Содержание
Законы сохранения в ядерных реакциях
№1Законом сохранения лептонного заряда разрешена реакция …
Решение:
Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса (спина) и всех зарядов (электрического , барионного и лептонного ). Согласно закону сохранения лептонного заряда в замкнутой системе при любых процессах суммарный лептонный заряд остается неизменным. Условились считать, что для лептонов лептонный заряд ; а для антилептонов лептонный заряд . Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Реакция может идти, так как в этой реакции наряду с другими выполняется закон сохранения лептонного заряда : . В остальных реакциях закон сохранения лептонного заряда L нарушен.
№2 Законом сохранения электрического заряда запрещена реакция …
№3Распад мюона по схеме не может идти из-за нарушения закона сохранения …
лептонного заряда
электрического заряда
спина
барионного заряда
Решение:
Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса (спина) и всех зарядов (электрического , барионного и лептонного ).
Согласно закону сохранения лептонного заряда в замкнутой системе при любых процессах суммарный лептонный заряд остается неизменным. Условились считать, что для лептонов лептонный заряд L = +1; а для антилептонов лептонный заряд L = -1. Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Реакция не может идти из-за нарушения закона сохранения лептонного заряда , так как
№4
Взаимодействие K0-мезона с протоном в водородной пузырьковой камере идет по схеме
Если спин π -мезона S=0, то характеристиками K0-мезона будут …
Q=0; S=0
Q=0; S=1/2
Q=+1; S=0
Q=+1; S=1/2
Решение:
При взаимодействии элементарных частиц и их превращениях возможны только такие процессы, в которых выполняются законы сохранения, в частности законы сохранения электрического заряда и спина.
-мезоны имеют спин S=0, а электрический заряд Q= ±1 в единицах элементарного заряда. Спин протона p в единицах постоянной Планка равен: S= 1/2, а заряд Q= +1. Гиперон имеет спин S= 1/2, заряд Q=0. В соответствии с законами сохранения у -мезона спин равен S=0, заряд Q=0.
№5
Законом сохранения барионного заряда запрещена реакция …
Решение
Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса (спина) и всех зарядов (электрического Q, барионного B и лептонного L ). Согласно закону сохранения барионного заряда для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд сохраняется. Барионам (нуклонам n,p и гиперонам) приписывается барионный заряд B = + 1 Антибарионам (антинуклонам и антигиперонам) – барионный заряд B = — 1 , а всем остальным частицам – барионный заряд B = 0 Реакция не может идти из-за нарушения закона сохранения барионного заряда B так как
(+1) + (+1) ≠ +(0) + (0)
№6
Реакция не может идти из-за нарушения закона сохранения …
Решение.
Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса (спина) и всех зарядов (электрического , барионного и лептонного ). Эти законы сохранения не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют также все возможности этих последствий. Для выбора правильного ответа надо проверить, каким законом сохранения запрещена и какими разрешена приведенная реакция взаимопревращения элементарных частиц. Согласно закону сохранения лептонного заряда в замкнутой системе при любых процессах, разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется. Условились считать для лептонов: . лептонный заряд а для антилептонов: . лептонный заряд . Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Реакция не может идти из-за нарушения закона сохранения лептонного заряда , т.к.
ü Лептонного заряда
Барионного заряда
Спинового момента импульса
Электрического заряда
№7
Реакция не может идти из-за нарушения закона сохранения…
Решение:
Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии,импульса,момента импульса(спина)и всех зарядов(электрического Q,барионного B и лептонного L).
Эти законы сохранения не только ограничивают последствия различных взаимодействий,но определяют также все возможности этих последствий. Согласно закону сохранения барионного заряда B,для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный зарад сохраняется. Барионам (нуклонам n,p и гиперонам)приписывается барионный заряд
B=-1,а всем остальным частицам барионный заряд-B=0.Реакция не может идти из-за нарушения закона барионного заряда B,т.к (+1)+(+1)
Варианты ответа: ,лептонного заряда,спинового момента импульса,электрического заряда.
№8
Законом сохранения электрического заряда запрещены реакции…
Варианты ответа(не менее 2):
Решение:
При взаимодействии элементарных частиц и их превращении в другие возможны только такие процессы,в которых выполняются законы сохранения,в частности закон сохранения электрического заряда:суммарный электрический заряд частиц,вступающих в реакцию,равен суммарному электрическому заряду частиц,полученных в результате реакции.
Электрический заряд Q в единицах элементарного заряда равен:у нейтрона (n) Q=0,протона (P) Q=+1, электрона ( )Q=-1,позитрона ( ) Q=+1,электронного нейтрино и антинейтрино ( Q=0, антипротона ( Q=-1, мюонного нейтрино ( )Q=0, мюона ( ) Q=-1.Закон сохранения электрического заряда не выполняется в реакциях:
Тема: Фундаментальные взаимодействия.
№1
Установите соответствие между видами фундаментальных взаимодействий и радиусами (в м) их действия.
1. Гравитационное
2. Слабое
3. Сильное
1. ∞
2. 10-18
3. 10-15
10-10
Решение:
Радиус действия гравитационного взаимодействия равен бесконечности. Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях порядка м, сравнимых с размерами ядер. Для слабого взаимодействия радиус действия м.
№2
Установите соответствие между видами фундаментальных взаимодействий и их сравнительной интенсивностью.
1. Гравитационное
2. Электромагнитное
3. Сильное
4. Слабое
1.
2.
3. 1
4.
Решение:
Под отношением интенсивностей взаимодействий в первом приближении можно понимать отношение энергий этих взаимодействий для двух одинаковых частиц (например, протонов), разделенных достаточно малым расстоянием. Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного взаимодействия будет равна , слабого – и гравитационного –
№3
Установите соответствие между характерным временем взаимодействия и видом фундаментального взаимодействия.
1.
2.
3.
1. Электромагнитное
2. Сильное
3.
Слабое
гравитационное
Решение:
Характерным временем взаимодействия можно назвать минимальное время жизни частиц, подверженных распадам в результате данного взаимодействия. Время сильного взаимодействия составляет величину , электромагнитного – и слабого – .
№4
Установите соответствие между группами элементарных частиц и характерными типами фундаментальных взаимодействий.
1. Фотоны
2. Лептоны
3. Адроны
1. Электромагнитное
2. Слабое
3. Сильное
гравитационное
Решение:
В сильном взаимодействии участвуют только адроны, характерным для лептонов является участие в слабых взаимодействиях (хотя они участвуют также в электромагнитном и в гравитационном взаимодействии). Фотоны являются переносчиками электромагнитных взаимодействий.
№5
Известно четыре вида фундаментальных взаимодействий.
В одном из них участниками являются все заряженные частицы, обладающие магнитным моментом, переносчиками –фотона. Этот вид взаимодействия характеризуется сравнительной интенсивностью , радиус его действия равен …
Решение.
Все перечисленные характеристики соответствуют электромагнитному взаимодействию. Его радиус действия равен бесконечности.
