиять на конечный импульс электрона, придающий ему общий
неопределенность.

Используя эту информацию, мы можем получить общее представление о том, откуда исходит всплеск нейтрино,
именно так было создано это «изображение» Солнца, так как оно не столько изображение, сколько
показывая, куда также указывало большинство нейтрино, с
более яркие области являются пятнами более высокой концентрации. Однако эта картина
потребовалось немного времени, на это ушло около 500 дней данных,
и даже со всеми этими данными фактическое точное местоположение солнца все равно будет
неясно (к счастью, у нас есть другие способы определить это, например, увидеть, какая часть
на небо больно смотреть). Чтобы дать вам представление, вот как это должно выглядеть.
если вы растянули эти данные на целое неба, с размером каждого пикселя примерно
степень в размере. Вот почему в ситуации со сверхновой менее мощные телескопы могут
быть довольно ценными, так как они имеют гораздо более широкую часть неба, что облегчает их обнаружение.
событие, подобное вспышке сверхновой, с довольно большим потенциальным направлением.

Ссылки и дополнительная литература

О нейтрино вообще:

Нобелевская премия по физике 2002 года присуждена за открытие
космическое излучение. Половина премии досталась Рэймонду Дэвису-младшему и
Масатоши Косиба за «новаторский вклад в астрофизику в
особенно для обнаружения космических нейтрино».
Нобелевская премия по физике 2015 г. присуждена Такааки Каджита и Артуру Б. Макдональду.
за их работу по открытиям, связанным с осцилляциями нейтрино, и использование этого
доказать, что нейтрино должны иметь массу.

Следующие статьи, часть чтения назначенных классов в Массачусетском технологическом институте,
может быть полезно тем, кто имеет некоторый опыт в квантовой механике.

«Эволюция
пучка нейтрино», Д. Стелитано.

Также на немного техническом уровне:

«Нейтрино и
Таинственная матрица Маки-Накагава-Саката» математическим
физик Джон
Баэз.

[Предыдущая]Fusion
[Вверх]Эра Телескопа
[Далее]Статистика Пуассона

Исследовано, написано и поддерживается Блейком Стейси .

Какое нейтрино самое тяжелое?

Нейтрино — это легчайшие частицы субатомного мира. Эти чрезвычайно многочисленные, редко взаимодействующие частицы по крайней мере в 500 000 раз легче электронов. Они производятся на солнце, во взрывающихся звездах и в процессах распада на Земле — даже в вашем собственном теле. Но они так редко взаимодействуют с другой материей, что вы вряд ли заметите, что их так много вокруг.

На протяжении десятилетий физики думали, что эти призрачные частицы не имеют массы. Но эксперименты показали, что у нейтрино действительно есть масса. На самом деле существует три типа нейтрино и три разных массы.

Ученым еще предстоит измерить точное значение любой из этих масс. Но даже выяснить, какое нейтрино самое тяжелое, было бы огромным скачком в нашем понимании как нейтрино, так и физики, управляющей нашей Вселенной. Многое зависит от ответа на эту загадку, известную как «иерархия массы нейтрино» или «упорядочение массы нейтрино».

Солнце, небо и земля

Нейтрино взаимодействуют с материей как электронные нейтрино, мюонные нейтрино или тау-нейтрино, названные в честь частиц-партнеров, с которыми они любят общаться. А нейтрино могут колебаться, то есть перемещаться между этими тремя тождествами.

Ядерные процессы в ядре Солнца порождают поток электронных нейтрино, многие из которых к моменту достижения Земли превращаются в мюонные и тау-нейтрино. Когда высокоэнергетические частицы сталкиваются с земной атмосферой, создаются мюонные нейтрино; они могут колебаться до электронных или тау-нейтрино до того, как будут обнаружены.

Но три типа нейтрино не соответствуют напрямую трем массам. Вместо этого есть три «массовых состояния нейтрино» под номерами 1, 2 и 3, каждое из которых имеет разную вероятность взаимодействия с материей в виде электронного нейтрино, мюонного нейтрино или тау-нейтрино.

Знание скорости, с которой нейтрино колеблются от одного типа к другому, позволяет ученым делать некоторые выводы о взаимосвязях между тремя массовыми состояниями. Тщательные измерения солнечных нейтрино показывают, что второе массовое состояние лишь немного тяжелее первого. Измерения колебаний атмосферных и ускорительных мюонных нейтрино указывают на большую разницу в массе между третьим массовым состоянием и двумя другими.

