Почти всички маниаци са чували за неутрино осцилации. За този феномен е изписана много професионална литература и куп популярни статии, но само авторите на учебници вярват, че читателят разбира теорията на полето и дори квантовата теория, а авторите на популярни статии обикновено се ограничават до фрази като: „Частиците летят, летят и после бами се превръщат в други”, и то с различна маса (!!!). Нека се опитаме да разберем откъде идва този най-интересен ефект и как се наблюдава с помощта на огромни инсталации. И в същото време ще научим как да намерим и извлечем няколко необходими атома от 600 тона материя.
Друго неутрино
В предишна статия разказах как самата идея за съществуването на неутрино се появява през 1932 г. и как тази частица е открита 25 години по-късно. Нека ви напомня, че Рейнс и Коуен регистрираха взаимодействието на антинеутрино с протон. Но дори и тогава много учени вярваха, че неутриното може да бъде от няколко вида. Неутрино, активно взаимодействащо с електрон, се нарича електронно неутрино, а неутрино, взаимодействащо съответно с мюон, се нарича мюон. Експериментаторите трябваше да разберат дали тези две състояния се различават или не. Ледерман, Шварц и Щайнбергер проведоха изключителен експеримент. Те изследваха пи-мезонния лъч от ускорителя. Такива частици лесно се разпадат на мюони и неутрино.Ако неутриното наистина има различни видове, тогава трябва да се роди мюонното. Тогава всичко е просто - поставяме мишена на пътя на произведените частици и изучаваме как те взаимодействат: с раждането на електрон или мюон. Опитът недвусмислено показва, че електрони почти никога не се произвеждат.
Така че сега имаме два вида неутрино! Готови сме да преминем към следващата стъпка в обсъждането на неутрино осцилациите.
Това е някакво "грешно" Слънце
Първите експерименти с неутрино са използвали изкуствен източник: реактор или ускорител. Това направи възможно създаването на много мощни потоци от частици, тъй като взаимодействията са изключително редки. Но беше много по-интересно да се регистрират естествени неутрино. От особен интерес е изследването на потока частици от Слънцето.Към средата на 20-ти век вече беше ясно, че дървата за огрев изобщо не горят на слънце - изчислиха и се оказа, че няма достатъчно дърва за огрев. Енергията се освобождава по време на ядрени реакции в самия център на Слънцето. Например, основният процес за нашата звезда се нарича "цикъл протон-протон", когато атомът на хелий се сглобява от четири протона.
Може да се види, че частиците, които ни интересуват, трябва да бъдат произведени на първата стъпка. И тук физиката на неутриното може да покаже цялата си мощ! Само повърхността на Слънцето (фотосферата) е достъпна за оптично наблюдение, а неутриното безпрепятствено преминава през всички слоеве на нашата звезда. В резултат на това регистрираните частици идват от самия център, където се раждат. Можем да "наблюдаваме" директно ядрото на Слънцето. Естествено, подобни изследвания не можеха да не привлекат физиците. Освен това очакваният поток беше почти 100 милиарда частици на квадратен сантиметър в секунда.
Реймънд Дейвис е първият, който организира подобен експеримент в най-голямата златна мина в Америка - Homestake Mine. Инсталацията трябваше да бъде скрита дълбоко под земята, за да се защити от мощен поток от космически частици. Неутрино могат лесно да преминат през километър и половина скала, но останалите частици ще бъдат спрени. Детекторът беше огромен варел, пълен с 600 тона тетрахлоретилен - съединение от 4 хлорни атома. Това вещество се използва активно в химическото чистене и е доста евтино.
Този метод на регистрация е предложен от Бруно Максимович Понтекорво. Когато взаимодейства с неутрино, хлорът се превръща в нестабилен изотоп на аргон,
който улавя електрон от по-ниска орбитала и се разпада обратно средно за 50 дни.
Но! Очакват се само около 5 взаимодействия на неутрино на ден. След няколко седмици ще се родят само 70 атома аргон и те трябва да бъдат намерени! Намерете няколко дузини атоми в 600-тонен варел. Едно наистина фантастично предизвикателство. Веднъж на всеки два месеца Дейвис продухваше цевта с хелий, издухвайки получения аргон. Многократно пречистеният газ се поставя в малък детектор (брояч на Гайгер), където се отчита броят на разпаданията на получения аргон. Така е измерен броят на взаимодействията на неутрино.
Почти веднага се оказа, че потокът от неутрино от Слънцето е почти три пъти по-малък от очакваното, което направи голям фурор във физиката. През 2002 г. Дейвис сподели Нобеловата награда с Кошиба-сан за значителния им принос към астрофизиката по отношение на откриването на космически неутрино.
Малка забележка: Дейвис регистрира неутрино не от протон-протонната реакция, която описах по-горе, а от малко по-сложни и редки процеси с берилий и бор, но това не променя същността.
Кой е виновен и какво да прави?
Така че потокът от неутрино е три пъти по-малък от очакваното. Защо? Могат да бъдат предложени следните опции:Тези непостоянни неутрино
Година преди резултатите от експеримента на Дейвис, вече споменатият Бруно Понтекорво развива теория как точно неутриното може да променя вида си във вакуум. Едно от последствията е, че различните видове неутрино трябва да имат различни маси. И защо частиците трябва да се движат така и да променят масата си, която най-общо казано трябва да се запази? Нека да го разберем.Не можем без малко въведение в квантовата теория, но ще се опитам да направя това обяснение възможно най-прозрачно. Всичко, от което се нуждаете, е основната геометрия. Състоянието на системата се описва с "вектор на състоянието". След като има вектор, значи трябва да има и основа. Нека да разгледаме аналогията с цветовото пространство. Нашата "държава" е зелена. В базата RGB ще запишем този вектор като (0, 1, 0). Но в основата CMYK почти един и същи цвят ще бъде написан по различен начин (0,63, 0, 1, 0). Очевидно е, че нямаме и не можем да имаме „главна” база. За различни нужди: изображения на монитор или печат, трябва да използваме собствена координатна система.
Какви ще бъдат основите на неутриното? Съвсем логично е потокът неутрино да се разложи на различни типове: електрон (), мюон () и тау (). Ако имаме поток от изключително електронни неутрино, летящи от Слънцето, тогава това състояние (1, 0, 0) е в такава основа. Но както вече обсъдихме, неутриното може да бъде масивно. И имат различни маси. Това означава, че потокът от неутрино също може да бъде разложен на масови състояния: с маси, респ.
Целият смисъл на колебанията е, че тези основи не съвпадат! Синьото на снимката показва типовете (видовете) неутрино, а червеното състояния с различни маси.
Тоест, ако електронно неутрино се появи при разпадането на неутрон, тогава се появяват три масови състояния наведнъж (проектирани на).
Но ако тези състояния имат малко различни маси, тогава енергиите също ще се различават леко. И тъй като енергиите се различават, тогава те ще се разпространяват в пространството по различни начини. Картината показва точно как тези три състояния ще се развият с времето.
(c) www-hep.physics.wm.edu
На снимката движението на частицата е показано като вълна. Такова представяне се нарича вълна на де Бройл или вълна на вероятността за регистриране на определена частица.
Неутриното взаимодейства в зависимост от типа (). Следователно, когато искаме да изчислим как ще се прояви неутриното, трябва да проектираме нашия вектор на състоянието върху (). И по този начин ще се окаже вероятността да се регистрира един или друг вид неутрино. Ето вълните на вероятността, които получаваме за електронно неутрино, в зависимост от изминатото разстояние:
Колко ще се промени типът се определя от относителните ъгли на описаните координатни системи (показани на предходната фигура) и масовите разлики.