ü
Предыдущая1234567891011121314Следующая
30. Ядерные реакции.
Тема:
Ядерные реакции
Начало
формы
Конец
формы
Для
-распада
несправедливым
является утверждение, что …
вылетающие -частицы |
Тема:
Ядерные реакции
Начало
формы
Конец
формы
Через
интервал времени, равный двум периодам
полураспада, останется ____ %
нераспавшихся радиоактивных ядер.
Тема:
Ядерные реакции
Начало
формы
Конец
формы
Произошло
столкновение
-частицы
с ядром бериллия
.
В результате образовался нейтрон и
изотоп …
|
Тема:
Ядерные реакции
Начало
формы
Конец
формы
Возраст
любого предмета, изготовленного из
некогда живой ткани, например, из дерева,
можно приближенно определить по удельной
активности (активности единицы массы)
радиоактивного изотопа углерода
,
период полураспада которого составляет
примерно 5700 лет. Если удельная активность
в
деревянном предмете равна
от
удельной активности растущего дерева,
то дерево, из которого было изготовлено
орудие, было срублено примерно ____ лет
назад.
11400 |
31.
Законы сохранения в ядерных реакциях.
Тема:
Законы сохранения в ядерных реакциях
Начало
формы
Конец
формы
Законом
сохранения электрического заряда
запрещен
процесс, описываемый уравнением …
|
Тема:
Законы сохранения в ядерных реакциях
Начало
формы
Конец
формы
Взаимодействие
протона с нейтрино по схеме
не
может
идти из-за нарушения закона сохранения …
лептонного |
Тема:
Законы сохранения в ядерных реакциях
Начало
формы
Конец
формы
Реакция
не
может
идти из-за нарушения закона сохранения …
электрического |
Тема:
Законы сохранения в ядерных реакциях
Начало
формы
Конец
формы
Законом
сохранения электрического заряда
разрешена реакция …
|
Тема:
Законы сохранения в ядерных реакциях
Начало
формы
Конец
формы
Взаимодействие
-мезона
с протоном в водородной пузырьковой
камере идет по схеме
Если
спин
-мезона
,
то характеристиками ламбда-гиперона
будут …
|
32.
Фундаментальные взаимодействия.
Тема:
Фундаментальные взаимодействия
Начало
формы
Конец
формы
Установите
соответствие между наиболее характерными
типами фундаментальных взаимодействий
и группами элементарных частиц,
участвующих в этих взаимодействиях.
1.
Слабое
2. Сильное
3.
Гравитационное
| лептоны | ||
| адроны | ||
| все |
Тема:
Фундаментальные взаимодействия
Начало
формы
Конец
формы
Установите
соответствие между переносчиками
фундаментальных взаимодействий и видами
этих взаимодействий.
1. Фотоны
2.
Глюоны
3. Бозоны
| электромагнитное | ||
| сильное | ||
| слабое |
Тема:
Фундаментальные взаимодействия
Начало
формы
Конец
формы
Установите
соответствие между видом фундаментального
взаимодействия и характерным для него
временем взаимодействия.
1.
Электромагнитное
2. Сильное
3.
Слабое
|
| ||
|
| ||
|
|
Тема:
Фундаментальные взаимодействия
Начало
формы
Конец
формы
Установите
соответствие между относительной
интенсивностью фундаментальных
взаимодействий и их видами, приняв за
единицу интенсивность сильного
взаимодействия.
1.
2.
| гравитационное | ||
| слабое |
Тема:
Фундаментальные взаимодействия
Начало
формы
Конец
формы
Установите
соответствие между радиусами
(в
м)
фундаментальных взаимодействий и их
видами.
1.
2.
| слабое | ||
| сильное |
Тема:
Фундаментальные взаимодействия
Начало
формы
Конец
формы
Установите
соответствие между видами фундаментальных
взаимодействий и радиусами их действия
в метрах.
1. Электромагнитное
2.
Слабое
3. Сильное
| ∞ | ||
|
| ||
|
|
⇐ ПредыдущаяСтр 27 из 28Следующая ⇒ Согласно современным представлениям, единый ранее уровень элементарных частиц делится на два уровня. На одном из них – адронном – расположены составные частицы, в том числе протон p и нейтрон n. Таблица 23.1.Элементарные частицы
Ядерные силы представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – сильного взаимодействия, которое проявляется на очень малых расстояниях порядка 10-15 м, сравнимых с размерами ядер. Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы: , где — дефект массы, Z – число протонов в ядре (зарядовое число),Mя -масса ядра, mp и тn -масса протона и нейтрона, соответственно. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира. Радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино посредством бозонов. Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10−18 м) Гравитационное взаимодействие из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Условные схемы элементарных взаимодействий Сильное Гравитационное Слабое Электромагнитное Пример 23.1.В центральной части атома, занимая небольшой объем и обладая его основной массой, находится положительно заряженное ядро. Неверным является утверждение, что … Rмасса ядра равна сумме масс образующих ядро нуклонов; £ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью; £наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов; £ядра с одинаковыми зарядовыми, но разными массовыми числами называются изотопами. Решение: Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), а его заряд равен суммарному положительному заряду протонов: qя = Ze, где Z – число протонов в ядре (зарядовое число), e — заряд протона. Ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью – пары нуклонов одинаково притягиваются. Ядерные силы не являются центральными силами. Ядерное взаимодействие возникает в условиях обмена виртуальными мезонами между нуклонами. Чтобы разбить ядро на составляющие части – протоны и нейтроны, нужно совершить работу по преодолению ядерных сил, то есть сообщить ядру энергию, называемую энергией связи. По закону сохранения энергии такая же энергия связи выделится при соединении свободных нуклонов в ядро. Таким образом, при образовании ядра в результате выделения энергии должна уменьшиться и масса нуклонов. Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит: Δm = Σ mнуклонов — mядра (дефект массы). Пример 23.2.Кварковый состав характерен для … RНейтронов £Электронов £Мюонов £Нейтрино Решение: Согласно современным представлениям, единый ранее уровень элементарных частиц делится на два уровня. На одном из них – адроном – расположены составные частицы, в том числе протон p и нейтрон n. Самый нижний уровень – это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Пример 23.3.Установите соответствие между видами фундаментальных взаимодействий и радиусами их действия в метрах. £Электромагнитное £ бесконечность £Слабое £ 10-15 м £Сильное £ 10-18м Решение: радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях порядка 10-15 м, сравнимых с размерами ядер. Для слабого взаимодействия радиус действия 10-18м. Пример 23.4.Установите соответствие между переносчиками фундаментальных взаимодействий и видами этих взаимодействий. £ Глюоны £ гравитационное £ Гравитоны £ электромагнитное £ Фотоны £ слабое £сильное Решение: все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер. В качестве элементарных актов каждого взаимодействия выступают процессы испускания и поглощения данной частицей a некоторой частицы X, как раз и определяющей тип данного взаимодействия. Сама частица a может остаться неизменной, а может превратиться в некоторую другую частицу b: a ↔ b + X . Расположенная поблизости частица c также способна поглощать и испускать частицу X: X + c ↔ d. Если a испустит X, а c поглотит X или наоборот, то промежуточная частица X исчезнет, а между a, b и с, d возникнет взаимодействие, которое приведет к превращению a + c → b + d. Частица X — является переносчиком данного взаимодействия. Переносчики электромагнитного взаимодействия − фотоны. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны, осуществляющие связь между кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Переносчиками слабого взаимодействия являются — промежуточные бозоны. Переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны (экспериментально пока не обнаружены). Пример 23.5.Для ядерных сил не справедливым является утверждение, что они … Rзависят от типа взаимодействующих нуклонов, то есть ядерные силы между протонами отличаются от сил между нейтронами и от сил между протоном и нейтроном £являются силами притяжения £являются короткодействующими £не являются центральными Решение: В ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, рассматриваемых в классической физике (гравитационных и электромагнитных). Ядерные силы являются силами притяжения. Им свойственна зарядовая независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от типа нуклона (p – p, n – n или p — n). Пример 23.6.Взаимодействие K0-мезона с протоном в водородной пузырьковой камере идет по схеме: Если спин π-мезона S = 0, то характеристиками ламбда-гиперона Λ0будут … £Q = 0, S = ½ £Q = 0, S = 0 £Q = +1, S = ½ £Q = 0, S = 1/2 Решение: (см. табл. 23.1.)При взаимодействии элементарных частиц и их превращениях возможны только такие процессы, в которых выполняются законы сохранения, в частности законы сохранения электрического заряда и спина. π±-мезоны имеют спин Sπ± = 0, а электрический заряд Qπ± = ±1 в единицах элементарного заряда. Спин протона p в единицах постоянной Планка ħ равен: Sp = 1/2, а заряд Qp = +1. Пример 23.7.Взаимодействие протона с нейтрино по схеме не может идти из-за нарушения закона сохранения … Rлептонного заряда £электрического заряда £спина£барионного заряда Решение: Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса (спина) и всех зарядов (электрического Q, барионного B и лептонного L). Согласно закону сохранения лептонного заряда L, в замкнутой системе при любых процессах суммарный лептонный заряд остается неизменным. Условились считать, что для лептонов e—, νe; μ—,νμ,; τ+,ντ лептонный заряд L = + 1; а для антилептонов e+, ; μ+, ; τ+, лептонный заряд L = — 1. Пример 23.8. На рисунке показана кварковая диаграмма –распада нуклона. Эта диаграмма соответствует реакции: R £ £ £ Решение: (см. табл. 23.1) первая частица dud – это нейтрон, последняя частица duu – это протон, т.е. изображена кварковая диаграмма превращения нейтрона в протон с образованием электрона и электронного нейтрино. Пример 23.9. На рисунке показана кварковая диаграмма распадалямбда-гиперона.Эта диаграмма соответствует реакции: £ £ R £ Решение: (см. табл. 23.1) первая частица uds – это гиперон, последняя частица duu – это протон, дополнительно образуется –пион. ⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒ ©2015 arhivinfo. |
Самый нижний уровень – это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электрон e— , фотон γ (и все переносчики взаимодействий), а также кварки. Мюон и нейтрино относятся также к классу лептонов (см. табл.)
Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, которые осуществляют связь между кварками, из которых состоят протоны и нейтроны.
Однако гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами. Переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны (экспериментально пока не обнаружены). Соотношения между величинами сил взаимодействия:
Следовательно, масса ядра не является аддитивной величиной. У разных атомов число протонов и нейтронов в ядре различно. Ядра с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов называются изотопами. Среди них имеются стабильные ядра (с большой энергией связи). Наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов ( ,…). В одной из существующих моделей ядра – оболочечной – имеют место дискретные энергетические уровни, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Уровни объединены в оболочки, которые, будучи полностью заполненными, образуют устойчивые структуры.
Именно на нем находятся электрон e— (и вообще все лептоны) фотон γ (и все переносчики взаимодействий), а также кварки. Мюон и нейтрино относятся к классу лептонов. Практически доказано, что все адроны состоят из кварков – необычных по своим свойствам фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы.
Ядерные силы не являются центральными: их нельзя представить действующими по прямой, соединяющей нуклоны. Ядерные силы являются короткодействующими. Они проявляются на расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м.
В соответствии с законами сохранения у ламбда-гиперона Λ0 спин SΛ0 = 1/2, а заряд QΛ0 = 0
Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Реакция не может идти, так как в этой реакции не выполняется закон сохранения лептонного заряда L: (+ 1) + (0) = (0) + (-1).
ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.Первый взгляд на то, как Земля останавливает высокоэнергетические нейтрино на их пути — IceCube
Нейтрино — это многочисленные субатомные частицы, которые известны тем, что проходят через все и вся, очень редко взаимодействуя с материей. Каждую секунду через ваше тело проходит около 100 триллионов нейтрино.
Теперь ученые продемонстрировали, что Земля останавливает очень энергичные нейтрино — они не проходят через все. Эти высокоэнергетические взаимодействия нейтрино были обнаружены детектором IceCube, массивом из 5160 оптических датчиков размером с баскетбольный мяч, глубоко заключенных в кубический километр очень чистого антарктического льда недалеко от Южного полюса.
Датчики IceCube не наблюдают нейтрино напрямую, а вместо этого измеряют вспышки синего света, известные как черенковское излучение, испускаемые мюонами и другими быстро движущимися заряженными частицами, которые создаются при взаимодействии нейтрино со льдом, а также образующимися заряженными частицами.
когда мюоны взаимодействуют при движении сквозь лед. Измеряя световые паттерны от этих взаимодействий в массиве детекторов или рядом с ним, IceCube может оценить направления и энергии нейтрино.
Исследование, опубликованное онлайн 22 ноября журналом Nature основан на данных за один год примерно 10 800 связанных с нейтрино взаимодействий, возникающих в результате естественного поступления очень энергичных нейтрино из космоса, которые проходят через толстый и плотный поглотитель: Землю. Энергия нейтрино имела решающее значение для исследования, поскольку нейтрино с более высокой энергией с большей вероятностью будут взаимодействовать с веществом и поглощаться Землей.
При самых высоких энергиях нейтрино будут поглощены Землей и никогда не достигнут IceCube. Изображение: коллаборация IceCube.
Ученые обнаружили, что меньше энергичных нейтрино проходит через Землю к детектору IceCube, чем по менее загроможденным путям, например по почти горизонтальным траекториям.
Вероятность поглощения нейтрино Землей соответствовала ожиданиям Стандартной модели физики элементарных частиц, которую ученые используют для объяснения фундаментальных сил и частиц во Вселенной. Эта вероятность — что нейтрино данной энергии будут взаимодействовать с материей — и есть то, что физики называют «поперечным сечением».
