Aproape toți tociștii au auzit despre oscilațiile neutrinilor. S-a scris multă literatură profesională și o grămadă de articole populare despre acest fenomen, dar numai autorii manualelor cred că cititorul înțelege teoria câmpului și chiar teoria cuantică, iar autorii articolelor populare se limitează de obicei la expresii precum: „Particulele zboară, zboară și apoi bamși se transformă în alții”, și cu altă masă (!!!). Să încercăm să ne dăm seama de unde vine acest efect cel mai interesant și cum este observat folosind instalații uriașe. Și, în același timp, vom învăța cum să găsim și să extragem câțiva atomi necesari din 600 de tone de materie.
Un alt neutrin
Într-un articol anterior, am povestit cum a apărut însăși ideea existenței unui neutrin în 1932 și cum a fost descoperită această particulă 25 de ani mai târziu. Permiteți-mi să vă reamintesc că Reines și Cowen au înregistrat interacțiunea unui antineutrin cu un proton. Dar chiar și atunci, mulți oameni de știință credeau că neutrinii ar putea fi de mai multe tipuri. Un neutrin care interacționează activ cu un electron a fost numit neutrin electronic, iar un neutrin care interacționează cu un muon, respectiv, a fost numit muon. Experimentatorii trebuiau să descopere dacă aceste două stări diferă sau nu. Lederman, Schwartz și Steinberger au condus un experiment remarcabil. Au investigat fasciculul pi-mezon de la accelerator. Astfel de particule se descompun ușor în muoni și neutrini.Dacă neutrinul are într-adevăr diferite tipuri, atunci ar trebui să se nască cel muon. Apoi totul este simplu - punem o țintă pe calea particulelor produse și studiem modul în care acestea interacționează: cu nașterea unui electron sau a unui muon. Experiența a arătat fără ambiguitate că electronii nu sunt aproape niciodată produși.
Deci acum avem două tipuri de neutrini! Suntem gata să trecem la următorul pas în discuția despre oscilațiile neutrinilor.
Acesta este un fel de Soare „greșit”.
Primele experimente cu neutrini au folosit o sursă artificială: un reactor sau un accelerator. Acest lucru a făcut posibilă crearea unor fluxuri de particule foarte puternice, deoarece interacțiunile sunt extrem de rare. Dar a fost mult mai interesant să înregistrăm neutrini naturali. Un interes deosebit este studiul fluxului de particule de la Soare.Până la mijlocul secolului al XX-lea, era deja clar că lemnul de foc nu ardea deloc în Soare - au calculat și s-a dovedit că nu era suficient lemn de foc. Energia este eliberată în timpul reacțiilor nucleare chiar în centrul Soarelui. De exemplu, procesul principal pentru steaua noastră se numește „ciclul proton-proton”, când un atom de heliu este asamblat din patru protoni.
Se poate observa că particulele de interes pentru noi ar trebui produse la prima etapă. Și aici fizica neutrinilor își poate arăta toată puterea! Doar suprafața Soarelui (fotosfera) este disponibilă pentru observație optică, iar neutrinii trec prin toate straturile stelei noastre fără piedici. Ca urmare, particulele înregistrate provin chiar din centrul, unde se nasc. Putem „observa” direct miezul Soarelui. Desigur, astfel de studii nu puteau să nu atragă fizicienii. În plus, fluxul așteptat a fost de aproape 100 de miliarde de particule pe centimetru pătrat pe secundă.
Raymond Davis a fost primul care a organizat un astfel de experiment în cea mai mare mină de aur din America - Mina Homestake. Instalația a trebuit să fie ascunsă adânc în subteran pentru a se proteja de un flux puternic de particule cosmice. Neutrinii pot trece cu ușurință printr-un kilometru și jumătate de rocă, dar restul particulelor vor fi oprite. Detectorul era un butoi uriaș plin cu 600 de tone de tetracloretilenă - un compus din 4 atomi de clor. Această substanță este utilizată în mod activ în curățarea chimică și este destul de ieftină.
Această metodă de înregistrare a fost propusă de Bruno Maksimovici Pontecorvo. Când interacționează cu neutrinii, clorul se transformă într-un izotop instabil al argonului,
care captează un electron de pe un orbital inferior și se descompune în medie în 50 de zile.
