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

Содержание

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 | Наука и жизнь

Среди «особенно важных и интересных» физических проблем конца XX века академик В. Л. Гинзбург большое внимание уделил вопросам, связанным с таинственной частицей — нейтрино (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1999 г.). Частица эта была открыта «на кончике пера», можно сказать, от отчаяния, чтобы спасти закон сохранения энергии (а ведь даже Нильс Бор готов был признать, что законы сохранения в микромире могут не выполняться). Нейтрино обладает столь странными свойствами, что долгое время сомневались: можно ли в принципе эту частицу обнаружить? Однако не прошло и полувека, как были обнаружены нейтрино нескольких типов (или, как говорят физики, «ароматов») и даже возникла нейтринная астрономия.

Солнце светит и греет за счет реакции слияния протонов в ядро дейтерия с испусканием позитрона и нейтрино. В ходе каждого акта реакции выделяется 2,2 МэВ энергии в виде излучения.

Нильс Бор был уже готов признать за элементарными частицами «право» нарушать законы сохранения.

Спасая законы сохранения, Вольфганг Паули предположил, что недостающую энергию уносит частица, которую нельзя обнаружить в принципе, хотя и считал, что этим самым «сделал что-то ужасное».

В одном кубическом сантиметре вещества содержится примерно 10<sup>23</sup> атомов.

‹

›

Открыть в полном размере

Прежде чем начать разговор о нейтрино, следует сразу же поставить «неизбежные» вопросы. К примеру, если эта частица, как говорят, пролетает сквозь миллиардокилометровые толщи вещества (плотного урана, свинца, ртути или чего хотите), не вызвав никаких изменений ни в собственном состоянии, ни в веществе, то есть не испытав ни одного взаимодействия с веществом, то существует ли нейтрино или это плод фантазии теоретиков, вроде теплорода или эфира? Осязал ли кто-нибудь столь бестелесную материю? Есть ли нейтрино где-нибудь во Вселенной и в каком количестве? Кому (и чему) оно служит?

Все эти вопросы и масса им подобных — правильны, и они требуют ответа. И мы постараемся удовлетворить и любопытствующих, и скептиков, извинившись за то, что иногда придется уточнить смысл вопроса, упростить ответ или привлечь аналогию. Ведь точный ответ — когда профессиональные физики его уже имеют — содержится в довольно сложных уравнениях теории и объяснении результатов не менее сложных экспериментов.

Чтобы не плести интриги (нейтринный сюжет и без того — лихо закрученная история), начнем с ответа на самый едкий вопрос: есть ли такая частица — НЕЙТРИНО? Для физиков ответ однозначен — безусловно есть! Нейтрино вступает во взаимодействие со всеми давно известными частицами — атомными ядрами, протонами, электронами. И хотя интенсивность этого взаимодействия крайне мала (не зря оно названо «слабым»), его результат — продукты взаимодействия — «видят» созданные для этого приборы, детекторы элементарных частиц. Более того, они различают несколько видов нейтрино: те, что рождаются или гибнут (поглощаются) только вместе с позитроном, — электронные нейтрино v_е, вместе с положительным мюоном — мюонное нейтрино v_μ , а вместе с положительным тау-мезоном (таоном) — таонное нейтрино v_τ. Существуют и три антинейтрино, спутники этих частиц. Поразительно это изобилие: ведь у нейтрино, как заметил Воланд совсем по другому поводу, «чего ни хватишься — ничего нет». Нет электрического заряда, вероятней всего, нет магнитных свойств (магнитного момента), нейтрино, похоже, стабильно (т. е. не распадается на другие элементарные частицы). Возможно, оно не обладает и массой — во всяком случае, экспериментаторы пока с достаточной надежностью не обнаружили ее проявления. Точно установлено, что любой вид нейтрино обладает собственным угловым моментом — спином. Но по величине он одинаков для всех видов нейтрино и такой же, как у протона или любого лептона, — 1/2h (постоянной Планка). Нейтрино всех видов взаимодействуют с веществом с одинаковой интенсивностью (универсально). Кажется, что вся индивидуальность только в названии, обусловленном родством с заряженным лептоном. Эти имена — электронное, мюонное, таонное — физики объединяют словом «ароматы», словно напоминая о том, что уловить различия могут только обладатели хорошего нюха.

Тем не менее сомнений в существовании нейтрино нет.

Много ли этих частиц?