«Понимание того, как взаимодействуют нейтрино, является ключом к работе IceCube», — объясняет Фрэнсис Халзен, главный исследователь нейтринной обсерватории IceCube и профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон. Прецизионные измерения на ускорителе HERA в Гамбурге, Германия, позволяют нам вычислить сечение нейтрино с большой точностью в рамках Стандартной модели, которая применима к нейтрино IceCube гораздо более высоких энергий, если Стандартная модель действительна при этих энергиях. «Конечно, мы надеялись, что появится какая-то новая физика, но, к сожалению, обнаружили, что Стандартная модель, как обычно, выдерживает испытание», — добавляет Халзен.
Это исследование обеспечивает первые измерения поперечного сечения для диапазона энергий нейтрино, который до 1000 раз выше, чем предыдущие измерения на ускорителях частиц. Большинство нейтрино, отобранных для этого исследования, были более чем в миллион раз более энергичными, чем нейтрино, произведенные более известными источниками, такими как солнце или атомные электростанции. Исследователи позаботились о том, чтобы измерения не были искажены из-за проблем с детектором или других неопределенностей.
«У нейтрино вполне заслуженная репутация удивлять нас своим поведением», — говорит Даррен Грант, представитель IceCube Collaboration и профессор физики Университета Альберты в Канаде. «Невероятно интересно видеть это первое измерение и его потенциал для будущих испытаний точности».
Стандартная модель предсказывает, что вероятность того, что нейтрино взаимодействует с веществом, увеличивается с увеличением энергии. Измерение IceCube согласуется с этой моделью для энергий до 980 ТэВ, но новая физика может проявиться как отклонение от этого предсказания при более высоких энергиях.
Изображение: коллаборация IceCube.
В дополнение к первому измерению поглощения нейтрино Землей, анализ показывает, что научная деятельность IceCube выходит за рамки его основного внимания к открытиям в области физики элементарных частиц и новой области нейтринной астрономии в области планетологии и ядерной физики. Этот анализ также заинтересует геофизиков, которые хотели бы использовать нейтрино для изображения недр Земли, хотя для этого потребуется больше данных, чем было использовано в текущем исследовании.
«IceCube был создан как для исследования границ физики, так и для того, чтобы бросить вызов существующим представлениям о природе вселенной. Это новое открытие и другие, которые еще предстоит сделать, находятся в духе научных открытий», — сказал Джеймс Уитмор, программный директор физического отдела Национального научного фонда.
Для этого исследования коллаборация IceCube, в которую входят более 300 членов из 48 учреждений в 12 странах, расширила свое исследовательское партнерство, включив геологов в еще более крупную междисциплинарную группу.
Физики работали с геологами, которые создали модели недр Земли на основе сейсмических исследований, чтобы измерить, как нейтрино поглощаются Землей.
Более глубокое понимание того, как часто нейтрино будет проходить через Землю, чтобы в конечном итоге взаимодействовать с детектором IceCube, также требует подробного знания свойств антарктического льда, взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли и того, как нейтрино взаимодействуют с веществом.
Нейтрино, использованные в этом анализе, были в основном получены, когда водород или более тяжелые ядра из высокоэнергетических космических лучей, созданных за пределами Солнечной системы, взаимодействовали с ядрами азота или кислорода в атмосфере Земли. Это создает каскад частиц, в том числе несколько типов субатомных частиц, которые распадаются, производя нейтрино. Эти частицы падают на поверхность Земли со всех сторон.
Анализ также включал небольшое количество астрофизических нейтрино, которые производятся за пределами земной атмосферы космическими ускорителями, неизвестными на сегодняшний день, возможно, связанными со сверхмассивными черными дырами.
События взаимодействия нейтрино, выбранные для исследования, имеют энергию не менее одного триллиона электрон-вольт или тераэлектронвольта (ТэВ), что примерно соответствует кинетической энергии летающего комара. При этой энергии поглощение Землей нейтрино относительно невелико, и нейтрино с самой низкой энергией в исследовании в основном служили базой без поглощения. Анализ чувствителен к поглощению в диапазоне энергий от 6,3 ТэВ до 980 ТэВ, ограниченный на высокоэнергетическом конце нехваткой достаточно энергичных нейтрино.
При этих энергиях каждый отдельный протон или нейтрон в ядре действует независимо, поэтому поглощение зависит от количества протонов или нейтронов, с которыми сталкивается каждое нейтрино. Ядро Земли особенно плотное, поэтому поглощение там самое большое. Для сравнения, самые энергичные нейтрино, которые изучались на созданных человеком ускорителях частиц, имели энергии ниже 0,4 ТэВ. Исследователи использовали эти ускорители для направления пучков, содержащих огромное количество нейтрино с более низкими энергиями, на массивные детекторы, но только очень малая их часть дает взаимодействия.
Исследователи IceCube использовали данные, собранные с мая 2010 года по май 2011 года, из частичного массива из 79 «цепочек», каждая из которых содержит 60 датчиков, встроенных в лед на глубине более мили. Данные сравнивались с моделью, описывающей, как нейтрино распространяются через Землю, чтобы найти сечение, которое лучше всего соответствует данным. Моделирование для поддержки анализа было проведено с использованием суперкомпьютеров в Университете Висконсин-Мэдисон и в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab).
Получив больше данных, исследователи IceCube будут исследовать границу между внутренним твердым ядром Земли и ее жидким внешним ядром. Изображение: коллаборация IceCube.
Физики теперь надеются повторить исследование, используя расширенный многолетний анализ данных из полного 86-струнного массива IceCube, который был завершен в декабре 2010 года, и изучить более высокие диапазоны энергий нейтрино для любых намеков на новую физику за пределами Стандарта.
Модель. IceCube уже обнаружил несколько нейтрино сверхвысоких энергий в диапазоне петаэлектронвольт (ПэВ), которые имеют энергию в 1000 раз выше, чем нейтрино, обнаруженные в диапазоне ТэВ.
Дополнительные данные уменьшат неопределенность и предоставят нейтрино с еще более высокими энергиями, открывая новые возможности для исследования физики нейтрино за пределами Стандартной модели. Это также позволит ученым исследовать границу между внутренним твердым ядром Земли и ее жидким внешним ядром.
Более долгосрочная цель состоит в том, чтобы построить более крупный детектор, который позволит ученым изучать нейтрино еще более высоких энергий. Предлагаемый IceCube-Gen2 будет в 10 раз больше, чем IceCube. Его больший размер позволит детектору собирать больше данных от нейтрино при очень высоких энергиях. Некоторые ученые планируют построить детектор еще большего размера, объемом 100 кубических километров и более, используя новый подход, который ищет импульсы радиоволн, возникающие при взаимодействии нейтрино очень высокой энергии во льду.
Измерения поглощения нейтрино радиодетектором можно было бы использовать для поиска новых явлений, которые выходят далеко за рамки физики, учитываемой в Стандартной модели, и могли бы исследовать структуру атомных ядер более подробно, чем в других экспериментах.
