Σωματίδιο νετρίνο: ορισμός, ιδιότητες, μια περιγραφή. ταλαντώσεις των νετρίνων - αυτό ...

Neutrino - ένα στοιχειώδες σωματίδιο που είναι πολύ παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Έχει μια πολύ μικρή μάζα, η οποία μπορεί ακόμη και να είναι μηδέν. Από τη μάζα του νετρίνου εξαρτάται από την ταχύτητα. Η διαφορά στο χρόνο άφιξης και της δέσμης σωματιδίων είναι 0,0006% (± 0,0012%). Το 2011, διαπιστώθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος OPERA, που η ταχύτητα υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός νετρίνων, αλλά ανεξάρτητα από αυτή την εμπειρία δεν έχει επιβεβαιωθεί.

Η φευγαλέα σωματίδιο

Αυτό είναι ένα από τα πιο κοινά σωματίδια στο σύμπαν. Δεδομένου ότι αλληλεπιδρά ελάχιστα με την ύλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν. Τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα δεν συμμετέχουν στην ισχυρή πυρηνική δύναμη, αλλά εξίσου συμμετέχουν στην αδύναμη. Τα σωματίδια που έχουν τέτοιες ιδιότητες που ονομάζεται λεπτόνια. Εκτός από ηλεκτρονίου (ποζιτρόνιο και αντισωματίδιο), που αναφέρεται στο φορτισμένα λεπτόνια μιόνιο (200 ηλεκτρονίου μάζα), tau (3500 ηλεκτρονίων μάζα), και αντισωματίδιο τους. Καλούνται: ηλεκτρόνιο, μιόνιο και νετρίνο ταυ. Κάθε ένα από αυτά έχει antimaterial συστατικό, που ονομάζεται αντινετρίνο.

Μιονίου και ταυ, όπως ένα ηλεκτρόνιο, έχουν συνοδευτικά σωματίδια. Είναι μιονίου και ταυ νετρίνα. Τρεις τύποι σωματιδίων διαφορετικό από κάθε άλλο. Για παράδειγμα, όταν τα νετρίνα μιονίου αλληλεπιδρά με το στόχο, που παράγουν πάντα μιόνια και ποτέ δεν ταυ ή ηλεκτρόνια. Στην αντίδραση των σωματιδίων, αν και τα ηλεκτρόνια και νετρίνα ηλεκτρονίων δημιουργούνται και καταστρέφονται, το άθροισμά τους παραμένει αμετάβλητη. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε ένα διαχωρισμό λεπτόνια σε τρεις τύπους, καθένα από τα οποία διαθέτει ένα φορτισμένο λεπτόνια και τα συνοδευτικά νετρίνο.

Για την ανίχνευση αυτό το σωματίδιο απαιτείται ένα πολύ μεγάλο και εξαιρετικά ευαίσθητο ανιχνευτές. Κατά κανόνα, με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας νετρίνα θα ταξιδέψουν για πολλά έτη φωτός στην αλληλεπίδραση με την ύλη. Ως εκ τούτου, όλα τα πειράματα έδαφος με τους βασίζονται στη μέτρηση ενός μικρού κλάσματος που αλληλεπιδρά με καταχωρητές λογικό μέγεθος. Για παράδειγμα, σε ένα νετρίνο παρατηρητήριο Sudbury, που περιέχει 1.000 τόνους βαρέος ύδατος περνά μέσα από τον ανιχνευτή περίπου 1012 ηλιακά νετρίνα ανά δευτερόλεπτο. Και βρίσκεται μόνο 30 ανά ημέρα.

Η ιστορία της ανακάλυψης

Wolfgang Pauli υποτεθεί για πρώτη φορά την ύπαρξη σωματιδίων το 1930. Εκείνη την εποχή, υπήρχε ένα πρόβλημα, επειδή φαινόταν ότι η ενέργεια και η στροφορμή δεν αποθηκεύονται στη διάσπαση βήτα. Αλλά Pauli τόνισε ότι εάν δεν υπάρχει εκπέμπεται νετρίνα αλληλεπιδρούν ουδέτερο σωματίδιο, το νόμο της διατήρησης της ενέργειας θα πρέπει να τηρούνται. Ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι το 1934 ανέπτυξε τη θεωρία της διάσπασης βήτα, και της έδωσε το όνομα του σωματιδίου.