Все видимое (то есть излучающее фотоны) вещество Вселенной состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. Протоны представлены ядрами водорода, а нейтроны упакованы в легкие ядра — дейтерий и гелий. Другие элементы есть в лишь в малом количестве. Вещество собрано в звезды, звезды образуют галактики, галактики — скопления и сверхскопления галактик, расстояния между которыми гораздо больше их размеров. Но если все это вещество и межгалактическую пыль равномерно размешать, как газ, по всему объему Вселенной, то на каждый кубический метр пространства придется по одному протону. Столько же и электронов — ведь в целом наш мир электрически нейтрален.

Если подсчитать, к какой электрической силе отталкивания Земли от Солнца привел бы ничтожно малый относительный избыток положительного или отрицательного заряда, равный хотя бы 10^-15, то ответ будет таков: кулоновская сила больше гравитационной в сто тысяч раз. Как бы выглядела Солнечная система?!!

Замечательное открытие реликтового излучения доказало, что Вселенная еще заполнена и квантами света — фотонами, число которых около 500 в каждом кубическом сантиметре Вселенной, в миллиарды раз больше, чем протонов. Мир заполнен светом!

А если справедлива теория горячей Вселенной с Большим взрывом в начале эволюции, то кроме реликтовых фотонов, родившихся в первую секунду жизни Вселенной и ставших свободными сто тысяч лет спустя, в каждом кубическом сантиметре пространства находятся и около 500 штук реликтовых нейтрино. Это действительно реликты, потому что достались нам от той же первой секунды. Мир не только «светел», но и «нейтринен».

И, наконец, о вопросе — зачем НАМ эти частицы?

Вопрос скорее мировоззренческий, но если он имеет научный смысл, то ответ давно готов. Жизнь на Земле существует за счет энергии Солнца. Солнце вырабатывает ее за счет цепочки превращения четырех протонов (почти 2·10³⁰ кг массы Солнца — водород, т. е. протоны) в прочное ядро гелия. И первая необходимая реакция этой термоядерной цепочки — слияние двух протонов с образованием ядра дейтерия — возможна только с рождением нейтрино:

р + p→D + е⁺ + ν.

Так что вряд ли можно жить в безнейтринном мире.

Кто его видел?

История поимки нейтрино развивалась по классическим канонам детектива: есть «преступление» — пропала энергия (и еще кое-что), есть расследователи (очень знаменитые), есть версии (очень увлекательные), есть косвенные улики и портрет подозреваемого (почти мистический), есть, наконец, драматическая погоня…

В конце XIX века Анри Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана — самого тяжелого по тем временам элемента. Несколько позже стало ясно, что оно состоит из трех видов, разительно не похожих друг на друга и названных Α, Β- и Γ-лучами. Наша новелла будет связана с Β- излучением.

В открытии А. Беккереля одновременно проявились все три вида взаимодействий, пружины микромира, определяющие его интригу: Α-распад — сильное, Β -распад — слабое и Γ -распад — электромагнитное взаимодействия. Мать-Природа, размышляя о подарке человечеству к новому столетию (почему-то она употребляет счет от Рождества Христова), была максимально щедра и подарила для умственной работы сразу все ключи от кладовых с источниками неживого и живого вещества. За этот век физики честно отработали подарок — узнали о всех взаимодействиях очень много. Для того чтобы понять, КАК они действуют, пришлось построить мощные ускорители и огромные детекторы элементарных частиц. Труднее всего достаются законы слабого взаимодействия. Будто Природа дразнит свое высшее создание: «Что, слабо?»

К 1930 году уже было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказалась Β -частица Беккереля. Тогда еще и структура ядра «не была» протонно-нейтронной (не был открыт нейтрон), и процесс Β-распада в символах записывался так:

Я_p(m_p)→Я_д(m_д) + e^—

Это означает, что процесс превращения родительского ядра Я_р с массой m_рв дочернее ядро Я_д с массой m_д сопровождается излучением электрона (хотя обычно употребляемое слово «распад» как бы подразумевает то, что дочернее ядро и электрон до распада содержались в родительском ядре; на самом деле ничего подобного нет: все дочерние частицы родились в процессе превращения). Физики не знали, почему распадается ядро, какие силы вынуждают к этому? Природа Β -распада предоставляла поле исследования. Покоя не давал другой, казалось бы, более простой вопрос: КАК вообще (независимо от причин) природа допускает такой распад? Ведь измерение энергии вылетающих электронов показывало, что от распада к распаду величина этой энергии принимала различные значения, а незыблемые законы сохранения энергии и импульса предписывали иное: сколько бы распадов ядер определенного типа (никто не сомневался, что они все одинаковые) ни наблюдать, каждый раз энергия электронов должна быть одной и той же. Увидеть в процессе Я_p(m_p)→Я_д(m_д) + e^— с изменяющейся от распада к распаду энергией электрона противоречие закону сохранения энергии-импульса несложно. Надо лишь применить к распаду эти законы, помня о том, что элементарные частицы подчиняются механике теории относительности:

1. Полная энергия свободной движущейся частицы Е равна сумме энергии этой частицы в покое Е_о (по Эйнштейну, она полностью определяется массой частицы m и скоростью света в вакууме с: Е_о = mс²) и кинетической энергии движения Т:

Е = mс² + Т.