Dar! Sunt așteptate doar aproximativ 5 interacțiuni cu neutrini pe zi. În câteva săptămâni, se vor naște doar 70 de atomi de argon și trebuie găsiți! Găsiți câteva zeci de atomi într-un butoi de 600 de tone. O provocare cu adevărat fantastică. O dată la două luni, Davis a purjat butoiul cu heliu, suflând argonul rezultat. Gazul purificat în mod repetat a fost plasat într-un mic detector (contor Geiger), unde a fost numărat numărul de dezintegrari ale argonului rezultat. Așa a fost măsurat numărul de interacțiuni cu neutrini.
Aproape imediat, s-a dovedit că fluxul de neutrini de la Soare a fost de aproape trei ori mai mic decât se aștepta, ceea ce a făcut o mare explozie în fizică. În 2002, Davis a împărțit Premiul Nobel cu Koshiba-san pentru contribuția lor semnificativă la astrofizică, în ceea ce privește detectarea neutrinilor cosmici.
O mică notă: Davis a înregistrat neutrini nu din reacția proton-proton pe care am descris-o mai sus, ci din procese puțin mai complexe și mai rare cu beriliu și bor, dar asta nu schimbă esența.
Cine este de vină și ce să facă?
Deci, fluxul de neutrini este de trei ori mai mic decât era de așteptat. De ce? Pot fi oferite următoarele opțiuni:Acești neutrini volubili
Cu un an înainte de rezultatele experimentului Davis, deja menționatul Bruno Pontecorvo elaborează o teorie despre modul exact în care neutrinii își pot schimba tipul în vid. Una dintre consecințe este că diferitele tipuri de neutrini ar trebui să aibă mase diferite. Și de ce particulele ar trebui să ia în zbor astfel și să-și schimbe masa, care, în general, ar trebui păstrată? Să ne dăm seama.Nu ne putem lipsi de o mică introducere în teoria cuantică, dar voi încerca să fac această explicație cât mai transparentă. Tot ce aveți nevoie este geometria de bază. Starea sistemului este descrisă de un „vector de stare”. Deoarece există un vector, atunci trebuie să existe o bază. Să ne uităm la analogia spațiului de culoare. „Statul” nostru este verde. În baza RGB, vom scrie acest vector ca (0, 1, 0). Dar în baza CMYK, aproape aceeași culoare va fi scrisă diferit (0,63, 0, 1, 0). Este evident că nu avem și nu putem avea o bază „principală”. Pentru diferite nevoi: imagini pe un monitor sau printare, trebuie să folosim propriul sistem de coordonate.
Care vor fi bazele neutrinilor? Este destul de logic să descompunem fluxul de neutrini în diferite tipuri: electron (), muon () și tau (). Dacă avem un flux de neutrini exclusiv electronici care zboară de la Soare, atunci această stare (1, 0, 0) se află într-o astfel de bază. Dar, așa cum am discutat deja, neutrinii pot fi masivi. Și au mase diferite. Aceasta înseamnă că fluxul de neutrini poate fi descompus și în stări de masă: respectiv cu mase.
Scopul oscilațiilor este că aceste baze nu coincid! Albastrul din imagine arată tipurile (sorturile) de neutrini și stările roșii cu mase diferite.
Adică, dacă un neutrin electronic a apărut în dezintegrarea unui neutron, atunci au apărut trei stări de masă simultan (proiectat pe).
Dar dacă aceste stări au mase ușor diferite, atunci energiile vor diferi și ele ușor. Și din moment ce energiile diferă, atunci ele se vor răspândi în spațiu în moduri diferite. Imaginea arată exact cum vor evolua aceste trei stări în timp.
(c) www-hep.physics.wm.edu
În imagine, mișcarea particulei este prezentată ca o undă. O astfel de reprezentare se numește undă de Broglie sau o undă de probabilitate pentru a înregistra o anumită particulă.