Παρ 'όλες τις προβλέψεις για 20 χρόνια, τα νετρίνα δεν μπορούν να ανιχνευθούν πειραματικά λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασης με την ύλη. Επειδή τα σωματίδια είναι ηλεκτρικά φορτισμένα, δεν ενεργούν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, και, ως εκ τούτου, δεν προκαλούν ιονισμό της ουσίας. Επιπρόσθετα, αντιδρούν με την ουσία μόνο μέσω ασθενείς αλληλεπιδράσεις ελαφρά δύναμη. Ως εκ τούτου, αυτοί είναι οι πιο διεισδυτικές υποατομικά σωματίδια μπορούν να διέλθουν από έναν τεράστιο αριθμό των ατόμων χωρίς να προκαλεί οποιαδήποτε αντίδραση. Μόνο 1 έως 10 δισεκατομμύρια αυτών των σωματιδίων που διέρχονται από το ύφασμα κατά μία απόσταση ίση με τη διάμετρο της Γης, αντιδρά με τα πρωτόνια ή νετρονίων.

Τέλος, το 1956, μια ομάδα αμερικανών φυσικοί, με επικεφαλής τον Frederick Reines ανέφερε την ανακάλυψη του αντινετρίνο ηλεκτρονίου. Σε πειράματα που αντινετρίνα ακτινοβολούμενης πυρηνικό αντιδραστήρα, αντίδραση με ένα πρωτόνιο, σχηματίζει νετρόνια και ποζιτρόνια. Μοναδικό (και σπάνια) ενέργεια υπογραφές του τελευταίου υποπροϊόντων ήταν απόδειξη της ύπαρξης του σωματιδίου.

Ανοίγοντας φορτισμένα λεπτόνια μιόνια ήταν το σημείο εκκίνησης για την επακόλουθη ταυτοποίηση του δεύτερου νετρίνων τύπου - μιονίου. Ο προσδιορισμός τους πραγματοποιήθηκε το 1962, με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος σε ένα επιταχυντή σωματιδίων. Υψηλής ενέργειας νετρίνα μιόνια αποσύνθεσης που σχηματίζεται από π-μεσόνια και κατευθύνεται προς τον ανιχνευτή, έτσι ώστε να ήταν δυνατό να εξετάσει την αντίδρασή τους με την ουσία. Παρά το γεγονός ότι είναι μη-αντιδραστικά, καθώς και άλλων τύπων σωματιδίων, διαπιστώθηκε ότι στις σπάνιες περιπτώσεις όταν αντιδρούν με πρωτόνια ή νετρόνια, μιόνια, νετρίνα μιόνια, αλλά ποτέ ηλεκτρόνια. Το 1998, η αμερικανική φυσικοί Leon Lederman, Melvin Schwartz και Dzhek Shteynberger απονεμήθηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την ταυτοποίηση των μιονίων-νετρίνο.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1970, ένας φυσικός νετρίνο αποκτήσει άλλο είδος φορτισμένα λεπτόνια - ταυ. Tau-νετρίνο και tau-αντινετρίνα συσχετίστηκαν με αυτή την τρίτη φορτισμένο λεπτόνιο. Το 2000, οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή. Enrico Fermi ανέφεραν την πρώτη πειραματική απόδειξη για την ύπαρξη αυτού του είδους των σωματιδίων.

βάρος

Όλοι οι τύποι των νετρίνα έχουν μάζα, η οποία είναι πολύ μικρότερη από εκείνη των εταίρων τους χρεώνονται. Για παράδειγμα, τα πειράματα δείχνουν ότι η μάζα του ηλεκτρονίου-νετρίνο πρέπει να είναι μικρότερη από 0,002% της μάζας ηλεκτρονίου και το άθροισμα των μαζών των τριών ποικιλιών θα πρέπει να είναι μικρότερη από 0,48 eV. Η σκέψη για πολλά χρόνια ότι η μάζα του σωματιδίου είναι μηδέν, αν και δεν υπήρχε επιτακτική θεωρητική απόδειξη, γιατί θα πρέπει να είναι με αυτόν τον τρόπο. Στη συνέχεια, το 2002, το Παρατηρητήριο Sudbury Neutrino λήφθηκε η πρώτη άμεση απόδειξη ότι τα νετρίνα ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα του ήλιου, όσο περνούν μέσα από αυτό, να αλλάξετε τον τύπο του. Τέτοιου είδους «ταλαντώσεις» νετρίνο δυνατή εάν ένα ή περισσότερα από τα σωματίδια έχουν μια μικρή μάζα. Οι μελέτες τους η αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα της Γης δείχνουν επίσης την παρουσία της μάζας, αλλά απαιτούνται περαιτέρω πειράματα απαιτούνται για να καθοριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια.