Для энергии и импульса частицы р в любой момент времени и в любой системе отсчета выполняется равенство

Е² — (рс)² = (mс²)².

Измеряя Е и р частицы в разных системах, мы обнаружим в системе «1» — Е₁ и р₁, в системе «2» — Е₂ и р₂, но разность квадратов всегда будет одна и та же. Это равенство, по существу, и есть определение массы частицы.

Вспомним законы сохранения энергии и импульса: «Каким бы ни было взаимодействие, суммарная энергия всех частиц ДО столкновения (или распада) равна суммарной энергии всех частиц, образовавшихся ПОСЛЕ столкновения (или распада). То же самое справедливо для суммарного импульса» (арифметические расчеты приведены на стр. 30). Из этого закона следуют три важных вывода.

1. Распад происходит только в том случае, если масса родительской частицы не меньше суммы масс продуктов распада. В случае «больше» продукты распада получат кинетическую энергию за счет энергии покоя (массы) родительской частицы.

2. Суммарная кинетическая энергия двух частиц постоянна, но при распределении этой энергии между двумя частицами почти вся кинетическая энергия достанется электрону, который в тысячи раз легче любого из ядер.

Долгое время считалось, что атомное ядро распадается на две части: дочернее ядро и электрон. В этом случае в каждом акте распада электрон должен уносить вполне определенную энергию, пропорциональную его массе. Электронный спектр такого распада (кривая, характеризующая число электронов данной энергии) должен выглядеть как «палка» (энергия всех электронов одинакова), несколько размытая из-за тонких квантовых эффектов и неточности измерительной аппаратуры (а).

На практике, однако, оказалось, что спектр имеет размытую колоколообразную форму (б). Электроны имеют разную энергию, причем значительно меньшую, чем ожидалось. Это противоречило законам сохранения энергии и импульса и повергло исследователей в шок.

3. Если законы сохранения энергии и импульса выполняются в каждом акте распада на две частицы (для трех и более дочерних частиц это не так!), то и полные и кинетические энергии дочерних частиц не могут быть какими угодно. Они определяются только постоянными массами, и данное положение для нашего расследования наиболее важно. Сколько бы распадов ядер Я_р мы ни наблюдали, в каждом из них и дочернее ядро, и электрон унесут одни и те же энергии. Конечно, в реальном опыте измеренные от распада к распаду энергии электронов должны отличаться в пределах ошибки измерения, но это совсем другой (иногда очень драматический, но другой) сюжет.

Измерение электронной энергии в большом числе распадов одинаковых ядер обнаружило совсем не то, что ожидали увидеть физики. Электронный спектр Β -распада (относительное число электронов с данной энергией) заполнил сплошь ВСЮ область энергий от нуля до максимально возможной энергии mс² и выглядел как плавная кривая с максимумом вместо ожидаемого для двухчастичного распада острого пика. Энергия электронов во всех случаях была меньше, чем предписано законами сохранения. Теперь, если не вступать в противоречие с логикой (а чему еще прикажете подчиняться физику?), приходилось признать, что либо над Β-распадом законы сохранения не властны, либо в процессе распада энергия, грубо говоря, украдена. Именно украдена, потому что, если энергию, законно принадлежавшую электрону в двухчастичном распаде (еще раз напомним, что дочернее ядро не уносит заметной энергии), унесла какая-то дополнительная частица (или несколько частиц), она сделала это нелегально. Потому что все попытки обнаружить среди продуктов Β-распада следы чего-либо, кроме дочернего ядра и электрона, дали отрицательный результат. В природе происходило то, что не должно происходить, если верить в строгое соблюдение законов сохранения энергии и импульса.