Но до сих пор ученые не смогли определить, является ли массовое состояние 3 намного тяжелее или намного легче, чем состояния 1 и 2. перевернутая иерархия масс» (3, 1, 2), исследователи запускают пучки нейтрино через сотни километров твердой породы в так называемых нейтринных экспериментах с «длинной базой».

«Когда нейтрино путешествует, его электронная часть нейтрино хочет взаимодействовать с электронами в Земле, а части мюонного и тау-нейтрино не затрагиваются», — говорит Зоя Валлари, постдоктор Калифорнийского технологического института. «Это дополнительное воздействие влияет на то, сколько колебаний произойдет».

Текущие ведущие эксперименты с длинной базой — эксперимент NOvA в США и эксперимент T2K в Японии — помогли уточнить понимание учеными осцилляции. Но их измерения массовой иерархии пока остаются неубедительными.

Ключевой фрагмент головоломки

То, является ли третье нейтрино самым легким или самым тяжелым, имеет огромное значение (каламбур) для нашего понимания этих многочисленных частиц. Например, остается неизвестным источник массы нейтрино. Определение сходства с механизмом Хиггса, который отвечает за массу других частиц, частично зависит от выяснения иерархии.

Кроме того, поскольку нейтрино не имеют электрического заряда, теоретически они могут быть собственными частицами антивещества. Знание упорядочения массы поможет провести эксперименты, проверяющие эту гипотезу, и откроет путь к глубоким вопросам о Вселенной в целом.

В поисках ответа на вопрос об иерархии нейтрино эксперимент NOvA направляет пучки нейтрино и антинейтрино примерно в 500 милях от Фермилаб в Иллинойсе на детектор в Эш-Ривер, Миннесота. Эксперимент T2K отправляет им около 190 миль от J-PARC в Токай, Япония, до детектора под горой Икено.

Ученые в экспериментах сравнивают скорость осцилляций нейтрино со скоростью осцилляций антинейтрино. Любые различия между ними могут помочь ученым понять, что происходит с массами нейтрино. Это также может помочь им понять, почему материя победила антиматерию в ранней Вселенной. Возможно, мы обязаны своим существованием нейтрино, но пока не можем быть в этом уверены.

NOvA в настоящее время не видит сильной асимметрии между осцилляциями нейтрино и антинейтрино. Эксперимент T2K сообщил о дразнящих доказательствах того, что нейтрино могут колебаться иначе, чем антинейтрино. В настоящее время T2K проходит модернизацию, и NOvA продолжит сбор данных до середины десятилетия.

Между этими двумя вариантами перевернутая иерархия облегчит несколько будущих экспериментов. «Поэтому, если бы я мог выбирать, я бы выбрал перевернутую иерархию, но, видимо, это не зависит от меня», — говорит Педро Мачадо, теоретик Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Министерства энергетики США. «А без экспериментальных результатов теория не продвинется вперед».

Для Валлари перевернутая иерархия тоже была бы более «забавной», но «если бы мне нужно было сделать ставку, я бы сделала это на обычную иерархию», — говорит она.

Ответ в пределах досягаемости

В отличие от многих загадок в физике элементарных частиц, иерархия масс нейтрино имеет четкий путь к разрешению. Ответ находится в пределах возможностей следующего поколения экспериментов.

Deep Underground Neutrino Experiment, международный эксперимент, организованный Fermilab и запланированный к запуску в конце 2020-х годов, отправит нейтрино в путешествие примерно на 800 миль из Иллинойса в Южную Дакоту — на 60 % дальше, чем NOvA, предоставив больше материала для нейтрино для взаимодействия. Оба эксперимента получают поддержку Министерства энергетики США и других финансирующих организаций.

Такое долгое путешествие усилит влияние Земли на нейтринные колебания, что позволит исследователям выявить иерархию масс, говорит Валлари, участник коллабораций DUNE и NOvA. В Японии запланированное обновление Hyper-Kamiokande до эксперимента T2K также должно дать ответ в течение нескольких лет после сбора данных.

«Я чувствую себя вполне уверенно, говоря, что в начале 2030-х годов мы должны получить окончательное измерение иерархии масс по крайней мере в одном из экспериментов», — говорит Валлари.