πηγές

Φυσικές πηγές των νετρίνων - ένα ραδιενεργό αποσύνθεση των στοιχείων μέσα στη γη, που εκπέμπεται σε μία μεγάλη ροή των χαμηλής ενέργειας ηλεκτρονίων-αντινετρίνο. Οι υπερκαινοφανείς είναι επίσης πλεονεκτικά νετρίνων φαινόμενο, δεδομένου ότι τα σωματίδια αυτά μπορούν να διεισδύουν μόνο υλικό υψηλής πυκνότητας μέσω σχηματίζεται σε ένα καταρρέει αστέρι? μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε φως. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι περίπου 2% της ηλιακής ενέργειας - τα ενεργειακά νετρίνα σχηματίζονται σε αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης. Είναι πιθανό ότι το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος αποτελείται από τα νετρίνα που παράγονται κατά τη διάρκεια του Big Bang.

προβλήματα φυσικής

Οι περιοχές που σχετίζονται με την νετρίνων αστροφυσική, και ποικίλο και ταχύτατα εξελισσόμενη. Τρέχοντα θέματα που προσελκύουν μεγάλο αριθμό πειραματικών και θεωρητικών προσπαθειών, τα εξής:

• Ποιες είναι οι διαφορετικές μάζες των νετρίνων;
• Πως επηρεάζουν την κοσμολογία, το Big Bang;
• που ταλαντώνονται;
• Μπορεί ένα είδος νετρίνο μετατρέπεται σε ένα άλλο καθώς ταξιδεύουν μέσα από την ύλη και το χώρο;
• Είναι τα νετρίνα θεμελιωδώς διαφορετική από αντισωματίδια τους;
• Πώς αστέρια καταρρέουν για να σχηματίσουν ένα σουπερνόβα;
• Ποιος είναι ο ρόλος των νετρίνων στην κοσμολογία;

Ένα από τα μακροχρόνια προβλήματα που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι το λεγόμενο ηλιακό πρόβλημα του νετρίνο. Αυτό το όνομα αναφέρεται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια αρκετών επίγεια πειράματα που διεξάγονται τα τελευταία 30 χρόνια, παρατηρείται συνεχώς τα σωματίδια μικρότερα από το αναγκαίο για την παραγωγή της ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο. Μια πιθανή λύση είναι η ταλάντωση, δηλ. Ε Ο μετασχηματισμός των νετρίνων ηλεκτρονίων να μιονίου ή tau κατά τη διάρκεια του ταξιδιού στη Γη. Πώς, λοιπόν, πολύ πιο δύσκολο να μετρηθεί με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του μιονίου ή ταυ νετρίνο, αυτό το είδος της μεταμόρφωσης θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί δεν βλέπουμε το σωστό ποσό των σωματιδίων στη Γη.

Τέταρτο βραβείο Νόμπελ

Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2015 απονεμήθηκε στην Takaaki Kaji και Arthur MacDonald για την ανίχνευση της μάζας των νετρίνων. Αυτή ήταν η τέταρτη παρόμοια ανάθεσης που σχετίζονται με πειραματικές μετρήσεις αυτών των σωματιδίων. Κάποιος μπορεί να τον ενδιαφέρει το ερώτημα γιατί θα πρέπει να νοιάζονται τόσο πολύ για κάτι που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με τη συνηθισμένη ύλη.

Το γεγονός ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε αυτές τις εφήμερο σωματίδια, είναι μια απόδειξη για ανθρώπινη εφευρετικότητα. Δεδομένου ότι οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής, πιθανολογική, γνωρίζουμε ότι, παρά το γεγονός ότι το σύνολο σχεδόν των νετρίνων περνούν από τη Γη, κάποιοι από αυτούς θα αλληλεπιδρούν με αυτό. Ο ανιχνευτής είναι σε θέση αρκετά μεγάλο μέγεθος είναι εγγεγραμμένος.