Законы сохранения энергии и импульса были открыты на основе анализа измерений этих величин для тел, участвующих в различных (механических, тепловых, электрических) процессах. Но теперь мы понимаем, что эти законы — всего лишь следствие более глубоких свойств симметрии пространства и времени. В 1918 году Эмми Неттер, немецкий математик, доказала, что, если время однородно, энергия замкнутой системы с неизбежностью будет оставаться неизменной, то есть и миллиарды лет назад, и сейчас, и в будущем интенсивности взаимодействия не меняются: например, два заряда всегда отталкиваются с одинаковой силой. Импульс системы неизбежно сохраняется постоянным, если однородно пространство, то есть интенсивность взаимодействия не зависит от того, где находится система: и в Солнечной системе, и в окрестности Бетельгейзе созвездия Ориона притяжение двух тел определяется одной и той же гравитационной постоянной. Более того, из теоремы Неттер следует, что всякой симметрии (равноправию) в уравнениях, описывающих взаимодействие, обязательно соответствует некоторая сохраняющаяся физическая величина. Не так ли и в обществе людей: в равноправных (демократических) обществах существуют незыблемые законы, сохраняющие ценности общежития, а в недемократических — что позволено одним, то порой запрещено другим.

Правда, оставалась надежда уладить проблему непрерывного спектра и без детективщины. Ведь каждому известно, что пропавшая вещь необязательно украдена. Вот и электрон мог при рассеянии на веществе просто потерять всю или долю приобретенной в распаде энергии по дороге к прибору, который ее измеряет. Проверка версии «рассеянного электрона» быстро установила, что, к сожалению, никакого алиби для Β-распада нет и версия «потери» отпадает. Конечно, кое-какие потери энергии есть, но не такие значительные, чтобы превратить «иглообразный пик» в «широкий холм».

В наблюдаемой картине Β-распада была и вторая большая неприятность — с законом сохранения углового момента. Например, в Β -распаде ¹⁴С → ¹⁴N + e^— собственные угловые моменты — спины родительского и дочернего ядер равны нулю, а спин электрона равен 1/2. Как ни складывай (а складывать моменты надо умело — ведь это квантовые векторы), — 1/2 оказывается лишней.

Расследование по «делу о Β-распаде» вели знаменитейшие физики, и направление поисков определялось их мировоззрением, то есть представлением о том, как устроен мир. Великий Нильс Бор наилучший выход видел в признании за микромиром права нарушать законы сохранения энергии и импульса в каждом отдельном акте столкновения или распада элементарных частиц. При этом он полагал, что известные для механики макромира законы сохранения устанавливаются только в результате суммирования импульсов и энергий по огромному числу элементарных процессов в макроскопическом объекте.

Много было и других смелых идей, но единственно правильную выдвинул швейцарец Вольфганг Паули.

В конце 1930 года на конференции физиков в Тюбингенском университете огласили письмо Паули от 4 декабря. Оно было адресовано Гансу Гейгеру и Лизе Мейтнер, но предназначено для всех участников:

«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу Вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет Вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность Β-спектра станет понятной, если предположить, что при Β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой «нейтрон», причем сумма энергий «нейтрона» и электрона постоянна. ..»

Письмо заканчивалось так:

«Не рисковать — не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного Β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый (подчеркнуто мной. — В. Н.) путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Может быть, приведенный здесь текст письма и недостаточно точен из-за двойного (немецко-англо-русского) перевода. Но за шутливым словесным нарядом мы безошибочно различаем тревожный звук, ощущаем какую-то драму: «… и судите». Казалось бы, найдена прекрасная идея. Впору на весь ученый мир победно повторить знаменитое архимедово — «Эврика!» Но Паули чувствует, что, оберегая один важнейший принцип, он нарушает другой: «Entia non sunt multiplicianda praeter necessitatem» («Сущности не следует умножать без необходимости» — эта философская максима сформулирована в XIV веке Уильямом Оккамом). Бритва Оккама — инструмент нравственного запрета, и подать пример его нарушения означало бы открыть дорогу околонаучным шакалам, которым «все дозволено».

Известно, что Паули с горечью (уже не шуточной) говорил после оглашения своей идеи: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного. Я предложил нечто, что никогда не будет проверено экспериментально».

Только в 1933 году Паули подвел итог своим размышлениям. 22 октября на самом представительном собрании физиков всего мира — Сольвеевском конгрессе он говорил: «…Я предложил следующую интерпретацию Β-распада: законы сохранения имеют силу; эмиссия -частицы происходит вместе с испусканием чрезвычайно проникающих нейтральных частиц, которые еще не наблюдались… Естественно, мы предполагаем не только сохранение энергии, но и сохранение импульса и углового момента… во всех элементарных процессах». (В основе мировоззрения и физической интуиции Вольфганга Паули лежит вера в безусловное действие законов сохранения в каждом элементарном акте. Для гениальной интуиции Нильса Бора — создателя квантовой механики — «роднее» оказалась возможность нарушения этих законов.)