Ако не се плашите от терминологията на квантовата механика и сте имали търпението да прочетете до този момент, тогава просто формално описание може да се намери в Wikipedia.
Какво ще кажете наистина?
Теорията е добра, разбира се. Но засега не можем да решим кой от двата варианта се прилага в природата: Слънцето „не е такова“ или неутриното „не е такова“. Необходими са нови експерименти, за да се покаже окончателно природата на този интересен ефект. Буквално накратко ще опиша основните инсталации, изиграли ключова роля в изследването.Обсерватория Камиока
Историята на тази обсерватория започва с факта, че тук те се опитаха да намерят разпадането на протона. Ето защо детекторът получи съответното име - "Kamiokande" (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Но след като не откриха нищо, японците бързо се преориентираха към обещаваща посока: изследване на атмосферните и слънчевите неутрино. Вече обсъдихме откъде идва слънцето. Атмосферните се раждат при разпад на мюони и пи-мезони в земната атмосфера. И докато стигнат до Земята, те имат време да осцилират.Детекторът започна да събира данни през 1987 г. Имаха голям късмет с датите, но повече за това в следващата статия :) Инсталацията представляваше огромен варел, пълен с най-чиста вода. Стените бяха облицовани с фотоумножители. Основната реакция, чрез която са уловени неутрино, е избиването на електрон от водни молекули:
Бързо летящ свободен електрон свети в тъмно синьо във вода. Това лъчение е регистрирано от PMT по стените. Впоследствие инсталацията беше надградена до Super-Kamiokande и продължи работата си.
Експериментът потвърди дефицита на слънчеви неутрино и добави към това дефицита на атмосферни неутрино.
Експерименти с галий
Почти веднага след пускането на Kakyokande през 1990 г. започнаха да работят два детектора за галий. Един от тях се намираше в Италия, под планината Гранд Сасо в едноименната лаборатория. Вторият е в Кавказ, в Баксанското дефиле, под планината Андирчи. Село Неутрино е построено специално за тази лаборатория в дефилето. Самият метод е предложен от Вадим Кузмин, вдъхновен от идеите на Понтекорво, още през 1964 г.При взаимодействие с неутрино, галият се превръща в нестабилен изотоп на германий, който се разпада обратно в галий средно за 16 дни. За един месец се образуват няколко десетки германиеви атоми, които трябва много внимателно да се извлекат от галий, да се поставят в малък детектор и да се преброи броят на разпадите обратно в галий. Предимството на експериментите с галий е, че те могат да уловят неутрино с много ниска енергия, които не са достъпни за други съоръжения.
Всички горепосочени експерименти показаха, че виждаме по-малко неутрино от очакваното, но това не доказва наличието на осцилации. Проблемът все още може да е в грешния модел на Слънцето. Експериментът SNO постави последната и тлъста точка в проблема със слънчевите неутрино.
Съдбъри обсерватория
Канадците построиха огромна "звезда на смъртта" в мината Крейтън.
Акрилна сфера, заобиколена от PMT и пълна с 1000 тона тежка вода, беше поставена на дълбочина два километра. Такава вода се различава от обикновената вода по това, че обикновеният водород с един протон е заменен с деутерий - съединение от протон и неутрон. Именно деутерият изигра ключова роля в решаването на проблемите на слънчевите неутрино. Такава инсталация би могла да регистрира както взаимодействията на електронните неутрино, така и взаимодействията на всички други видове! Електронните неутрино ще унищожат деутерия с раждането на електрон, докато всички други видове електрони не могат да раждат. Но те могат леко да „бутнат“ деутерия, така че той да се разпадне на съставните си части и неутриното да лети по-нататък.
Бързият електрон, както вече обсъдихме, свети, когато се движи в среда, а неутронът трябва да бъде уловен от деутерий доста бързо, излъчвайки фотон. Всичко това може да се регистрира с помощта на фотоумножители. Физиците най-накрая успяха да измерят общия поток от частици от Слънцето. Ако се окаже, че съвпада с очакванията, тогава електронните неутрино преминават в други, а ако е по-малко от очакваното, тогава е виновен грешният модел на Слънцето.
Експериментът започна работа през 1999 г. и измерванията категорично показаха, че има недостиг на електронния компонент.
Позволете ми да ви напомня, че в звезда могат да се раждат почти изключително електронни неутрино. Така че останалото се оказа в процеса на трептене! Артър Макдоналд (SNO) и Каджита-сан (Камиоканде) получиха Нобелова награда за 2015 г. за тези творби.
Почти веднага, в началото на 2000-те, други експерименти започнаха да изучават трептенията. Този ефект се наблюдава и при създадени от човека неутрино. Японският експеримент KamLAND, разположен на същото място, в Камиока, още през 2002 г. наблюдава колебания на електронни антинеутрино от реактора. А вторият, също японски, експеримент K2K за първи път регистрира промяна в типа неутрино, създадени с помощта на ускорителя. Прословутият Super-Kamiokande беше използван като детектор за далеч.
Сега все повече инсталации изследват този ефект. Детектори се изграждат на езерото Байкал, в Средиземно море, на Южния полюс. Имаше и инсталации близо до Северния полюс. Всички те улавят неутрино от космически произход. В ход са експерименти с ускорител и реактор. Параметрите на самите трептения се уточняват и се правят опити да се разбере нещо за големината на масите на неутриното. Има индикации, че именно с помощта на този ефект може да се обясни преобладаването на материята над антиматерията в нашата Вселена!
Под спойлера, малка бележка за най-внимателните.
Наградата за 2015 г. е присъдена с формулировката „за откриването на трептения на неутрино, показващи, че те имат маса“. В кръга на физиците подобно изявление предизвика известно объркване. Когато измерваме слънчевите неутрино (експеримент SNO), ние сме нечувствителни към масовите разлики. Най-общо казано, масата може да бъде нула, но трептенията ще останат. Това поведение се обяснява с взаимодействието на неутрино с материята на Слънцето (ефектът на Михеев-Смирнов-Волфенщайн). Тоест има осцилации на слънчевите неутрино, тяхното откритие е фундаментален пробив, но това никога не е показвало наличието на маса. Всъщност Нобеловият комитет издаде наградата с грешна формулировка.
Именно във вакуум се проявяват трептения за атмосферни, реакторни и ускорителни експерименти. Добави тагове
Неутрино - точно като заредени лептони (електрон, мюон, тау), кварки от възходящ тип (нагоре, очарование, истина) и низходящ тип (надолу, странно, очарование) - се предлагат в три типа. Но те могат да бъдат разделени на видове по различни начини. В същото време, поради квантовата природа на нашия свят, само един от тях може да се използва в даден момент. В тази статия ще обясня защо това се случва и как такъв интересен и важен от научна гледна точка факт като осцилациите на неутрино следва от този факт.
Може да мислите, че всяка частица има определена маса - например масовата енергия на електроните е (E = mc 2) 0,000511 GeV - и от една възможна гледна точка трите вида неутрино не са изключение. Можем да класифицираме трите неутрино според техните маси (които все още не са точно известни) и да ги наречем, от най-леките до най-тежките, неутрино-1, неутрино-2 и неутрино-3. Ще наричаме такова разделение масова класификация, а такива видове неутрино - масови типове.