Neutrinul interacționează în funcție de tip (). Prin urmare, atunci când dorim să calculăm cum se va manifesta neutrinul, trebuie să ne proiectăm vectorul de stare pe (). Și în acest fel, se va dovedi probabilitatea de a înregistra unul sau altul tip de neutrin. Iată undele de probabilitate pe care le obținem pentru un neutrin de electroni, în funcție de distanța parcursă:
Cât de mult se va schimba tipul este dat de unghiurile relative ale sistemelor de coordonate descrise (prezentate în figura anterioară) și de diferențele de masă.
Dacă nu ești intimidat de terminologia mecanicii cuantice și ai avut răbdarea să citești până în acest punct, atunci o simplă descriere formală poate fi găsită pe Wikipedia.
Ce zici de fapt?
Teoria este bună, desigur. Dar până acum nu putem decide care dintre cele două opțiuni este implementată în natură: Soarele „nu este așa” sau neutrinii „nu sunt așa”. Sunt necesare noi experimente pentru a arăta definitiv natura acestui efect interesant. Literal, pe scurt, voi descrie principalele instalații care au jucat un rol cheie în cercetare.Observatorul Kamioka
Istoria acestui observator începe cu faptul că aici s-au încercat să găsească dezintegrarea protonului. Acesta este motivul pentru care detectorul a primit numele potrivit - "Kamiokande" (Experimentul de degradare a nucleului Kamioka). Dar negăsind nimic, japonezii s-au reorientat rapid către o direcție promițătoare: studiul neutrinilor atmosferici și solari. Am discutat deja de unde vine soarele. Cele atmosferice se nasc în dezintegrarea muonilor și pi-mezonilor din atmosfera Pământului. Și în timp ce ajung pe Pământ, au timp să oscileze.Detectorul a început să culeagă date în 1987. Au fost extrem de norocoși cu datele, dar mai multe despre asta în articolul următor :) Instalația era un butoi uriaș umplut cu cea mai pură apă. Pereții au fost pavați cu fotomultiplicatori. Principala reacție prin care au fost prinși neutrinii a fost scoaterea unui electron din moleculele de apă:
Un electron liber care zboară rapid strălucește albastru închis în apă. Această radiație a fost înregistrată de PMT pe pereți. Ulterior, instalația a fost actualizată la Super-Kamiokande și și-a continuat activitatea.
Experimentul a confirmat deficitul de neutrini solari și la aceasta a adăugat deficitul de neutrini atmosferici.
Experimente cu galiu
Aproape imediat după lansarea lui Kakyokande în 1990, două detectoare de galiu au început să funcționeze. Unul dintre ei era situat în Italia, sub muntele Grand Sasso, în laboratorul cu același nume. Al doilea este în Caucaz, în defileul Baksanului, sub muntele Andyrchi. Satul Neutrino a fost construit special pentru acest laborator din defileu. Metoda în sine a fost propusă de Vadim Kuzmin, inspirat de ideile lui Pontecorvo, încă din 1964.Atunci când interacționează cu neutrinii, galiul este transformat într-un izotop instabil al germaniului, care se descompune înapoi în galiu în medie de 16 zile. Într-o lună se formează câteva zeci de atomi de germaniu, care trebuie extrași cu mare atenție din galiu, plasați într-un mic detector și numărați numărul dezintegrarilor înapoi în galiu. Avantajul experimentelor cu galiu este că pot prinde neutrini cu energie foarte scăzută, care nu sunt disponibili pentru alte instalații.
Toate experimentele de mai sus au arătat că vedem mai puțini neutrini decât era de așteptat, dar acest lucru nu dovedește prezența oscilațiilor. Problema poate fi încă în modelul greșit al Soarelui. Experimentul SNO a pus ultimul și gros punct în problema neutrinilor solari.
Observatorul Sudbury
Canadienii au construit o „stea morții” uriașă în mina Creightton.
O sferă acrilică înconjurată de PMT-uri și umplută cu 1000 de tone de apă grea a fost plasată la o adâncime de doi kilometri. O astfel de apă diferă de apa obișnuită prin aceea că hidrogenul obișnuit cu un proton este înlocuit cu deuteriu - un compus dintr-un proton și un neutron. Deuteriul a jucat un rol cheie în rezolvarea problemelor neutrinilor solari. O astfel de instalație ar putea înregistra atât interacțiunile neutrinilor electronici, cât și interacțiunile tuturor celorlalte tipuri! Neutrinii electronici vor distruge deuteriul odată cu nașterea unui electron, în timp ce toate celelalte tipuri de electroni nu pot da naștere. Dar ei pot „împinge” ușor deuteriul, astfel încât să se destrame în părțile sale componente, iar neutrinoul zboară mai departe.