Между 1930 и 1933 годами в науке о Β-распаде произошли важнейшие события. В 1942 году Джеймс Чэдвик экспериментально открыл «настоящий» нейтрон. Почти сразу же была выдвинута (Дмитрием Иваненко), развита (Вернером Гейзенбергом) и стала общепризнанной теория протон-нейтронной структуры ядра. Теперь, следуя гипотезе Паули, процесс ядерного Β-распада можно представить как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, масса ядра достаточна) на три частицы:

n→p + e^— + ν

Такой распад свободного нейтрона обязан происходить и происходит, поскольку не запрещен никакими известными законами сохранения: сохраняется электрический заряд, сохраняются энергия и импульс (спектр электронов для трехчастичного распада нейтрона удивительно похож на известный из эксперимента), сохраняется и угловой момент, так как из трех векторных спинов дочерних частиц, равных 1/2, можно «сложить» 1/2 для родительского нейтрона.

Паули достаточно ясно представил коллегам и портрет неуловимого похитителя энергии. В сольвеевском докладе он говорил: «Что касается свойств этих нейтральных частиц, то, во-первых, из атомных весов мы заключаем, что массы нейтральных частиц не могут быть существенно больше массы электрона. Для того чтобы отличить их от тяжелого нейтрона, Энрико Ферми предложил имя «нейтрино» («нейтрончик». — В. Н.). Возможно, присущая нейтрино масса равна нулю, так что, подобно фотону, оно распространяется со скоростью света. Тем не менее проникающая способность нейтрино должна быть много больше проникающей способности фотона с той же энергией. Мне кажется допустимым, что нейтрино обладает спином 1/2…, хотя эксперимент и не дает прямых доказательств этой гипотезы».

В одном кубическом сантиметре вещества содержится примерно 10²³ атомов. Радиус ядра около 10^-12см, а площадь поперечного сечения — 10^-24 см². Суммарная площадь всех ядер, разложенных на плоскости, 0,1 см², 1/10 площади. А эффективное сечение взаимодействия нейтрино с веществом в миллиард (10^-9) раз меньше. На рисунке эту площадь воспроизвести невозможно: для этого пришлось бы разделить каждую сторону квадратика более чем на 10 000 отрезков.

Можно ли добыть прямые доказательства?

Паули представил внушительную папку с косвенными доказательствами для трехчастичной версии сценария -распада с участием невидимого нейтрино. Энрико Ферми был настолько убежден в реальности своего «крестника», что в 1934 году опубликовал теорию -распада — первую замечательную модель слабых взаимодействий. Эта теория позволяла вычислить вероятность взаимодействия нейтрино с протоном. Как и ожидал Паули, эта вероятность оказалась невероятно мала. Чтобы представить себе эту малость, лучше всего воспользоваться формулами.

Возьмем пучок нейтрино и направим его на большую мишень, которая обычно содержит приблизительно 10²³ ядер (маленьких мишенек) в кубическом сантиметре. Ядра имеют радиус около 10^-12 см и, следовательно, площадь поперечного сечения около 10^-24 см². Общая площадь всех ядер составит около 0,1 см². Значит, если собрать все мишеньки на одну плоскость размером 1 см², они займут одну десятую часть ее площади.

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Только пройдя сквозь слой свинца такое же расстояние, как от Солнца до центра нашей Галактики, пучок нейтрино наверняка прореагирует целиком.

Если в привычном нам мире пуля попадет в стеклянный шарик, можно не сомневаться, что от него останутся осколки. Будь налетающие на мишень нейтрино классическими пулями, а ядра-мишеньки стеклянными шариками, вероятность разбить одно из ядер (или отскочить от слишком «твердого ядра») была бы 1/10. Для взаимодействия элементарных частиц предписаны квантовые вероятностные законы: частица может «проскочить сквозь» частицу без последствий. Но физики для характеристики вероятности рассеяния или поглощения элементарных частиц приняли по аналогии со светом модель «черной» мишеньки: черная мишень свет поглощает полностью, серая — частично. Реальную серую мишень можно представить себе как прозрачную, но с черным кружком такой площади, чтобы общее поглощение пучка было таким же, как у серой. Площадь черной мишени называют эффективной площадью мишени реальной.

Теперь посчитаем вероятность взаимодействия.