Нейтринная обсерватория IceCube была построена в рамках гранта NSF на строительство крупного исследовательского оборудования и сооружений при содействии партнерских финансовых агентств по всему миру. Отдел полярных программ и отдел физики NSF продолжают поддерживать проект, предоставляя грант на техническое обслуживание и эксплуатацию, а также международную поддержку со стороны участвующих институтов и их финансирующих агентств. UW-Madison является ведущим учреждением, и в международном сотрудничестве участвуют 300 физиков и инженеров из США, Германии, Швеции, Бельгии, Швейцарии, Японии, Канады, Новой Зеландии, Австралии, Великобритании, Кореи и Дании.
youtube.com/embed/OdWZA5UxmOk?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»> В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, IceCube продемонстрировал, что Земля останавливает очень энергичные нейтрино — они не проходят через все. Предоставлено: IceCube Collaboration
+ информация «Измерение поперечного сечения нейтрино с несколькими ТэВ с помощью IceCube с использованием поглощения Земли», IceCube Collaboration: M.G. Арсен и др. Nature 551 (2017) 596-600 , www.nature.com arxiv.org
Больше изображений и видео смотрите здесь.
Протоны и нейтроны
Свободный нейтрон распадается с периодом полураспада около 10,3 минут, но он стабилен, если его объединить в ядро. Этот распад является примером бета-распада с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Распад нейтрона включает слабое взаимодействие, как показано на диаграмме Фейнмана справа. |
Более подробная диаграмма распада нейтрона идентифицирует его как превращение одного из нижних кварков нейтрона в верхний кварк. Это пример кварковых превращений, которые участвуют во многих ядерных процессах, включая бета-распад. |
Распад нейтрона — хороший пример наблюдений, которые привели к открытию нейтрино. Анализ энергетики распада может быть использован для иллюстрации дилемм, с которыми столкнулись первые исследователи этого процесса.
Используя понятие энергии связи и представляя массы частиц через их энергии массы покоя, выход энергии при распаде нейтрона можно рассчитать по массам частиц. Выход энергии традиционно обозначается символом Q. Поскольку энергия и импульс должны сохраняться при распаде, будет показано, что более легкий электрон унесет большую часть кинетической энергии. |
При кинетической энергии такой величины необходимо использовать выражение релятивистской кинетической энергии.На данный момент мы предполагаем (ошибочно), что в распаде участвуют только протон и электрон как продукты. Тогда выход энергии Q будет разделен между протоном и электроном. Электрон получит большую часть кинетической энергии и будет релятивистским, а протон нерелятивистским. Энергетический баланс тогда
В системе покоя нейтрона для сохранения импульса требуется
и pc электрон можно выразить через кинетическую энергию электрона
Энергетический баланс становится равным
.
Когда вы подставляете числа для этого значения Q, вы видите, что член KE e 2 пренебрежимо мал, поэтому можно рассчитать требуемую кинетическую энергию электрона.
Требуемая кинетическая энергия электрона для этой схемы двухчастичного распада равна
Обратите внимание, что максимальная кинетическая энергия отталкивающегося протона составляет всего около 0,4 кэВ, поэтому энергии отдачи других ядер, испустивших бета-частицы, очень малы по сравнению с энергиями электронов.
Аналогичным образом, импульс электрона для этого двухчастичного распада ограничен значением
Импульс и энергия двухчастичного распада ограничены этими значениями, но это а не поведение природы. Наблюдаемые распределения импульса и энергии для электрона показаны ниже.
Тот факт, что электроны, образовавшиеся при распаде нейтрона, имели непрерывное распределение энергии и импульса, был ясным признаком того, что наряду с электроном и протоном испускалась другая частица. Это должна была быть нейтральная частица, и в некоторых случаях распада она несла почти всю энергию и импульс распада.
Это не было бы таким необычным, если бы не тот факт, что когда электрон имел максимальную кинетическую энергию, он составлял всех энергия Q, доступная для распада. Таким образом, не осталось энергии, чтобы объяснить энергию массы другой испущенной частицы. Первые экспериментаторы столкнулись с дилеммой частицы, которая могла нести почти всю энергию и импульс распада, но не имела ни заряда, ни массы!
Таинственная частица была названа нейтрино, но прошло двадцать пять лет, прежде чем Коуэн и Рейнс сделали однозначное экспериментальное наблюдение нейтрино. Нынешнее понимание распада нейтрона
Этот распад иллюстрирует некоторые законы сохранения, управляющие распадом частиц. Протон в продукте удовлетворяет закону сохранения барионного числа, но появление электрона без сопровождения нарушило бы закон сохранения лептонного числа. Третья частица должна быть электронным антинейтрино, чтобы распад удовлетворял закону сохранения лептонного числа.
Электрон имеет лептонное число 1, а антинейтрино имеет лептонное число -1.
| Экспериментальное обнаружение нейтрино |
| Стабильность нейтрона в дейтроне |
NobelPrize.org
Пер Улоф Халт*
Введение
Человечество изучало вселенную на протяжении тысячелетий, глядя на завораживающее ночное небо, руководствуясь видимым светом, излучаемым мириадами звезд и другими явлениями. В течение прошлого века ученые открыли новые изображения ночного неба, используя различные длины волн света, которые не видны невооруженным глазом, такие как радиоволны, инфракрасный свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Каждый раз, когда открываются новые окна в небе, обнаруживаются новые неожиданные явления, такие как микроволновый фон Большого взрыва, нейтронные звезды, активные ядра галактик (АЯГ), черные дыры, гамма-всплески (GRB) и другие захватывающие объекты.
Сегодня ученые начинают открывать совершенно новое окно, используя другую элементарную частицу, нейтрино, вместо фотона, который является элементарной частицей света, используемой для исследования Вселенной. Мы надеемся, что эта новая область, называемая нейтринной астрономией, откроет новые неизвестные явления и поможет нам ответить на несколько вопросов, которые у нас есть сегодня.
Нейтрино
Нейтрино — это элементарная частица, постулированная в 1930 году Вольфгангом Паули, лауреатом Нобелевской премии по физике 1945 года, для решения энергетического кризиса в ядерной физике. У ученых возникли трудности с поиском энергии в радиоактивном распаде, и Паули предположил существование частицы, которая, по его мнению, уносила недостающую энергию. Но прошло несколько лет, прежде чем нейтрино было открыто. Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс впервые обнаружили и идентифицировали эту частицу в 1919 г.65. За свой вклад Райнес был удостоен Нобелевской премии по физике 1995 года.
Нейтрино — малоизвестная частица, не имеющая электрического заряда и взаимодействующая с материей только посредством слабого ядерного взаимодействия.