Ориз. един
Друг начин за класифициране на неутрино е чрез свързването им със заредени лептони (електрон, мюон и тау). Това се споменава в статия за това как биха изглеждали частиците, ако полето на Хигс беше нула. Най-добрият начин да разберете това е да се съсредоточите върху това как неутриното се влияят от слабата ядрена сила, което се отразява в техните взаимодействия с частицата W. Частицата W е много тежка и ако я направите, тя може да се разпадне (фиг. 1) в един от трите заредени антилептона и един от трите неутрино. Ако W се разпадне в антитау, тогава ще се появи тау неутрино. По същия начин, ако W се разпадне в антимюон, ще се появи мюонно неутрино. (Критичен за създаването на лъча неутрино, пионът се разпада чрез слаби взаимодействия и положително заредените пиони произвеждат антимюон и мюон неутрино.) И ако W се разпадне в позитрон, ще се появи електронно неутрино. Нека го наречем слаба класификация и тези неутрино са неутрино от слаб тип, тъй като се определят от слабото взаимодействие.
Е, какъв е проблемът тук? Постоянно използваме различни класификации, когато се прилагат към хората. Говорим за това, че хората са млади, възрастни и стари; те са високи, средни и ниски. Но хората могат да бъдат допълнително разделени по желание, например в девет категории: млади и високи, млади и среден ръст, възрастни и ниски, стари и ниски и т.н. Но квантовата механика ни забранява да правим същото с класификациите на неутрино. Няма неутрино, които да са едновременно мюонни неутрино и неутрино-1; няма тау-неутрино-3. Ако ви кажа масата на неутриното (и следователно дали то принадлежи към групата неутрино-1, 2 или 3), просто не мога да ви кажа дали е електрон, мюон или тау неутрино. Неутрино от определен тип маса е смес или "суперпозиция" на три неутрино от слаб тип. Всяко масово неутрино - неутрино-1, неутрино-2 и неутрино-3 - е точна, но различна смес от електронни, мюонни и тау неутрино.
Обратното също е вярно. Ако видя пион да се разпада на антимюон и неутрино, веднага знам, че полученото неутрино ще бъде мюонно неутрино - но няма да мога да знам масата му, тъй като ще бъде смес от неутрино-1, неутрино -2 и неутрино-3. Електронното неутрино и тау неутриното също са точни, но различни смеси от три неутрино с определени маси.
Връзката между тези масивни и слаби типове е по-скоро (но не точно същата като) връзката между класификациите на американските магистрали като "север-юг" и "запад-изток" (правителството на САЩ ги разделя по този начин, присвояване на нечетни номера на C / юг и четни прости пътища Z / E) и разделянето им на пътища, преминаващи от "североизток към югозапад" и от "югоизток към северозапад". Има предимства при използването на двете класификации: класификацията N/S-W/E е подходяща, ако се концентрирате върху географската ширина и дължина, докато класификацията NE/SW-SE/NW е по-удобна близо до брега, тъй като минава от югозапад на североизток. Изток. Но двете класификации не могат да се използват едновременно. Пътят на североизток е част от север и част от изток; Не може да се каже, че е или това, или онова. А северният път е смесица от североизток и северозапад. Така е и с неутриното: неутриното от масов тип са смес от неутрино от слаб тип, а неутриното от слаб тип е смес от неутрино от масов тип. (Аналогията се разпада, ако решите да използвате подобрената пътна класификация N/S - NE/SW - E/W - SE/NW; няма такава опция за неутрино.)
Невъзможността да се класифицират неутрино чрез приписването им на конкретен тип маса и конкретен слаб тип е пример за принципа на неопределеността, който е подобен на странността, че е забранено да се знае точната позиция и точната скорост на частица в същото време време. Ако знаете точно едно от тези свойства, нямате представа за другото. Или можете да научите нещо и за двата свойства, но не за всички. Квантовата механика ви казва точно как да балансирате вашето знание и незнание. Между другото, тези проблеми не се отнасят само за неутрино. Те също са свързани с други частици, но са особено важни в контекста на поведението на неутриното.
Преди няколко десетилетия нещата бяха по-лесни. Тогава се смяташе, че неутриното няма маса, така че беше достатъчно да се използва слаба класификация. Ако погледнете в стари вестници или в стари книги за обикновени хора, ще видите само имена като електронно неутрино, мюонно неутрино и тау неутрино. След откритията от 90-те години обаче това вече не е достатъчно.
И сега започва забавлението. Да приемем, че имате неутрино от електронен тип с висока енергия, тоест определена смес от неутрино-1, неутрино-2 и неутрино-3. Неутриното се движи в пространството, но неговите три различни типа маса се движат с малко по-различни скорости, много близки до скоростта на светлината. Защо? Тъй като скоростта на даден обект зависи от неговата енергия и маса, а три вида маса имат три различни маси. Разликата в техните скорости е изключително малка за всяко неутрино, което можем да измерим - никога не е наблюдавано - но влиянието му е изненадващо силно!
Разлика в скоростта на неутрино - някои формули
Скоростта на частицата v в теорията на относителността на Айнщайн може да бъде записана чрез масата на частицата m и енергията E (това е общата енергия, т.е. енергията на движение плюс енергията на масата E=mc 2), и скоростта на светлината c, като:
Ако частицата има много висока скорост и нейната обща енергия E е много по-голяма от масовата енергия mc 2, тогава
Спомнете си повдигнатата 1/2 означава „извадете корен квадратен“. Ако частицата има много висока скорост и нейната обща енергия E е много, много по-голяма от нейната маса-енергия mc2, тогава
Където точките ни напомнят, че тази формула не е точна, а добро приближение до голямо E. С други думи, скоростта на частица, движеща се почти със скоростта на светлината, се различава от скоростта на светлината с количество, равно на половината квадратът на отношението на енергията на масата на частицата към нейната обща енергия. От тази формула може да се види, че ако две неутрино имат различни маси m 1 и m 2, но една и съща висока енергия E, тогава техните скорости се различават много малко.
Да видим какво означава това. Всички измерени неутрино от свръхнова, избухнала през 1987 г., пристигат на Земята в интервал от 10 секунди. Да предположим, че електронно неутрино е излъчено от свръхнова с енергия 10 MeV. Това неутрино беше смесица от неутрино 1, неутрино 2 и неутрино 3, всяко от които се движеше с малко по-различна скорост! Ще забележим ли това? Не знаем точно масите на неутриното, но нека приемем, че масовата енергия на неутрино-2 е 0,01 eV, а на неутрино-1 масовата енергия е 0,001 eV. Тогава техните две скорости, като се има предвид, че енергиите им са равни, ще се различават от скоростта на светлината и една от друга с по-малко от една част от сто хиляди трилиона:
(грешката на всички уравнения не надвишава 1%). Такава разлика в скоростта означава, че части от неутрино-2 и неутрино-1 от оригиналното електронно неутрино биха пристигнали на Земята с разлика от милисекунда - такава разлика не може да бъде открита поради много технически причини.
И сега от интересното преминаваме към наистина странните неща.
Тази малка разлика в скоростта кара прецизната смес от неутрино-1, неутрино-2 и неутрино-3, която съставлява електронното неутрино, да се променя постепенно, докато се движи в пространството. Това означава, че електронното неутрино, с което започнахме, престава да бъде самото себе си и да съответства на една специфична смес от неутрино-1, неутрино-2 и неутрино-3 с течение на времето. Различни маси на неутрино от три масови вида трансформират първоначалното електронно неутрино в процеса на преместване в смес от електронно неутрино, мюонно неутрино и тау неутрино. Процентите на сместа зависят от разликата в скоростите и следователно от енергията на първоначалното неутрино, както и от разликата в масите (по-точно от разликата в квадратите на масите) на неутриното.