Un electron rapid, așa cum am discutat deja, strălucește atunci când se mișcă într-un mediu, iar un neutron trebuie capturat de deuteriu destul de repede, emițând un foton. Toate acestea pot fi înregistrate folosind fotomultiplicatori. Fizicienii sunt în sfârșit capabili să măsoare fluxul total de particule de la Soare. Dacă se dovedește că coincide cu așteptările, atunci neutrinii electronici trec în alții, iar dacă este mai puțin decât se aștepta, atunci modelul greșit al Soarelui este de vină.
Experimentul a început să funcționeze în 1999, iar măsurătorile au indicat cu încredere că există o lipsă a componentei electronice.
Permiteți-mi să vă reamintesc că aproape exclusiv neutrinii electronici se pot naște într-o stea. Deci restul s-a dovedit în procesul de oscilații! Arthur Macdonald (SNO) și Kajita-san (Kamiokande) au primit Premiul Nobel 2015 pentru aceste lucrări.
Aproape imediat, la începutul anilor 2000, alte experimente au început să studieze oscilațiile. Acest efect a fost observat și pentru neutrinii artificiali. Experimentul japonez KamLAND, situat în același loc, în Kamioka, a observat deja în 2002 oscilații ale antineutrinilor electronici din reactor. Iar al doilea, tot japonez, experiment K2K a înregistrat pentru prima dată o schimbare a tipului de neutrini creați cu ajutorul acceleratorului. Celebrul Super-Kamiokande a fost folosit ca detector de departe.
Acum tot mai multe instalații investighează acest efect. Se construiesc detectoare pe lacul Baikal, în Marea Mediterană, la Polul Sud. Au existat și instalații în apropierea Polului Nord. Toți prind neutrini de origine cosmică. Experimentele cu accelerator și reactor sunt în funcțiune. Parametrii oscilațiilor în sine sunt perfecționați și se încearcă să se afle ceva despre mărimea maselor de neutrini. Există indicii că tocmai cu ajutorul acestui efect poate fi explicată predominanța materiei asupra antimateriei în Universul nostru!
Sub spoiler, o mică notă pentru cei mai grijulii.
Premiul din 2015 a fost acordat cu formularea „pentru descoperirea oscilațiilor neutrinilor, arătând că au masă”. În cercul fizicienilor, o astfel de afirmație a provocat o oarecare confuzie. Când măsuram neutrinii solari (experimentul SNO), suntem insensibili la diferențele de masă. În general, masa poate fi zero, dar oscilațiile vor rămâne. Acest comportament se explică prin interacțiunea neutrinilor cu materia Soarelui (efectul Mikheev-Smirnov-Wolfenstein). Adică există oscilații ale neutrinilor solari, descoperirea lor este o descoperire fundamentală, dar acest lucru nu a indicat niciodată prezența masei. De fapt, comitetul Nobel a emis premiul cu o formulare greșită.
Tocmai în vid, oscilațiile se manifestă pentru experimentele atmosferice, reactoare și acceleratoare. Adaugă etichete
Neutrinii - la fel ca quarcurile de tip leptoni încărcați (electron, muon, tau), de tip up (sus, farmec, adevărat) și de tip down (jos, ciudat, farmec) - vin în trei tipuri. Dar ele pot fi împărțite în tipuri în moduri diferite. În același timp, datorită naturii cuantice a lumii noastre, doar unul dintre ele poate fi folosit la un moment dat. În acest articol, voi explica de ce se întâmplă acest lucru și cum rezultă din acest fapt un fapt atât de interesant și important din punct de vedere științific precum oscilațiile neutrinilor.
Puteți crede că fiecare particulă are o anumită masă - de exemplu, energia masei electronilor este (E = mc 2) 0,000511 GeV - și dintr-un punct de vedere posibil, cele trei tipuri de neutrini nu sunt excepții. Putem clasifica cei trei neutrini după masele lor (care nu sunt încă cunoscute exact) și îi putem numi, de la cel mai ușor la cel mai greu, neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3. Vom numi o astfel de diviziune clasificare a masei și astfel de tipuri de neutrini - tipuri de masă.