В последние годы было обнаружено, что нейтрино имеют маленькую массу, что опровергло прежнее предположение о том, что они не имеют массы. На Солнце огромное количество нейтрино образуется в процессе синтеза, когда четыре атома водорода превращаются в один атом гелия. Несмотря на большое количество нейтрино, в среднем только один из них взаимодействует с телом человека в течение жизни. Поток нейтрино от Солнца на поверхность Земли равен 6×10 10 нейтрино на квадратный сантиметр и секунду. Нейтрино от процесса синтеза на Солнце могут пройти через несколько световых лет твердого свинца, прежде чем будут поглощены веществом. Однако вероятность взаимодействия нейтрино с веществом возрастает с увеличением энергии нейтрино.
Наблюдались три различных вида нейтрино:
электронное нейтрино
мюонное нейтрино
и тау-нейтрино
Эти нейтрино связаны с тремя электрически заряженными частицами: электроном, мюоном и тау. Все шесть частиц называются лептонами.
Когда нейтрино взаимодействует с веществом, оно может либо продолжать оставаться нейтрино после взаимодействия («взаимодействие нейтрального тока»), либо создавать соответствующую заряженную частицу («взаимодействие зарядового тока»). Электронное нейтрино создает электрон, мюонное нейтрино — мюон, а тау-нейтрино — тау-лептон.
Мюонное нейтрино взаимодействует с атомом, образуя мюон и поток короткоживущих частиц.
Во время взаимодействия нейтрино высокой энергии заряженный лептон будет двигаться почти в том же направлении, что и прилетающее нейтрино. В материи электрон, возникший во время взаимодействия, остановится на несколько метров, в то время как мюон с его большей массой может продвинуться на несколько километров в зависимости от его энергии. Определение направления созданного мюона даст направление мюонного нейтрино с точностью до нескольких градусов. Это ключ к пониманию нейтринной астрономии высоких энергий.
Нейтрино низких и высоких энергий
Нейтрино можно разделить на две категории: низкоэнергетические и высокоэнергетические.
Это, конечно, довольно условное деление, но оно отражает производственные процессы и способ изготовления детекторов.
Нейтрино низкой энергии в основном производятся в ядерных процессах, таких как реакции синтеза на Солнце или в центре взрывающейся сверхновой. Нейтрино высоких энергий в основном образуются при столкновениях частиц высоких энергий с образованием короткоживущих мезонов, распадающихся на нейтрино и другие частицы.
В масштабе физики элементарных частиц нейтрино низкой энергии имеют энергию в 10 th МэВ (мегаэлектронвольт), в то время как нейтрино высокой энергии имеют энергию выше 10 th ГэВ (гигаэлектронвольт).
Источники нейтрино
Солнечные нейтрино
До сих пор наблюдались только два источника внеземных нейтрино. Оба являются источниками нейтрино низкой энергии. Первым источником является Солнце, от которого Рэймонду Дэвису-младшему, лауреату Нобелевской премии по физике 2002 г., удалось уловить в среднем половину взаимодействия электронного нейтрино в день в своем детекторе в течение 20 лет.
Нейтрино сверхновой
Второй источник внеземных нейтрино наблюдался в течение 10 секунд в 1987 году, когда звезда в Большом Магеллановом Облаке взорвалась как сверхновая, получившая впоследствии название SN1987. Нейтрино из внутренней части коллапса достигли Земли после путешествия в 170 000 лет, за несколько часов до прихода света. Нейтрино могли двигаться более или менее прямо от центрального коллапса во внутренней части звезды, но эффект взрыва был виден на поверхности звезды только позже. Детекторами в Камиоканде (Япония), Баксане (СССР) и ИМБ (США) в течение 10 секунд было зарегистрировано около 25 нейтринных взаимодействий. Это наблюдение нейтрино от Солнца и сверхновой представляло собой новый вид астрономии, поскольку нейтрино дают нам информацию о процессах, происходящих глубоко внутри объектов, скрытых от видимого света, или о фотонах в целом.
Крабовидная туманность — это остаток взрыва сверхновой 1054 года. В огромном взрыве 99% энергии было высвобождено в виде невидимых нейтрино. Copyright © NASA/CXC/SAO |
Нейтрино от неизвестных источников космических лучей
Веским аргументом в пользу существования нейтрино высоких энергий из космоса является наблюдение космических лучей высоких энергий .
Ядерные частицы, распространявшиеся в глубоком космосе в течение многих миллионов лет, непрерывно бомбардируют атмосферу Земли. При столкновении с земной атмосферой частицы создают ливни со многими короткоживущими частицами. На поверхности земли мы наблюдаем остатки ливней в виде около 100 мюонов на квадратный метр и секунду. Сегодня очень большие поверхностные детекторы измеряют интенсивность и энергию космических лучей. Несмотря на открытие космических лучей еще в 1912 Виктора Гесса, лауреата Нобелевской премии по физике 1936 года, мы до сих пор не знаем, откуда они взялись. Мы ожидаем, что большинство частиц рождается при взрывах сверхновых в нашей галактике, но предполагается, что частицы космических лучей, которые имеют самые высокие наблюдаемые энергии, исходят из неизвестных источников за пределами нашей галактики.
Самые высокие наблюдаемые космические лучи имеют энергию 50 Дж. Процесс ускорения, придающий частицам столь высокие энергии, неизвестен. Не являются источниками этих частиц. Энергия высших частиц космических лучей в десять миллионов раз превышает то, чего сможет достичь самый мощный в мире ускоритель частиц LHC (Большой адронный коллайдер), когда он запустится в 2007 году в ЦЕРН, Женева. Если бы на сверхпроводящих магнитах БАК «построить» ускоритель для протонов с такой же энергией, как у высших космических лучей, размер ускорителя должен быть больше, чем траектория Земли вокруг Солнца (длина окружности БАК составляет 27 километров). . Поскольку космические лучи электрически заряжены, они будут отклоняться магнитным полем в пространстве. Это означает, что направление космических лучей не указывает обратно на источник. Чтобы обнаружить источник, нужна электрически нейтральная частица, такая как нейтрино, на которую не влияет магнитное поле. Космические лучи с более чем 10% максимальных наблюдаемых энергий будут взаимодействовать с микроволновым фоном Большого взрыва и не смогут перемещаться на большие расстояния во Вселенной.
Источники должны быть «близкими», не дальше 50 миллионов световых лет, что является очень «коротким» расстоянием в космосе. Существование этих экстремально высоких энергий космических лучей является настоящей загадкой. Когда протоны сталкиваются с фотонами микроволнового фона, создаются мезоны, которые при своем распаде производят нейтрино высокой энергии. Они называются ГЗК-нейтрино (по Грейзену, Зацептину и Кузьмину) и являются гарантированным источником внеземных нейтрино высоких энергий.
Фотоны имеют даже большую вероятность, чем протоны, быть поглощенными фотонами микроволнового фона, что означает, что Вселенная не прозрачна для фотонов очень высокой энергии.
Центавр А на рентгеновском снимке спутника Чандра. Что особенного в этом объекте, так это черная дыра в центре и струя, направленная в левый верхний угол изображения. Возможный источник нейтрино высоких энергий?