Пусть пучок, содержащий N_o частиц (например, наших нейтрино), налетает на мишень с плотностью n ядер на 1 см³ и длиной вдоль направления пучка L см. Предположим, что N частиц из пучка испытают взаимодействие в мишени. Формулу для N легко получить, зная характеристику интенсивности взаимодействия налетающей частицы с ядрами мишени и начала дифференциального исчисления (для начинающих физиков лучше всего подойдет книга академика Я. Б. Зельдовича «Высшая математика для начинающих»):

N = N_o(1 — e^{-σ nL}).

При значении σ nL o σnL. Отношение числа провзаимодействовавших частиц к числу падающих на мишень частиц есть вероятность взаимодействия ω= σnL.

Символом обозначают величину, называемую «эффективное сечение взаимодействия» и характеризующую интенсивность этого взаимодействия. Она измеряется в квадратных сантиметрах, как площадь. Это и есть та самая эффективная площадь, которая составляет лишь долю от геометрического размера ядра. (Заметим, что величинаσn есть полное эффективное сечение, приходящееся на один сантиметр длины мишени, a nL — на всю длину.)

Каково же эффективное сечение по сравнению с геометрическим? Вот тут-то во всю силу дает о себе знать интенсивность различных взаимодействий: для сильного (например, для рассеяния протона на протоне или нейтроне) — по порядку величины приблизительно соответствует геометрическому сечению, то есть составляет около 10^-24 см². А для слабого взаимодействия σ≈ 10^-43 см²! Если перевести это в эффективный радиус «черного кружка», то получится величина в миллиард раз меньшая геометрического радиуса ядра.

Какова же должна быть длина мишени, чтобы нейтрино поглотилось в ней с вероятностью, близкой к единице? Подставив числа в формулу для вероятности (для свинца n≈²² ядер/см³), получим L≈²² см = 10¹⁵ км.

С какой подходящей длиной ее можно сравнить? Расстояние от Земли до Солнца 150 000 000 (10⁸) км явно мало. Подойдет длина пути от Солнца до центра нашей Галактики — около 10¹⁶ км. Вооружившись формулой для вероятности, можно вычислить интенсивность пучка N_o, которая потребуется экспериментатору, чтобы поставить опыт по поимке хотя бы одного нейтрино. Для детектора длиной около 100 м (соорудить в земной лаборатории нечто большее трудно) получим N_o≈¹⁸. Это число можно уменьшить, если увеличить площадь детектора и пучка до «разумной» величины — 10 м². Но и тогда потребуется нейтринный источник огромной силы — 10¹³. А ведь для надежного результата надо поймать хотя бы несколько сотен частиц.

Именно эту трудность как непреодолимую представлял себе чистый теоретик Паули, когда заключил пари на бутылку шампанского со своим приятелем, известным астрономом В. Бааде, утверждая, что «при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено». Интенсивность накопленных источников Β-распада, которые могли бы давать пучки нейтрино, была в миллиарды раз меньше требуемой.

(Окончание следует.)

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: 9860

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 случайные 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 несут максимальную энергию, которую может произвести 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 .

Что такое нейтрино? | Земля

Нейтрино, мы ищем вас! Японский детектор Super-Kamiokande. Обсерватория Камиока, ICRR (Институт исследования космических лучей), Токийский университет

Джон Биком, Университет штата Огайо

Нейтрино наберитесь терпения. Они того стоят, и объявление о присуждении Нобелевской премии по физике 2015 года признает это, после связанных с этим премий в 1988, 1995 и 2002 годах. По иронии судьбы, эти почти необнаружимые частицы могут открывать вещи, которые нельзя увидеть никаким другим способом.

Я мог бы начать с того, что нейтрино — это элементарные частицы, но это звучит снисходительно. Они называются элементарными не потому, что их легко понять — это не так, — а потому, что они кажутся точечными по размеру, и мы не можем разбить их на более мелкие составляющие. Нет такой вещи, как половина нейтрино.

Мельчайшие частицы во Вселенной

Атомы, несмотря на греческое название («нельзя разрезать»), не являются элементарными частицами, то есть их можно разобрать. Атом представляет собой диффузное облако электронов, окружающее крошечное плотное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, которое можно разбить на верхние и нижние кварки.

Коллайдеры частиц, которые разгоняют частицы почти до скорости света и сталкивают их друг с другом, помогают нам открывать новые элементарные частицы. Во-первых, из-за того, что E = mc ² энергия при столкновении может быть преобразована в массу частиц. Во-вторых, чем выше энергия луча ускорителя, тем точнее мы можем разрешать составные структуры, точно так же, как мы можем видеть меньшие объекты с помощью рентгеновских лучей, чем с помощью видимого света.