Ориз. 2
Първо, ефектът се увеличава. Но интересно, както е показано на фиг. 2, този ефект не просто нараства постоянно. То расте и след това отново намалява, и след това отново расте, намалява отново, отново и отново, докато неутриното се движи. Това се нарича неутрино осцилации. Как точно се появяват зависи от това какви маси имат неутриното и как масовите неутрино и слабите неутрино са смесени там.
Ефектът от трептенията може да бъде измерен поради факта, че едно електронно неутрино при сблъсък с ядро (а именно така може да се открие неутрино) може да се превърне в електрон, но не и в мюон или тау, докато мюон електрино може да се превърне в мюон, но не и в електрон или тау. Така че, ако започнем с лъч от мюонни неутрино и след като се преместим на определено разстояние, някои неутрино се сблъскат с ядра и се превърнат в електрони, това означава, че в лъча възникват трептения и мюонните неутрино се превръщат в електронни неутрино.
Един много важен ефект усложнява и обогатява тази история. Тъй като обикновената материя се състои от електрони, но не и от мюони и тау, електронните неутрино взаимодействат с нея по различен начин от мюоните или тау. Тези взаимодействия, които възникват чрез слабото взаимодействие, са изключително малки. Но ако неутриното премине през голяма дебелина на материята (да речем, през значителна част от Земята или Слънцето), тези малки ефекти могат да се натрупат и да повлияят значително на трептенията. За щастие знаем достатъчно за слабото ядрено взаимодействие, за да предвидим тези ефекти в детайли и да изчислим цялата верига назад, от измерванията в експеримента до изясняването на свойствата на неутриното.
Всичко това се прави с помощта на квантовата механика. Ако това не е интуитивно за вас, отпуснете се; И на мен не ми е интуитивно. Цялата налична интуиция, която получих от уравненията.
Оказва се, че внимателното измерване на осцилациите на неутриното е най-бързият начин за изследване на свойствата на неутриното! За тази работа вече е присъдена Нобелова награда. Цялата тази история възниква от класическото взаимодействие на експеримент и теория, продължаващо от 60-те години на миналия век до наши дни. Ще спомена най-важните от направените измервания.
Като за начало можем да изследваме електронните неутрино, произведени в центъра на Слънцето, в неговата добре проучена ядрена пещ. Тези неутрино пътуват през Слънцето и през празното пространство до Земята. Установено е, че когато пристигнат на Земята, е еднакво вероятно да бъдат от типа мюон или тау, както и от типа електронно неутрино. Това само по себе си е доказателство за трептене на неутрино и точното разпределение ни дава подробна информация за неутрино.
Имаме и мюонни неутрино, произведени от разпада на пиони, произведени в космически лъчи. Космическите лъчи са високоенергийни частици, идващи от космоса, които се сблъскват с атомни ядра в горните слоеве на атмосферата. Получените каскади от частици често съдържат пиони, много от които се разпадат на мюонни неутрино и антимюони, или на мюонни антинеутрино и мюони. Ние откриваме някои от тези неутрино (и антинеутрино) в нашите детектори и можем да измерим колко от тях принадлежат на електронни неутрино (и антинеутрино) в зависимост от това каква част от Земята са преминали, преди да достигнат детектора. Това отново ни дава важна информация за поведението на неутриното.
Тези „слънчеви“ и „атмосферни“ неутрино ни научиха много за свойствата на неутриното през последните двадесет години (а първият намек за нещо интересно се случи преди почти 50 години). И към тези естествени източници на енергия се добавят различни изследвания, проведени с помощта на неутрино лъчи, като тези, използвани в експеримента OPERA, както и с помощта на неутрино от конвенционални ядрени реактори. Всяко от измерванията се съгласува в по-голямата си част със стандартната интерпретация на слънчевите и атмосферните неутрино и позволява по-прецизни измервания на смеси от масови типове и слаби типове неутрино и разлики в квадратните маси на неутриното.
Както се очакваше, има малки несъответствия в експериментите с теоретичните очаквания, но нито едно от тях не е потвърдено и повечето, ако не всички, са просто статистически инциденти или проблеми на експериментално ниво. Досега в няколко експеримента не е потвърдено нито едно противоречие с разбирането за неутрино и тяхното поведение. От друга страна, цялата тази картина е доста нова и слабо тествана, така че е напълно възможно, макар и малко вероятно, да има напълно различни интерпретации за нея. Наистина вече са предложени доста сериозни алтернативи. Така че усъвършенстването на детайлите на свойствата на неутриното е бързо развиваща се област на изследване, в която в по-голямата си част се очертава съгласие, но някои въпроси все още остават отворени - включително пълно и неотменимо определяне на масите на неутрино.
Във вторник, 6 октомври, стана известно, че японецът Такааки Каджита и канадецът Артър Макдоналд станаха носители на Нобеловата награда по физика за 2015 г. за откриването на трептенията на неутрино.
Това е четвъртият "Нобел" по физика, който се присъжда за работа по изследването на тези мистериозни частици. Каква е загадката на неутриното, защо са толкова трудни за откриване и какво представляват неутрините осцилации, ще разкажем в тази статия на прост и достъпен език.
Раждането на неутрон
В края на 19 век френският физик Анри Бекерел, изучавайки връзката между луминесценцията и рентгеновите лъчи, случайно открива радиоактивността. Оказа се, че самата една от урановите соли излъчва невидимо и мистериозно лъчение, което не е рентгеново. Тогава се оказа, че радиоактивността е присъща на урана, а не на съединенията, в които той влиза, след което беше открита радиоактивността на други елементи като торий, радий и т.н.
Няколко години по-късно британският физик Ърнест Ръдърфорд решава да прекара все още неизследваното радиоактивно лъчение през магнитно поле и открива, че то може да бъде разделено на три части. Някои лъчи се отклоняват в магнитно поле по същия начин, сякаш са съставени от положително заредени частици, други сякаш са съставени от отрицателни, а трети изобщо не се отклоняват.
В резултат на това беше решено първите да се нарекат алфа лъчи, вторите бета лъчи, а третите гама лъчи. Впоследствие се оказа, че гама лъчите са високочестотно електромагнитно лъчение (или поток от високоенергийни фотони), алфа лъчите са поток от ядра на хелиеви атоми, тоест частици, съставени от два протона и два неутрона, и бета лъчите са поток от електрони, въпреки че има и позитронни бета лъчи (това зависи от вида на бета разпада).
Ако измерим енергията на алфа-частиците и гама-частиците, произтичащи от съответния вид радиоактивен разпад, се оказва, че тя може да приема само някои дискретни стойности. Това се съгласува добре със законите на квантовата механика. Ситуацията обаче беше различна с електроните, излъчени по време на бета-разпад - техният енергиен спектър беше непрекъснат. С други думи, един електрон може да носи абсолютно всякаква енергия, ограничена само от вида на разпадащия се изотоп. Нещо повече, в повечето случаи се оказва, че енергията на електроните е по-малка от предвидената от теорията. Освен това енергията на ядрото, образувано след радиоактивен разпад, също се оказа по-малка от предвидената.
Оказа се, че по време на бета-разпада енергията буквално изчезва, нарушавайки фундаментален физичен принцип – закона за запазване на енергията. Някои учени, включително самият Нилс Бор, вече бяха готови да признаят, че законът може да не работи в микрокосмоса, но немският физик Волфганг Паули предложи да се реши този проблем по прост и доста рискован начин - да се приеме, че липсващата енергия се пренася от някаква частица, която няма електрически заряд, взаимодейства изключително слабо с материята и затова все още не е открита.