Copyright © NASA/SAO/R. Джрафт и др.
Существует несколько возможных кандидатов на роль источников космических лучей наивысшей энергии.
Активные ядра галактик (АЯГ) — это галактики, в центре которых находится сверхтяжелая черная дыра. Черная дыра может иметь массу до тысячи миллионов солнечных масс. Из центра этих галактик наблюдается струйная структура на расстоянии десятков тысяч световых лет, испускающая большое количество энергии. Струя возникает, когда вещество в галактике падает в черную дыру. От этих объектов наблюдались фотоны высокой энергии, и протоны тоже могли быть ускорены. Другим возможным источником являются гамма-всплески (GRB), которые представляют собой странные события, испускающие короткие импульсы гамма-лучей в течение долей секунды и до 100 секунд. Это самые энергичные события, наблюдаемые во Вселенной. Примерно два таких события происходят каждый день. Они очень далеко, с расстояниями до 10 10 световых лет. Возможные объяснения этих событий состоят в том, что сверхтяжелые звезды коллапсируют в черные дыры или две нейтронные звезды падают друг на друга. Неизвестные источники высокоэнергетических космических лучей будут производить нейтрино, когда ускоренные высокоэнергетические протоны сталкиваются с фотонным газом вокруг источников, точно так же, как и с микроволновым фоном.
В результате столкновений образуются мезоны, которые распадаются на мюоны и нейтрино, а мюоны распадаются на электроны (позитроны) и два нейтрино. Эти нейтрино будут путешествовать, не подвергаясь влиянию магнитного поля в космосе, и, если их обнаружат на Земле, они укажут на источники космических лучей.
Поток космических нейтрино можно оценить, наблюдая скорость космических лучей высоких энергий, и обнаружится, что для улавливания нейтрино нужны детекторы размером в кубические километры!
Нейтрино из «темной материи»
Нейтрино высоких энергий, хотя и не таких высоких, как те, что упоминались в предыдущем разделе, могут рождаться в связи с другим странным наблюдением. Одной из главных загадок в физике и астрономии сегодня является «темная материя» во Вселенной. Галактики и группы галактик вращаются так, как будто они содержат больше материи, чем мы можем наблюдать с помощью наших стандартных астрономических инструментов. Имея только наблюдаемую видимую материю, галактики должны выбрасывать звезды и материю в пустое пространство из-за быстрого вращения.
Но этого не происходит, что указывает на то, что материи в объектах больше, чем мы можем наблюдать. Только гравитационная сила ощущает неведомую скрытую материю. Эта материя называется «темной материей». Около 30% энергии во Вселенной находится в веществе, а остальное — в виде неизвестной «темной энергии», которую мы не будем обсуждать в этой статье. Недавние измерения со спутника WMAP показали, что только 4% энергии Вселенной состоит из обычного вещества в виде атомов, составляющих звезды и планеты. Остальное, 25% всей энергии, представляет собой новый, пока еще неизвестный вид материи.
| Скопление галактик NGC 2300 с тремя галактиками и газовым облаком. Чтобы система оставалась гравитационно устойчивой, требуется примерно в 20 раз больше массы, чем наблюдаемая. Copyright © NASA/CXC/SAO |
Одно из популярных объяснений темной материи заключается в том, что большая часть этого другого вида материи состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые были созданы в результате Большого взрыва в то же время, что и наша обычная материя.
Сегодня эти частицы обтекают нас и составляют преобладающую часть материи в наших галактиках. Когда они проходят через солнце и землю, они могут оказаться в гравитационной ловушке в центре этих объектов. Частицы темной материи в центрах Земли и Солнца уничтожат или аннигилируют друг друга, когда две из них встретятся и произведут обычную материю, среди прочих частиц, нейтрино высокой энергии. Типичная энергия этих нейтрино намного выше, чем у электронных нейтрино, образующихся в процессе синтеза на Солнце. Наблюдая нейтрино высоких энергий из центра Земли и/или Солнца, можно было бы получить информацию о темной материи. В то же время это должно быть очень важным открытием для физики элементарных частиц.
Атмосферные нейтрино
Когда космические лучи попадают в атмосферу, образуются короткоживущие частицы, которые распадаются, в частности, на мюоны и мюонные нейтрино. Мюоны распыляют поверхность земли и поглощаются на несколько десятков километров вглубь земли. Однако нейтрино могут легко пройти через всю Землю, и они соответствуют нейтринному фону для космических нейтрино.
В то же время их можно использовать для тестирования нейтринных телескопов. Поскольку ожидается, что космические нейтрино будут иметь в среднем более высокие энергии, чем атмосферные нейтрино, с этим фоном можно справиться.
Обнаружение нейтрино высоких энергий
Как обнаруживаются нейтрино?
Чтобы обнаружить нейтрино высоких энергий из космоса, приходится компенсировать крайне малую вероятность того, что нейтрино будут взаимодействовать с веществом. Единственный способ сделать это — использовать для обнаружения очень большое количество вещества. Чем больше материи используется (в детекторе), тем больше нейтрино будет взаимодействовать. Поскольку стоимость детектора должна быть ограничена, в качестве материала детектора выбирают существующие в природе вещества, такие как вода и лед. Один снабжает детекторные объемы датчиками света, расположенными в виде крупных геометрических фигур, и использует тот факт, что заряженные частицы, движущиеся в веществе со скоростью, превышающей скорость света, излучают черенковский свет (названный в честь работ П.
А. Черенкова, Ильи М. Франка). и Игорь Ю. Тамм, 19 лет58 лауреатов Нобелевской премии по физике) в конусе вокруг движущихся частиц. Поскольку нейтрино электрически нейтральны, они не будут излучать черенковский свет, но заряженные частицы, образующиеся в результате взаимодействия, будут излучать свет. Материал, выбранный для среды детектора, должен быть очень прозрачным для света.
Датчики света в объеме детектора будут отслеживать время прихода и интенсивность испускаемого черенковского света мюона. Используя эту информацию, можно определить направление нейтрино с точностью до нескольких градусов. Проблема с телескопами такого типа заключается в том, что поток мюонов от взаимодействия космических лучей в небе над телескопами намного больше, чем ожидаемое количество мюонов от взаимодействия нейтрино. Чтобы уменьшить этот фон, телескопы размещают глубоко в воде или ледяном щите, а элементы детектора смотрят сквозь землю. Земля используется как фильтр, поглощающий атмосферные мюоны.
Только мюоны, проходящие сквозь землю, принимаются как мюоны от нейтринных взаимодействий под телескопами.
Потребность в больших объемах очень прозрачной среды и низкой скорости потока атмосферных мюонов приводит к тому, что нейтринные телескопы можно строить только в очень специальных местах; глубоко в озерах или океанах, на глубине до 4000 метров или в глубине гигантского ледяного покрова Антарктиды.