Мы не смогли разобрать электроны или кварки. Это элементарные частицы, образующие основные составляющие обычной материи: кубики вселенной «Лего». Интересно, что есть много тяжелых кузенов знакомых частиц, которые существуют только доли секунды и, следовательно, не являются частью обычной материи. Например, для электронов это мюон и тауон.

Элементарные частицы, одним из видов которых являются нейтрино. Изображение предоставлено: MissMJ

Что такое нейтрино?

Чем эта элементарная частица – нейтрино – отличается от всех остальных элементарных частиц? Он уникален тем, что почти не имеет массы и почти не взаимодействует. Эти характеристики различны, хотя их часто смешивают (не прислушивайтесь к советам о нейтрино от поэта, даже если это Джон Апдайк).

Остается загадкой, почему нейтрино почти, но не совсем безмассовые. Однако мы знаем, почему они почти не взаимодействуют: они не чувствуют электромагнитных или сильных взаимодействий, которые связывают ядра и атомы, только метко названное слабое взаимодействие (и гравитацию, но едва, потому что их массы малы).

Хотя нейтрино не являются составляющими обычной материи, они окружают нас повсюду — триллионы солнечных частиц проходят через ваши глаза каждую секунду. На каждый кубический сантиметр, оставшийся после Большого взрыва, приходится сотни. Поскольку они так редко взаимодействуют, их почти невозможно наблюдать, и вы, конечно, их не чувствуете.

У нейтрино есть и другие странные аспекты. Они бывают трех типов, называемых ароматами — электронные, мюонные и тауонные нейтрино, соответствующие трем заряженным частицам, с которыми они соединяются, — и все они кажутся стабильными, в отличие от тяжелых кузенов электрона.

Поскольку три разновидности нейтрино почти идентичны, существует теоретическая возможность того, что они могут превращаться друг в друга, что является еще одним необычным аспектом этих частиц, который может открыть новую физику. Это преобразование требует трех вещей: чтобы массы нейтрино были отличны от нуля, чтобы они были разными для разных типов, и чтобы нейтрино определенного аромата были квантовыми комбинациями нейтрино определенной массы (это называется «смешением нейтрино»).

На протяжении десятилетий считалось, что ни одно из этих условий не будет выполнено. Однако не физиками нейтрино — мы надеялись.

Заниматься астрономией с невидимыми частицами

В конце концов природа предоставила, а экспериментаторы открыли, подкрепив расчетами теоретиков. Сначала последовали десятилетия поисков с помощью множества экспериментов с важными намеками, побуждающими к поиску.

Затем, в 1998 году, эксперимент Супер-Камиоканде в Японии представил убедительные доказательства того, что мюонные нейтрино, образующиеся в атмосфере Земли, изменяются на другой тип (сейчас считается, что это тауонные нейтрино). Доказательством было то, что это произошло с нейтрино, пришедшими «снизу», прошедшими большое расстояние через Землю, но не с нейтрино «сверху», прошедшими только короткое расстояние через атмосферу. Поскольку поток нейтрино (почти) одинаков в разных местах на Земле, это позволило провести измерения «до» и «после». 900:15 Вид со дна акрилового сосуда Нейтринной обсерватории Садбери и массива ФЭУ. изображение предоставлено: Эрнест Орландо Лоуренс Беркли Национальная лаборатория

В 2001 и 2002 годах Нейтринная обсерватория Садбери в Канаде представила убедительные доказательства того, что электронные нейтрино, образующиеся в ядре Солнца, также меняют вкус. На этот раз доказательством было то, что нейтрино электронного аромата, которые исчезли, затем снова появились в виде других типов (теперь считается, что это смесь мюонных и тауонных нейтрино).

В каждом из этих экспериментов наблюдалось вдвое меньше нейтрино, чем ожидалось согласно теоретическим предсказаниям. И, возможно, уместно, что Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили по половине Нобелевской премии.

В обоих случаях квантово-механические эффекты, которые обычно действуют только на микроскопических расстояниях, наблюдались на земных и астрономических расстояниях.

Как было сказано на первой полосе The New York Times в 1998 году: «В неуловимой частице обнаружена масса; Вселенная никогда не будет прежней». Эти четкие признаки изменения аромата нейтрино, подтвержденные и подробно измеренные в лабораторных экспериментах, показывают, что нейтрино имеют массу и что эти массы различны для разных типов нейтрино. Интересно, что мы еще не знаем, каковы значения масс, хотя другие эксперименты показывают, что они должны быть примерно в миллион раз меньше массы электрона, а возможно, и меньше.