Няколко години по-късно тази хипотеза е приета от италианския физик Енрико Ферми, за да обясни теоретично бета разпада. По това време неутронът вече е бил открит и физиците са знаели, че атомното ядро се състои не само от протони. Известно е, че протоните и неутроните в ядрото се задържат чрез така нареченото силно взаимодействие. Все още обаче не беше ясно защо по време на бета-разпада ядрото излъчва електрон, който по принцип не е там.
Ферми предположи, че бета-разпадането е подобно на излъчването на фотон от възбуден атом и електронът се появява в ядрото точно в процеса на разпадане. Един от неутроните в ядрото се разпада на три частици: протон, електрон и същата невидима частица, предсказана от Паули, която Ферми на италиански нарича „неутрино“, тоест „неутрон“ или малък неутрон. Подобно на неутрона, неутриното няма електрически заряд, нито участва в силната ядрена сила.
Теорията на Ферми се оказва успешна. Беше открито, че друго неизвестно досега взаимодействие, слабото ядрено, е отговорно за бета разпада. Това е самото взаимодействие, в което освен гравитационните участват и неутрино. Но поради факта, че интензитетът и радиусът на това взаимодействие са много малки, неутриното остава до голяма степен невидимо за материята.
Човек може да си представи неутрино с не много висока енергия, което лети през лист желязо. За да може тази частица да бъде със стопроцентова вероятност задържана от листа, нейната дебелина трябва да бъде приблизително 10 ^ 15 километра. За сравнение: разстоянието между Слънцето и центъра на нашата Галактика е само с един порядък по-голямо - около 10 16 километра.
Тази неуловимост на неутриното значително усложнява практическото му наблюдение. Следователно съществуването на неутрино е експериментално потвърдено едва 20 години след теоретичното предсказание - през 1953 г.
Три поколения неутрино
Бета-разпадането може да се случи по два начина: с излъчване на електрон или позитрон. Антинеутрино винаги се излъчва заедно с електрон, а неутрино винаги се излъчва заедно с позитрон. В средата на двадесети век физиците са изправени пред въпроса: има ли разлика между неутрино и антинеутрино? Например фотонът е своя собствена античастица. Но електронът съвсем не е идентичен на своята античастица - позитрон.
Идентичността на неутриното и антинеутриното беше показана от липсата на електрически заряд върху частицата. Въпреки това, с помощта на внимателни експерименти, беше възможно да се установи, че неутрино и антинеутрино все още са различни. Тогава, за да се разграничат частиците, беше необходимо да се въведе собствен знак за заряд - лептонното число. По съгласие на учените лептоните (частици, които не участват в силно взаимодействие), които включват електрони с неутрино, получават лептонно число +1. А на антилептоните, сред които има и антинеутрино, се присвоява номер -1. В този случай лептонното число трябва винаги да се запазва - това обяснява факта, че неутриното винаги се появява само в двойка с позитрон, а антинеутриното - с електрон. Те изглежда се балансират взаимно, оставяйки сумата от лептонните числа на всяка частица от цялата система непроменена.
В средата на ХХ век физиката на елементарните частици преживява истински бум - учените откриват нови частици една след друга. Оказа се, че има повече лептони, отколкото се смяташе - освен електрона и неутриното, беше открит мюонът (тежкият електрон), както и мюонното неутрино. Впоследствие учените откриха трето поколение лептони - още по-тежки тау лептон и тау неутрино. Стана ясно, че всички лептони и кварки образуват три поколения фундаментални фермиони (частици с полуцяло въртене, които изграждат материята).
За да се направи разлика между три поколения лептони, трябваше да се въведе така нареченият вкусов лептонен заряд. Всяко от трите поколения лептони (електрон и неутрино, мюон и мюон неутрино, тау-лептон и тау-неутрино) има свой вкусов лептонен заряд и сумата от зарядите е общото лептоново число на системата. Дълго време се смяташе, че лептонният заряд също трябва винаги да се запазва. Оказа се, че това не се случва в случай на неутрино.
Дясно и ляво неутрино
Всяка елементарна частица има такава квантово-механична характеристика като спин. Спинът може да бъде представен като количеството въртеливо движение на частица, въпреки че това описание е много произволно. Спинът може да бъде насочен в някаква посока спрямо импулса на частицата – успоредно на него или перпендикулярно на него. Във втория случай е обичайно да се говори за напречната поляризация на частицата, в първия случай за надлъжната. При надлъжната поляризация също се различават две състояния: когато въртенето е насочено заедно с импулса и когато е насочено срещу него. В първия случай се казва, че частицата има дясна поляризация, а във втория - лява.
Дълго време във физиката се смяташе за неоспорим законът за запазване на паритета, който гласи, че в природата трябва да се спазва строга огледална симетрия и частиците с дясна поляризация трябва да бъдат напълно еквивалентни на частиците с лявата. Съгласно този закон във всеки лъч неутрино може да се намери еднакъв брой десни и леви частици.
Нямаше ограничение за изненадата на учените, когато се оказа, че законът за паритета не се спазва за неутрино - в природата няма десни неутрино и леви антинеутрино. Всички неутрино са леви, а антинеутрино са десни. Това е доказателство за удивителния факт, че слабото ядрено взаимодействие, отговорно за бета-разпада, при което се раждат неутриното, е хирално - неговите закони се променят при огледално отражение (вече сме писали за това подробно отделно).
От гледна точка на физиката на елементарните частици в средата на 20 век ситуацията със строга поляризация показва, че неутриното е безмасова частица, тъй като в противен случай би било необходимо да се признае, че законът за запазване на лептонния заряд не е наблюдаваното. Въз основа на това дълго време се смяташе, че неутриното наистина няма маса. Но днес знаем, че това не е така.
Неуловимата маса
Неутрино в огромни количества преминават през дебелината на Земята и направо през нашето тяло. Те се раждат при термоядрени реакции в Слънцето и други звезди, в атмосферата, в ядрените реактори, дори в самите нас, в резултат на радиоактивния разпад на определени изотопи. Реликтните неутрино, родени след Големия взрив, все още летят във Вселената. Но изключително слабото им взаимодействие с материята обуславя, че ние изобщо не ги забелязваме.
Въпреки това, през годините на изучаване на неутрино, физиците са се научили как да ги регистрират с хитри методи. И когато наблюдаваха потока от неутрино, родени на Слънцето, учените откриха странен факт - светилата на тези частици пристигат около три пъти по-малко, отколкото прогнозира теорията. Тук е необходимо да уточним, че става дума точно за един вид неутрино – електронни неутрино.
За да обяснят този факт, те се опитаха да включат различни хипотези за вътрешната структура на Слънцето, която е в състояние да забави липсващите неутрино, но тези опити бяха неуспешни. Остана само едно теоретично обяснение на факта - по пътя от Слънцето към Земята частиците се превръщат от един вид неутрино в друг. Частица, родена като електронно неутрино, изпитва осцилации по пътя си, с определена периодичност, проявявайки се като мюонно или тау неутрино. Следователно не само електронни неутрино, но и мюонни и тау неутрино пристигат на Земята от Слънцето. Хипотезата за осцилациите на неутрино е предложена през 1957 г. от съветско-италианския физик Бруно Понтекорво. Такива трансформации на неутрино от един тип в друг предполагаха едно необходимо условие - наличието на маса в неутриното. Всички експерименти, проведени с неутрино, показват, че масата на тази частица е пренебрежимо малка, но не е получено строго доказателство, че тя е равна на нула. Това означава, че възможността за осцилации на неутрино наистина е останала.