Нейтринные телескопы высоких энергий
Сегодня есть два нейтринных телескопа высоких энергий, собирающих данные – Байкальский детектор на озере Байкал и Антарктический мюонно-нейтринный детекторный массив (АМАНДА), крупнейший нейтринный телескоп, расположенный на Южном полюсе.
Мюон от нейтринного взаимодействия в нейтринном телескопе AMANDA на Южном полюсе.
Copyright © Antarctic Moun and Neutrino Detector Array (AMANDA)
AMANDA состоит из 677 фотодетекторов, установленных в 19 отверстиях глубоко в ледяном щите на базе Амундсен-Скотт на Южном полюсе.
Причинами выбора этого очень странного места являются ледяной покров толщиной в три километра с самым оптически прозрачным льдом на земле и база США Амундсен-Скотт, на которой люди обитают круглый год. Детекторы света были развернуты, протаяв во льду лунки диаметром 60 сантиметров и глубиной более 2000 метров. Когда скважина, заполненная водой, была готова, бур убрали, а световые датчики развернули до того, как вода снова замерзла (что заняло около недели). Эффективный размер телескопа составляет 400 метров в высоту и 200 метров в диаметре. Телескоп AMANDA регистрирует 3-4 нейтрино в день, что согласуется с ожидаемым числом атмосферных нейтрино.
Нейтринные телескопы размером с кубический километр
Обнаружив атмосферные нейтрино, нейтринные телескопы Байкал и АМАНДА доказали, что техника больших черенковских детекторов отработана и готова к использованию для поиска нейтрино высоких энергий из космоса. AMANDA, крупнейший из работающих сегодня телескопов, сможет наблюдать космические нейтрино в ближайшие годы, но может оказаться недостаточно большим.
Продолжается несколько проектов по созданию нейтринных телескопов нужного размера. Самый продвинутый проект — IceCube, который начали разворачивать на той же площадке, что и AMANDA на Южном полюсе. IceCube будет состоять из 80 рядов детекторов света (всего 4800) на глубине от 1450 до 2450 метров на том же участке, что и AMANDA. Объем детектора составит один кубический километр, и первая струна была успешно развернута в январе 2005 года. Развертывание детектора займет шесть лет, но данные будут регистрироваться вместе с телескопом AMANDA уже с первых лет.
В Средиземноморье есть три проекта: астрономия с нейтринным телескопом и исследованием окружающей среды бездны (АНТАРЕС) за пределами Тулона во Франции, нейтринный расширенный подводный телескоп с океанографическими исследованиями (НЕСТОР) за пределами Пилоса в Греции и нейтринная средиземноморская обсерватория (НЕМО) за пределами Сицилии в Италия. Детекторы ANTARES и NESTOR в первых версиях нацелены на достижение того же размера, что и телескоп AMANDA на Южном полюсе.
Один большой нейтринный телескоп в северном полушарии был бы прекрасным дополнением к нейтринному телескопу IceCube объемом один кубический километр на Южном полюсе.
| Нейтринный телескоп АНТАРЕС в Средиземном море. Copyright © F. Montanet, CNRS/IN2P3 для коллаборации ANTARES |
Детекторы нейтрино даже большего размера
Существуют и другие проекты по обнаружению сильных нейтринных взаимодействий в детекторах даже больших объемов, чем один кубический километр. Основная цель состоит в том, чтобы обнаружить многие из нейтрино GZK, которые образуются, когда космические лучи с самой высокой энергией сталкиваются с микроволновым фоном Большого взрыва. Эти детекторы регистрируют радиоволны, излучаемые при взаимодействии нейтрино. Причина использования радиоволн вместо оптического черенковского света заключается в том, что радиоволны могут распространяться в веществе гораздо дольше, не поглощаясь, что позволяет использовать детекторы большего объема.
Однако энергетический порог нейтрино для этого метода намного выше, чем для предыдущих обсуждавшихся телескопов, и они в основном чувствительны к взаимодействиям электронных нейтрино высоких энергий.
Проект Radio Ice Cerenkov Experiment (RICE) исследовал технику радиоволн на Южном полюсе на площадке AMANDA. Еще одним интересным проектом является Antarctic Impulse Transient Array (ANITA), который представляет собой эксперимент с воздушным шаром в Антарктиде. Аэростат с радиоприемниками ANITA будет циркулировать на высоте 37 километров в несколько оборотов (30 дней) над ледяными щитами и искать взаимодействия нейтрино высоких энергий во льду. «Объем детектора» составит тысячи кубических километров.
Поиск взаимодействий нейтрино высоких энергий во льду с помощью эксперимента на воздушном шаре Antarctic Impulse Transient Array (ANITA).
Copyright © Питер Горхэм (Гавайи)
Еще больший объем детектора используется в проекте GLUE, который ищет радиоволны от нейтринных взаимодействий на лунной поверхности.
Наконец, есть два спутниковых проекта, Космическая обсерватория Extreme Universe (EUSO) и Орбитальные широкоугольные коллекторы света (OWL), в которых предлагается искать взаимодействия нейтрино в атмосфере с объемами детекторов в несколько 1000 кубических километров.
Резюме
Охота за нейтрино высоких энергий из космоса только началась, и в ближайшем будущем мы надеемся узнать новые интересные факты о нашей очаровательной Вселенной.
Каталожные номера
Дж. Бэколл, «Как светит солнце», Nobelprize.org
Супер-Камиоканде
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/
Нейтринная обсерватория Садбери (SNO)
http://www.sno.phy.queensu.ca/
Байкал
http://www.ifh.de/baikal/baikalhome.html
Antarctic Moun и массив нейтрионных детекторов (AMANDA)
http://amanda.uci.edu/
Нейтринная обсерватория высоких энергий IceCube
http://icecube.wisc.edu/
Астрономия с помощью нейтринного телескопа и исследования окружающей среды Бездны (АНТАРЕС)
http://antares.
in2p3.fr/
Нейтринная Средиземноморская обсерватория (NEMO)
http://nemoweb.lns.infn.it/
Нейтринный подводный телескоп увеличенной протяженности с океанографическими исследованиями (НЕСТОР)
http://www.nestor.org.gr/
Radio Ice Cerenkov Experiment (RICE)
http://www.bartol.udel.edu/~spiczak/rice/rice.html
Antarctic Impulse Transient Array (ANITA)
http://www.ps.uci.edu/~anita/
Космическая обсерватория Extreme Universe (EUSO)
http://www.euso-mission.org/
Орбитальные широкоугольные светоприемники (OWL)
http://owl.gsfc.nasa.gov/
* Пер Улоф Халт родился в 1943 году. Он профессор экспериментальной физики астрочастиц Стокгольмского университета в Стокгольме. Он получил докторскую степень. получил степень доктора физики элементарных частиц в Стокгольмском университете, защитив диссертацию о рождении странных частиц в протон-протонных взаимодействиях. Он начал с нейтринной физики, когда прибыл в ЦЕРН в качестве научного сотрудника в 1919 г.