Η πρώτη τέτοια συσκευή χτίστηκε στη δεκαετία του εξήντα, βαθιά σε ένα ορυχείο στη Νότια Ντακότα. Ο άξονας πληρώθηκε σε 400 χιλιάδες. Υγρό L καθαρισμού. Κατά μέσο όρο νετρίνο ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά καθημερινά με ένα άτομο του χλωρίου, μετατροπή της σε αργό. Απίστευτα, Raymond Davis, ο οποίος ήταν υπεύθυνος για τον ανιχνευτή, εφηύρε μια μέθοδο για την ανίχνευση πολλαπλών άτομα αργού, και τέσσερις δεκαετίες αργότερα, το 2002, γι 'αυτό το καταπληκτικό επίτευγμα της μηχανικής τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ.

νέα αστρονομία

Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν τόσο ασθενώς, να μπορούν να ταξιδέψουν μεγάλες αποστάσεις. Θα μας δώσει μια γεύση από τα μέρη που διαφορετικά δεν θα είχαμε ποτέ δει. Τα νετρίνα εντοπιστεί Davis, σχηματίζονται ως αποτέλεσμα των πυρηνικών αντιδράσεων που έλαβαν χώρα στην καρδιά του ήλιου, και ήταν σε θέση να αφήσει αυτόν τον εξαιρετικά πυκνό και ζεστό κάθισμα μόνο και μόνο επειδή δεν αλληλεπιδρούν με άλλο θέμα. Μπορείτε να ανιχνεύσει ακόμη και τα νετρίνα που εκπέμπονται από το κέντρο ενός εξερράγη αστέρων σε απόσταση πάνω από εκατό χιλιάδες έτη φωτός από τη Γη.

Επιπλέον, τα σωματίδια αυτά να είναι δυνατό να παρατηρηθεί το σύμπαν σε πολύ μικρή κλίμακα, πολύ μικρότερες από εκείνες στις οποίες μπορεί να κοιτάξει μέσα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στη Γενεύη, ανακάλυψε το μποζόνιο Higgs. Είναι για το λόγο αυτό, η επιτροπή Νόμπελ αποφάσισε να απονείμει το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη του νετρίνου του άλλου τύπου.

μυστηριώδη έλλειψης

Όταν Ray Davis παρατηρείται ηλιακά νετρίνα, βρήκε μόνο το ένα τρίτο της αναμενόμενης ποσότητας. Οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι ο λόγος για αυτό είναι η κακή γνώση της αστροφυσικής του Ήλιου: ίσως έλαμψε το μοντέλο του υπεδάφους υπερεκτιμήσει την ποσότητα που παράγεται στο νετρίνο του. Παρ 'όλα αυτά, εδώ και πολλά χρόνια, ακόμη και μετά τα ηλιακά μοντέλα έχουν βελτιωθεί, το έλλειμμα παρέμεινε. Οι φυσικοί έχουν δοθεί προσοχή σε μια άλλη δυνατότητα: το πρόβλημα θα μπορούσε να σχετίζεται με την αντίληψή μας για αυτά τα σωματίδια. Σύμφωνα με τη θεωρία, τότε επικράτησε δεν έχουν το βάρος. Αλλά μερικοί φυσικοί έχουν υποστηρίξει ότι στην πραγματικότητα τα σωματίδια έχουν μια απειροελάχιστη μάζα, και η μάζα αυτή ήταν η αιτία για την έλλειψη τους.

σωματίδιο τριπρόσωπης

Σύμφωνα με τη θεωρία των ταλαντώσεων των νετρίνων, στη φύση, υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι από αυτούς. Αν ένα σωματίδιο έχει μια μάζα, ότι καθώς κινείται να μπορεί να περάσει από το ένα είδος στο άλλο. Τρεις τύποι - ηλεκτρόνια, μιόνια και ταυ - στην αλληλεπίδραση με την ουσία μπορεί να μετατραπεί στο αντίστοιχο φορτισμένο σωματίδιο (ηλεκτρόνιο και μιόνιο ταυ λεπτόνια). «Ταλάντωση» οφείλεται στην κβαντική μηχανική. τύπος νετρίνων δεν είναι σταθερή. Αλλάζει την πάροδο του χρόνου. Τα νετρίνα, η οποία ξεκίνησε την ύπαρξή του ως e-mail, μπορεί να μετατραπεί σε ένα μιόνιο, και στη συνέχεια πίσω. Ετσι, ένα σωματίδιο, που σχηματίζεται στον πυρήνα του ήλιου, στο δρόμο προς τη Γη μπορεί να μετατραπεί περιοδικά σε νετρίνα μιονίου και αντιστρόφως. Από Davis ανιχνευτής θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν μόνο ηλεκτρόνιο-νετρίνα, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια μεταστοιχείωση των χλωρίου σε αργόν, φάνηκε πιθανό ότι η λείπει νετρίνο μετατράπηκε σε άλλους τύπους. (Αποδεικνύεται ότι τα νετρίνα ταλαντεύονται μέσα από τον Ήλιο, και όχι στο δρόμο προς τη Γη).