Orez. unu
Un alt mod de a clasifica neutrinii este prin asocierea lor cu leptonii încărcați (electron, muon și tau). Acest lucru este menționat într-un articol despre cum ar arăta particulele dacă câmpul Higgs ar fi zero. Cel mai bun mod de a înțelege acest lucru este să vă concentrați asupra modului în care neutrinii sunt afectați de forța nucleară slabă, care se reflectă în interacțiunile lor cu particula W. Particula W este foarte grea și, dacă o faceți, se poate descompune (Fig. 1) într-unul dintre cei trei antileptoni încărcați și unul dintre cei trei neutrini. Dacă W se descompune în antitau, atunci va apărea un neutrin tau. În mod similar, dacă W se descompune într-un antimuon, va apărea un neutrin muon. (Critic pentru crearea fasciculului de neutrini, pionul se descompune prin interacțiuni slabe, iar pionii încărcați pozitiv produc un neutrin antimuon și un neutrin muon.) Și dacă W se descompune într-un pozitron, va apărea un neutrin electronic. Să-i spunem o clasificare slabă, iar acești neutrini sunt neutrini de tip slab, deoarece sunt determinați de interacțiunea slabă.
Ei bine, care este problema aici? Folosim în mod constant clasificări diferite atunci când le aplicăm oamenilor. Vorbim despre faptul că oamenii sunt tineri, adulți și bătrâni; sunt înalți, de înălțime medie și scunzi. Dar oamenii pot fi împărțiți în continuare după bunul plac, de exemplu, în nouă categorii: tineri și înalți, tineri și înălțime medie, adulți și scunzi, bătrâni și scunzi și așa mai departe. Dar mecanica cuantică ne interzice să facem același lucru cu clasificările neutrinilor. Nu există neutrini care să fie atât neutrini muoni cât și neutrini-1; nu există tau-neutrino-3. Dacă vă spun masa neutrinului (și, prin urmare, dacă aparține grupului neutrin-1, 2 sau 3), pur și simplu nu vă pot spune dacă este un electron, muon sau neutrin tau. Un neutrin de un anumit tip de masă este un amestec sau „suprapunere” a trei neutrini de tip slab. Fiecare neutrin de tip masă - neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3 - este un amestec exact, dar distinct de neutrini de electroni, muoni și tau.
Este adevărat și invers. Dacă văd dezintegrarea unui pion într-un antimuon și un neutrin, știu imediat că neutrinul rezultat va fi un neutrin muon - dar nu voi putea să-i cunosc masa, deoarece va fi un amestec de neutrin-1, neutrin. -2 și neutrino-3. Neutrinul electronic și neutrinul tau sunt, de asemenea, amestecuri exacte, dar diferite, de trei neutrini de anumite mase.
Relația dintre aceste tipuri masive și slabe este mai degrabă (dar nu exact aceeași cu) relația dintre clasificările autostrăzilor americane ca „nord-sud” și „vest-est” (guvernul SUA le împarte în acest fel, atribuirea numerelor impare C/Sud și chiar drumurilor simple Z/E) și împărțirea lor în drumuri care merg de la „nord-est la sud-vest” și de la „sud-est la nord-vest”. Există avantaje în folosirea oricărei clasificări: clasificarea N/S-V/E este adecvată dacă vă concentrați pe latitudine și longitudine, în timp ce clasificarea NE/SW-SE/NW este mai convenabilă în apropierea coastei, deoarece merge de la sud-vest la nord-est. Est. Dar ambele clasificări nu pot fi folosite în același timp. Drumul care merge spre nord-est este parțial nord și parțial est; Nu poți spune că e asta sau asta. Și drumul de nord este un amestec de nord-est și nord-vest. Așa este și cu neutrinii: neutrinii de tip masă sunt un amestec de neutrini de tip slab, iar neutrinii de tip slab sunt un amestec de neutrini de tip masă. (Analogia se descompune dacă decideți să utilizați clasificarea îmbunătățită a drumurilor N/S - NE/SW - E/V - SE/NW; nu există o astfel de opțiune pentru neutrini.)