Откриване на трептенията
Съществуването на неутрино осцилации беше потвърдено от наблюдения на слънчеви и атмосферни неутрино в експерименталното съоръжение Superkamiokande в Япония и в Съдбъри неутрино обсерватория в Канада.
Японците построиха внушителна конструкция за регистриране на неутрино - огромен резервоар (40 на 40 метра) от неръждаема стомана, пълен с 50 хиляди тона чиста вода. Резервоарът беше заобиколен от повече от 11 хиляди фотоумножители, които трябваше да регистрират най-малките проблясъци на радиация на Черенков, родени, когато електроните се избиват от атомите от някакъв вид неутрино. Като се има предвид, че неутриното взаимодействат изключително слабо с материята, се регистрират само няколко от милиардите частици, прелитащи през резервоара. Имайки предвид и факта, че изследователите трябва да филтрират тези събития от голям фон (в края на краищата, много напълно различни частици летят през огромен резервоар), те свършиха колосална работа.
Японският детектор успя да направи разлика между електронни и мюонни неутрино по естеството на радиацията, която причиняват. Освен това учените знаеха, че повечето мюонни неутрино се произвеждат в атмосферата, когато въздушните частици се сблъскат с космическите лъчи. Благодарение на това те откриха следния модел: колкото по-дълги разстояния изминават лъчите неутрино, толкова по-малко мюонни неутрино сред тях. Това означаваше, че по пътя някои от мюонните неутрино се превръщат в други неутрино.
Окончателното доказателство за съществуването на неутрино осцилации е получено през 1993 г. в експеримент в Съдбъри. Всъщност канадската инсталация беше подобна на японската - огромен и не по-малко впечатляващ резервоар с вода под земята и много детектори на радиация на Черенков. Въпреки това, той вече успя да различи и трите вида неутрино: електрон, мюон и тау неутрино. В резултат на това се установи, че общият брой неутрино, пристигащи от Слънцето, не се променя и е в добро съответствие с теорията, а липсата на електронни неутрино се дължи именно на тяхното трептене. Освен това, според статистическите данни, неутриното изпитват осцилации в по-голяма степен, когато преминават през материя, отколкото през вакуум, тъй като по-голям брой електронни неутрино пристигат до детектора през деня, отколкото през нощта, когато частиците, родени на Слънцето, трябва да преодолеят цялата дебелина на Земята.
Според днешните представи осцилациите на неутрино са доказателство, че тези частици имат маса, въпреки че точната стойност на масата все още не е известна. Физиците знаят само горната му граница - неутриното е поне хиляда пъти по-леко от електрона. Установяването на точната маса на неутриното е следващата голяма задача за физиците, работещи в тази посока, и е възможно следващият "Нобел" за неутриното да бъде присъден именно за това постижение.
Теорията предвижда съществуването на закон за периодична промяна на вероятността за откриване на частица от определен тип, в зависимост от времето, изминало от създаването на частицата.
Идеята за осцилациите на неутрино е представена за първи път от съветско-италианския физик Б. М. Понтекорво през 1957 г.
Наличието на осцилации на неутрино е важно за решаването на проблема със слънчевите неутрино.
Трептения във вакуум
Предполага се, че такива трансформации са следствие от наличието на маса в неутрино или (за случая на неутрино↔антинеутрино трансформации) незапазване на лептонния заряд при високи енергии.
Вижте също
- Матрицата на Понтекорво - Маки - Накагава - Саката
- Трептения на неутрални каони
- Трептения на В-мезони
Бележки
Литература
- Ю. Г. Куденко, „Изследване на неутрино осцилации в експерименти с ускорител с дълга базова линия“, Напредък във физическите науки, том. 6, 2011 г.
- С. М. Биленки, "Маси, смесване и осцилации на неутрино", Успехи на физическите науки 173 1171-1186 (2003)
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е "Неутрино осцилации" в други речници:
Неутрино осцилации на трансформацията на неутрино (електрон, мюон или таон) в неутрино от друг тип (поколение) или в антинеутрино. Теорията предвижда съществуването на закон за периодична промяна на вероятността за откриване на частица ... ... Wikipedia
- (v), лека (възможно безмасова) електрически неутрална частица със спин 1/2 (в единици ћ), участваща само в слабите и гравитационни. ефекти. Н. принадлежи към класа на лептоните и статистически. свети ти явл. фермион. Известни са три вида Н.: ... ... Физическа енциклопедия
Теорията за колебанията на неутрино се появи като възможно решение на дефицита на слънчеви неутрино. Същността на проблема беше, че на слънцето, в съответствие със стандартния модел, неутрино възникват главно в резултат на реакцията на протон-протонния цикъл:
p + p 2 H + e + + e + 0,42 MeV
(Относителната вероятност за такава реакция е 99,75%)
Основният източник на високоенергийни неутрино на Слънцето е разпадането на изотопи 8 B, които възникват в реакцията 7 Be (p,) 8 B (рядко срещан клон на протонно-протонния цикъл):
13 N 13 C + e + + e + 1,20 MeV
15 O 15 N + e + + e + 1,73 MeV
В момента има четири серии от експериментални данни за регистриране на различни групи слънчеви неутрино. Радиохимични експерименти, базирани на реакцията 37 Cl + e 37 Ar + e - се провеждат в продължение на 30 години. Според теорията неутрино от разпадане на 8 V трябва да има основен принос за тази реакция.Изследвания за директното регистриране на неутрино от разпадане на 8 V с измерване на енергията и посоката на движение на неутриното са проведени в експеримента KAMIOKANDE от 1987 г. Радиохимични експерименти върху реакцията 71 Ga + e 71 Ge + e - са проведени през последните пет години от две групи учени от редица страни. Важна характеристика на тази реакция е нейната чувствителност главно към първата реакция на протон-протонния цикъл p + p 2 D + e + + e . Скоростта на тази реакция определя скоростта на освобождаване на енергия в слънчевата термоядрена пещ в реално време. Във всички експерименти има дефицит в потоците слънчеви неутрино в сравнение с прогнозите на Стандартния слънчев модел.
Възможно решение на проблема с дефицита на слънчеви неутрино са неутрино осцилациите – превръщането на електронни неутрино в мюонни и тау неутрино.
Първото нещо, на което трябва да се обърне внимание, когато се обсъждат свойствата на неутриното, е съществуването на техните различни разновидности.
Както знаете, в момента определено можем да говорим за три такива разновидности:
ν e , ν μ , ν τ и съответно техните антинеутрино. Електронното неутрино, когато се обменя със зареден W-бозон, се трансформира в електрон, а мюонното неутрино се трансформира в мюон (ν τ произвежда тау лептон). Това свойство даде възможност по едно време да се установи разликата в природата на електронните и мюонните неутрино. А именно, лъчите неутрино, образувани в ускорителите, се състоят главно от продукти на разпадане на заредени π-мезони:
π + μ + + ν
π − μ − + ν
Ако неутриното не прави разлика между видовете лептони, тогава получените по този начин неутрино ще произвеждат електрони и мюони с еднаква вероятност при взаимодействие с ядрата на материята. Ако всеки лептон има свой собствен вид неутрино, тогава само неговите видове мюон се генерират при разпад на пион. Тогава лъчът неутрино от ускорителя ще произведе мюони, а не електрони в по-голямата част от случаите. Именно това явление е регистрирано в експеримента.