Η καναδική πείραμα

Ο μόνος τρόπος για να δοκιμάσετε αυτό ήταν να δημιουργήσει ένα ανιχνευτή που λειτούργησε για τους τρεις τύπους των νετρίνων. Ξεκινώντας από τη δεκαετία του '90 Arthur McDonald του Πανεπιστημίου της Βασίλισσας στο Οντάριο, που οδήγησε την ομάδα, η οποία πραγματοποιείται σε ένα ορυχείο σε Sudbury, Οντάριο. Εγκατάσταση περιέχει τόνους βαρέος ύδατος, παρείχε ένα δάνειο από την κυβέρνηση του Καναδά. Βαρύ νερό είναι σπάνιο, αλλά το φυσικά απαντώμενη μορφή του νερού, όπου το υδρογόνο που περιέχει ένα πρωτόνιο αντικαθίσταται από βαρύτερο δευτέριο ισότοπο του, η οποία περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Καναδική κυβέρνηση αποθηκευμένες βαρέος ύδατος, m. Κ Χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Και οι τρεις τύποι των νετρίνων θα μπορούσε να καταστρέψει το δευτέριο για να σχηματίσουν πρωτόνια και τα νετρόνια, τα νετρόνια και στη συνέχεια μετρήθηκαν. Ανιχνευτής εγγραφεί περίπου τρεις φορές τον αριθμό σε σύγκριση με το Davis - ακριβώς το ποσό που προέβλεψε καλύτερα τα μοντέλα του ήλιου. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια νετρίνα μπορεί να ταλαντώνονται σε άλλους τύπους του.

ιαπωνικό πείραμα

Περίπου την ίδια εποχή, Takaaki Kadzita από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο, πραγματοποίησε ακόμη ένα αξιόλογο πείραμα. Ένας ανιχνευτής τοποθετημένος στο φρεάτιο στην Ιαπωνία καταγράφονται νετρίνα δεν προέρχονται από το εσωτερικό του ήλιου, και από την ανώτερη ατμόσφαιρα. Σε συγκρούσεις πρωτονίων των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα σχηματίζονται ντους άλλων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των νετρίνων μιονίου. Στο ορυχείο που μετατρέπονται σε πυρήνες υδρογόνου σε μιόνια. Ανιχνευτής Kadzity μπορούσε να δει τα σωματίδια έρχονται σε δύο κατευθύνσεις. Μερικά έπεσε από πάνω, που προέρχονται από την ατμόσφαιρα, ενώ άλλοι κινούνται από το κάτω μέρος. Ο αριθμός των σωματιδίων ήταν διαφορετική, που μίλησε για την διαφορετική φύση τους - ήταν σε διαφορετικά σημεία του κύκλου ταλάντωσης του.

Επανάσταση στην επιστήμη

Είναι όλα τα εξωτικά και έκπληξη, αλλά γιατί νετρίνο ταλαντώσεις και η μάζα προσελκύσει τόσο πολύ την προσοχή; Ο λόγος είναι απλός. Στο καθιερωμένο μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια των τελευταίων πενήντα ετών του εικοστού αιώνα, το οποίο περιγράφει σωστά όλες τις άλλες παρατηρήσεις σε επιταχυντές και άλλα πειράματα, τα νετρίνα ήταν να είναι άμαζα. Η ανακάλυψη της μάζας του νετρίνου δείχνει ότι κάτι λείπει. Το καθιερωμένο μοντέλο δεν είναι πλήρης. Λείπει στοιχεία ακόμα να ανακαλυφθεί - με τη βοήθεια του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων ή την άλλη, δεν έχει ακόμη δημιουργήσει εικονική μηχανή.