Это заголовок. Остальная часть истории состоит в том, что смешивание нейтрино разных ароматов на самом деле довольно велико. Вы можете подумать, что это плохие новости, когда предсказания терпят неудачу — например, что мы никогда не сможем наблюдать изменение аромата нейтрино — но такая неудача хороша, потому что мы узнаем что-то новое.

Международное общество охотников за нейтрино

Артур Б. Макдональд, почетный профессор Королевского университета в Канаде, беседует с журналистами в Королевском университете в Кингстоне, Онтарио, 6 октября 2015 г. Макдональд и Такааки Кадзита из Японии стали со-победителями конкурса Нобелевская премия по физике 2015 года за открытие того, что нейтрино, названные самыми неуловимыми частицами в природе, имеют массу, заявил во вторник орган, присуждающий награду. REUTERS/Lars Hagberg – RTS3AOVTАкааки Кадзита на пресс-конференции после объявления о том, что он получил Нобелевскую премию по физике. Фото предоставлено: Като/Рейтер

Я рад такому признанию моих друзей Таки и Арта. Я хотел бы, чтобы несколько ключевых людей, как экспериментаторов, так и теоретиков, внесших существенный вклад, были также признаны. Потребовалось много лет, чтобы построить и провести эти эксперименты, которые сами по себе были основаны на медленной, трудной и в значительной степени неблагодарной работе, продолжавшейся десятилетиями и требующей усилий сотен людей. Это включает в себя активное участие США как в Супер-Камиоканде, так и в нейтринной обсерватории Садбери. Итак, поздравляем нейтрино, Таку и Арта, а также многих других, кто сделал это возможным!

Когда я впервые начал работать над нейтрино, более 20 лет назад, многие люди, в том числе видные ученые, говорили мне, что я зря трачу время. Позже другие уговаривали меня заняться чем-то другим, потому что «люди, которые работали над нейтрино, не получают работу». И даже сейчас многие физики и астрономы считают, что мы гонимся за чем-то почти воображаемым.

Но это не так. Нейтрино реальны. Они — неотъемлемая часть физики, проливающая свет на происхождение массы, асимметрию частиц и античастиц во Вселенной и, возможно, на существование новых сил, слишком слабых для проверки с другими частицами. И они являются неотъемлемой частью астрономии, раскрывая самые мощные ускорители во Вселенной, что находится внутри самых плотных звезд и, возможно, новые и ранее невидимые астрофизические объекты.

Крошечные частицы, большие загадки

Почему вас это должно волновать, кроме того, что вы разделяете наше любопытство по поводу раскрытия некоторых из самых странных вещей во Вселенной?

Слабое взаимодействие, которое ощущают нейтрино, превращает протоны в нейтроны, приводя в действие реакции ядерного синтеза на Солнце и других звездах и создавая элементы, которые делают возможными планеты и саму жизнь.

Нейтрино — единственный компонент темной материи, который мы понимаем, и выяснение остальных поможет нам понять структуру и эволюцию Вселенной. Если бы массы нейтрино были намного больше, Вселенная выглядела бы совсем по-другому, и, возможно, нас бы здесь не было.

Наконец, с точки зрения практики, физика нейтрино и астрофизика — одна из самых сложных задач, требующая от нас изобретения невероятно чувствительных детекторов и методов. У этого знания есть и другое применение; например, используя детектор нейтрино, мы могли бы определить, включен ли предполагаемый ядерный реактор, каков его уровень мощности и даже производит ли он плутоний. Это может иметь некоторые реальные приложения.

Последние десятилетия в нейтринной физике и астрономии были замечательными, но некоторые из самых захватывающих вещей только начинают происходить. Нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе теперь наблюдает нейтрино высоких энергий из-за пределов нашей галактики. Супер-Камиоканде объявил о плане, основанном на предложении от меня и Марка Вагинса, по улучшению их чувствительности к антинейтрино по сравнению с нейтрино. И международное сообщество надеется построить новую крупную нейтринную установку, в которой мощный пучок нейтрино будет отправлен из лаборатории Ферми в Иллинойсе на детектор глубоко под землей в шахте Хоумстейк в Южной Дакоте. Кто знает, что мы найдем?

И это то, чего я действительно ждал.

Джон Биком, профессор физики, профессор астрономии и директор Центра космологии и физики астрочастиц (CCAPP), Университет штата Огайо

Первоначально эта статья была опубликована на сайте The Conversation. Прочитайте оригинальную статью.

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 антиматерии. 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.