След изясняване на факта за разликата между видовете неутрино, възникна въпросът: колко дълбока е тази разлика? Ако се обърнем към аналогията с кварките, тогава трябва да обърнем внимание на факта, че електрослабите взаимодействия не запазват вида (вкуса) на кварките. Например, възможна е следната верига от преходи:
което води до смесване на състояния, които се различават само по странност, например неутрални K мезони K 0 и K 0 . Могат ли различни видове неутрино да се смесват по един и същи начин? При отговора на този въпрос е важно да знаем какви са масите на неутриното. От наблюдения знаем, че неутриното имат много малки маси, много по-малки от масите на съответните лептони. Така че за масата на едно електронно неутрино имаме ограничение
m(e)< 5.1 эВ, |
докато масата на електрона е 0,51099906 ± 0,00000015 MeV
В по-голямата част от случаите можем да приемем, че масите и на трите неутрино са нула. Ако те са точно нула, е невъзможно да се забележат ефектите от евентуално смесване на различни видове неутрино. Само ако неутриното имат различни от нула маси, смесването придобива физически смисъл. Отбелязваме, че не сме запознати с никакви фундаментални причини, водещи до строгото равенство на нула на масите на неутриното. Следователно въпросът дали има смесване на различни неутрино е проблем, който трябва да бъде решен чрез физически методи, предимно експериментални. За първи път Б.М. Понтекорво.
Смесване на състояния на неутрино
Разгледайте проблема с два вида неутрино: e , ν μ ,. За ефектите на смесване помислете как състоянията се развиват с течение на времето. Еволюцията във времето се определя от уравнението на Шрьодингер
От този момент нататък използваме системата от единици h = c = 1, която обикновено се използва във физиката на елементарните частици. Тази система е удобна, защото има само едномерно количество, например енергия. Импулсът и масата вече имат същите измерения като енергията, докато координатата x и времето t имат измерението на реципрочната енергия. Прилагайки тази връзка към случая на неутрино, който разглеждаме, когато техните маси са много по-малки от импулса, получаваме вместо (2):
Въз основа на (5) разбираме уравнение (4) като система от уравнения за функциите (t), (t):
|
За краткост такава система обикновено се записва във формата (4), но тогава (t) се разбира като колона от , , и в скоби първият член е пропорционален на матрицата на идентичност, докато стойността на M 2 става някаква (2 x 2)-матрица с матрични елементи, които лесно се получават от системата (6). Тук много важна е стойността, чиято разлика от нула води до смесващи ефекти. Ако липсва, системата се разпада на две независими уравнения и неутрино, електрон и мюон, съществуват отделно със собствени маси.
И така, H 0. Тогава ще търсим решения на система (6) под формата на комбинации
1 (t) = cos e (t) + sin ν μ (t), |
(7) |
които имат определена честота, т.е. имат формата (3). За това, което следва, е важно да се отбележи, че при малко 0 1 е почти чисто електронно неутрино, а при /2 е почти напълно мюонно. Добавяйки първото от уравненията (6), умножено по cos, с второто, умножено по sin, получаваме условието, че лявата страна също съдържа само 1:
Случва се м e > , т.е. =/4, съответства на максимално смесване и се реализира почти точно за система от неутрални К-мезони. Състоянията (7) имат определени маси, които получаваме от система (6):
| (10) |
Знаците в (10) отговарят на случая > мд. От (10) виждаме, че при нулево смесване = 0 получаваме м 1 = мд, м 2 = . При наличие на смесване настъпва масово изместване. Ако се счита за много малък, тогава
Представете си, че в началния момент от време t = 0 се е родило електронно неутрино. Тогава от (7) и (12) получаваме зависимостта от времето на разглежданото състояние (пропускаме общия фактор e -ikt)
| (13) |
Нека въведем обозначението m 2 = m 1 2 - m 2 2 . Виждаме, че наред с първоначално присъстващото електронно неутрино тук се появява и състоянието на мюонното неутрино. Вероятността за възникването му, според правилата на квантовата механика, е квадратът на амплитудния модул, т.е. коефициентът при | νμ >. Както се вижда от (13), зависи от времето и възлиза на
W(t) = sin 2 2 sin 2 ((E 1 -E 2)t/2) = sin 2 2 sin 2 (m 2 t/4k) = sin 2 2 sin 2 (1,27 m 2 L/E), |
(14) |
където измерваме разстоянието L в метри, енергията на неутриното в мегаелектронволта и квадратната масова разлика m 2 в квадратни електроволта. Разбира се, ние вземаме предвид малката маса на неутриното, така че L = ct. Мюонната компонента има характерна осцилираща зависимост; това явление се нарича неутрино осцилации. Какво трябва да се наблюдава като ефект от трептенията на неутрино? Знаем, че електронните неутрино дават електрон в резултат на реакцията с обмена W, а мюоните съответно дават мюон. Следователно, лъч, първоначално състоящ се от електронни неутрино, когато преминава през записващото оборудване, произвежда не само електрони, но и мюони с вероятност, зависеща от разстоянието до началната точка, описана с формула (14). Казано по-просто, трябва да търсим раждането на „чужди“ лептони.
Експериментите за търсене на осцилации на неутрино се провеждат активно и като правило водят не до измерване на ефекта, а до ограничения на параметрите в (14) и m 2 . Ясно е, че няма никакъв ефект, ако поне един от тези параметри е равен на нула. Наскоро имаше съобщения за сериозни индикации за съществуването на неутрино осцилации в експерименти в японското съоръжение Super-Kamiokande. В тези експерименти е изследван потокът от неутрино от разпада на частици, родени в горните слоеве на атмосферата от високоенергийни космически лъчи. В зависимост от ъглите на наклон към хоризонта, под които изследваните неутрино идват към устройството, те изминават разстояния от няколко десетки километра (директно отгоре) до много хиляди километри (директно отдолу). Резултатът от непрекъснати измервания от година и половина се оказа несъвместим с изчисленията според теорията без колебания. В същото време въвеждането на трептения води до отлично съответствие с експеримента. В този случай са необходими преходи ν μ e:
sin2 > 0,82,
510 -4
< m 2
< 610 -2
това означава, че се изискват техните изрично ненулеви стойности. Засега научното обществено мнение не е склонно към окончателно признаване на откритието на неутрино осцилации и очаква потвърждение на резултата. Експериментите продължават, но междувременно се оказа, че още по-богата информация може да се получи от изследването на трептенията на неутрино, като се вземе предвид тяхното взаимодействие с материята.
Неутрино осцилации в материята
Изясняването на възможностите, свързани с ефектите от разпространението на неутрино в материята, е свързано с работата на L. Wolfenstein и S.P. Михеев и А.Ю. Смирнова.
Разгледайте отново случая на две неутрино - електрон и мюон. Материята съдържа протони и неутрони в ядра и електрони. Взаимодействието на двата типа неутрино с протони и неутрони, дължащо се на обмена на W и Z, се осъществява по един и същ начин и следователно не води до нови ефекти в сравнение с разпространението във вакуум. Ситуацията е съвсем различна при разсейването на неутрино от електрони. Мюонно неутрино може да взаимодейства с електрон само чрез обмен на неутрален бозон Z, докато обменът на зареден бозон W допринася за разсейването на електронно неутрино (и антинеутрино) върху електрон. Наистина, например W - отива в двойка e, така че процесът на разсейване да върви по схемата
Когато антинеутрино се разпръснат от електрон, те се сливат в W, а когато неутрино се разпръснат, W се обменя, при което оригиналното неутрино дава електрон и W + , което се абсорбира от оригиналния електрон, давайки крайното неутрино. За мюонното неутрино такива преходи са невъзможни.
И така, електронното неутрино има допълнително взаимодействие с електрона, което се описва с допълнителен член в първия ред (6):
Тогава системата от уравнения, описваща зависимостта на вълновата функция от времето, се променя:
където = 2kV W и това количество е свързано с разсейването на електронно неутрино от електрони поради обмена W. Електрослабата теория дава прост израз
|
(17) |
,където Г Ф = (1.16637 + 0,00002) . 10 -5 GeV -2 е добре известната константа на Ферми, характеризираща слабите взаимодействия и N eе плътността на електроните в материята. Тази плътност е пропорционална на атомния номер Z на елемента и обичайната плътност на веществото p, което се отразява в числовата форма на връзката (17). Тогава стойността може да бъде представена като (A е атомното тегло на съответния елемент)
Разглеждайки израза (16) за масите на неутрино състоянията и (19) за ъгъла на смесване в материята, получаваме най-интересното явление на резонансно колебание на неутрино в материята. Нека смесването на неутрино във вакуум е много малко, т.е. sin 2< 1. Представим себе, что нейтрино с некоторым импульсом k (первоначально электронное) проходит через вещество с переменной плотностью, меняющейся монотонно, например убывающей. Если при этом в каком-то слое плотность такова, что выполняется равенство
1,526. 10 -7 Zk / A \u003d m 2 cos 2, |
(20) |
тогава възниква резонанс. Наистина за грях 2м<< 1 и нейтрино остается
электронным. Однако при выполнении равенства (20) sin 2 m
= 1, при дальнейшем уменьшении плотности sin 2 m
вновь становится малым, но это значит, что 2 m
становится близким к ,
а m - к /2.
Из (7) видно, что это соответствует уже почти полностью нейтрино мюонному. Таким
образом, при прохождении резонанса происходит смена сорта нейтрино, причем тем
полнее, чем меньше вакуумный угол смешивания. Поэтому такая резонансная
осцилляция является фактически единственной возможностью проявления малого
смешивания нейтрино.
Феноменът на резонансното колебание също се проявява ясно в зависимостта от плътността на масите на неутрино в материята (16). Наистина, нека започнем с израз (16) със знак минус, който, в съответствие с уравнения (15), описва първоначалното електронно неутрино (тъй като съдържа характерното му взаимодействие с електроните V W). Нека плътността се промени, преминавайки през резонанса. Тогава квадратът на масата преди резонанса под малък ъгъл е равен на m e 2 + V W , а след резонанса -. Когато резонансът премине, видът на неутриното напълно се променя.
Трябва да се отбележи, че ако разглеждаме антинеутрино вместо неутрино, тогава основната разлика е в знака на термина, описващ взаимодействието с обмена W. Знаците на V W за неутрино и антинеутрино са противоположни. Това означава, че условието за резонанс се достига в зависимост от знака на m 2 или само за неутрино, или само за антинеутрино. Например, ако мюонното неутрино е по-тежко от електронното, тогава резонансът може да се наблюдава само за началното състояние на електронното неутрино, но не и за антинеутриното.
По този начин разпространението на неутрино (и антинеутрино) лъчи в материята предоставя изобилие от физическа информация. Ако основните параметри, т.е. m 2 и , са известни, тогава чрез светене през лъч неутрино на някакъв обект, например планета, звезда и т.н., може да се получи картина на разпределението на плътността вътре в сканирания обект от състава на лъча неутрино на изхода. Можете да обърнете внимание на близка аналогия с полупрозрачността на малки обекти (включително живи) с рентгенови лъчи.
Примери за възможни прояви и приложения
Феноменът на неутрино осцилации все още не е експериментално регистриран, но има индикации за тяхното съществуване и те са свързани именно с възможни резонансни явления. Факт е, че методите за регистрация са чувствителни главно към електронни неутрино (антинеутрино), тъй като мюонните и още повече тау неутрино с енергия от няколко мегаелектронволта не могат да дадат реакции, например
37Cl + 37Ar + e - .
който се използва в метода за откриване на хлор-аргон неутрино. Това се дължи на факта, че повече от 100 MeV енергия са необходими за производството на мюон (и дори повече за производството на тау). В същото време може да възникне подобна реакция с електронно неутрино. Ядрените реакции в Слънцето са именно източникът на електронни (анти)неутрино, така че използваният метод изглежда доста адекватен. Ако обаче възникне трептене по пътя от точката на раждане до устройството и неутриното се превърне например в мюон, тогава реакцията не настъпва, неутриното става „стерилно“. Това може да послужи като обяснение за дефицита на слънчеви неутрино.
Отначало те се опитаха да използват за обяснение обичайните (първи участък) трептения в пространството между Слънцето и Земята. Смесването на мюонни неутрино се определя от ъгъла на смесване. Позовавайки се на формула (14), можем да заключим, че частта от такива стерилни неутрино на Земята
където означаваме средната стойност с ъглови скоби. Осредняването е необходимо, тъй като разстоянието L от Земята до Слънцето по време на процеса на измерване се променя значително поради орбиталното му движение. Средната стойност на функцията sin 2x за голям интервал е 1/2, следователно фракцията на стерилните неутрино е
По този начин обикновено е възможно да се постигне двойно потискане на потока неутрино от Слънцето, но това изисква максимално смесване sin 2 = 1. Търсенията на трептения показват, че за широк диапазон от маси на неутрино такова голямо смесване се изключва от експеримент. В допълнение, такова обяснение дава еднакво потискане на потока неутрино за всички енергии на неутрино, докато експерименталните резултати показват енергийна зависимост на ефекта.
По-адекватно е обяснението с помощта на резонансни трептения в материята на Слънцето. За да се осъществи резонансен преход на неутрино в стерилно състояние, трябва да е изпълнено условие (20) върху някакъв слой от слънчевата материя. Нека ъгълът на смесване е много малък, така че cos 21. Да вземем за пример стойностите на параметрите
Z/A = 1,05, = 10 g/cm2, E = 1 MeV,
където първото число отразява факта, че Слънцето е съставено основно от водород с малко хелий и други елементи. Тогава условие (20) дава разликата на квадратите на масите на неутрино
Именно този ред на масите на неутрино е необходим, за да се използва резонансният механизъм на неутрино осцилации в материята, за да се обясни дефицитът на слънчеви неутрино, включително енергийната зависимост на този ефект. Ситуацията тук е следната: ако съществуващите експериментални данни най-накрая се потвърдят, тогава ще бъде невъзможно да се предложи друго обяснение освен резонансно трептене. Това ще бъде най-важният резултат, отварящ пътя към по-нататъшно разбиране на структурата на физическия свят. Освен това ще получим нов метод за предаване на рентгенови лъчи на небесни тела, включително нашата Земя. Наистина, като се има предвид, че плътността на земните скали е 3-6 g/cm 3 в мантията и 9-12 g/cm 3 в ядрото, ние сме убедени, че с маса на неутрино (22) се постигат резонансни условия за неутрино с енергия от порядъка на няколко мегаелектронволта. Чрез формиране на такива лъчи и изпълнение на програма за трансилюминация на Земята с регистриране на ефекта върху мрежа от неутрино станции е възможно да се получат томограми на земната дебелина. В бъдеще това може да доведе както до изясняване на детайлите на структурата на Земята, така и до практически резултати, например в приложението за търсене на дълбоки минерали.