Incapacitatea de a clasifica neutrinii atribuindu-le unui anumit tip de masă și unui anumit tip slab este un exemplu al principiului incertitudinii, care este similar cu ciudățenia că este interzis să se cunoască poziția exactă și viteza exactă a unei particule în același timp. timp. Dacă cunoști exact una dintre aceste proprietăți, habar n-ai despre cealaltă. Sau puteți afla ceva despre ambele proprietăți, dar nu despre toate. Mecanica cuantică vă spune exact cum să vă echilibrați cunoașterea și neștiința. Apropo, aceste probleme nu se aplică numai neutrinilor. Ele sunt, de asemenea, asociate cu alte particule, dar sunt deosebit de importante în contextul comportamentului neutrinilor.
Cu câteva decenii în urmă, lucrurile erau mai ușoare. Apoi s-a crezut că neutrinii nu au masă, așa că a fost suficient să folosim o clasificare slabă. Dacă te uiți în ziare vechi sau în cărți vechi pentru oameni obișnuiți, vei vedea doar nume precum neutrinul electronic, neutrinul muon și neutrinul tau. Cu toate acestea, după descoperirile din anii 1990, acest lucru nu mai este suficient.
Și acum începe distracția. Să presupunem că aveți un neutrin de tip electron de mare energie, adică un anumit amestec de neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3. Neutrinul se mișcă prin spațiu, dar cele trei tipuri diferite de masă ale sale se mișcă la viteze ușor diferite, foarte aproape de viteza luminii. De ce? Deoarece viteza unui obiect depinde de energia și masa sa, iar trei tipuri de masă au trei mase diferite. Diferența dintre vitezele lor este extrem de mică pentru orice neutrin pe care îl putem măsura - nu a fost niciodată observat - dar influența sa este surprinzător de puternică!
Diferența de viteză a neutrinului - câteva formule
Viteza particulelor v din teoria relativității a lui Einstein poate fi scrisă în termeni de masă a particulei m și energie E (aceasta este energia totală, adică energia mișcării plus energia masei E=mc 2) și viteza luminii c, la fel de:
Dacă particula are o viteză foarte mare și energia sa totală E este mult mai mare decât energia masei mc 2, atunci
Amintiți-vă că 1/2 înălțat înseamnă „luați rădăcina pătrată”. Dacă particula are o viteză foarte mare și energia sa totală E este mult, mult mai mare decât masa-energia sa mc2, atunci
Unde punctele ne amintesc că această formulă nu este o aproximare exactă, ci o bună aproximare a unui E mare. Cu alte cuvinte, viteza unei particule care se mișcă aproape cu viteza luminii diferă de viteza luminii cu o sumă egală cu jumătate. pătratul raportului dintre energia masei particulei și energia sa totală. Din această formulă se poate observa că dacă doi neutrini au mase diferite m 1 și m 2, dar aceeași energie mare E, atunci vitezele lor diferă foarte puțin.
Să vedem ce înseamnă asta. Toți neutrinii măsurați dintr-o supernova care a explodat în 1987 au ajuns pe Pământ într-un interval de 10 secunde. Să presupunem că un neutrin electronic a fost emis de o supernovă cu o energie de 10 MeV. Acest neutrin a fost un amestec de neutrin 1, neutrin 2 și neutrin 3, fiecare mișcându-se la viteze ușor diferite! Am observa asta? Nu știm exact masele neutrinului, dar să presupunem că energia de masă a neutrinului-2 este de 0,01 eV, iar cea a neutrinului-1 energia de masă este de 0,001 eV. Atunci cele două viteze ale lor, având în vedere că energiile lor sunt egale, vor diferi de viteza luminii și una de cealaltă cu mai puțin de o parte dintr-o sută de mii de trilioane:
(eroarea tuturor ecuațiilor nu depășește 1%). O astfel de diferență de viteză înseamnă că părți din neutrino-2 și neutrino-1 ale neutrinului electronic original ar fi ajuns pe Pământ cu o diferență de o milisecundă - o astfel de diferență nu poate fi detectată din multe motive tehnice.
Și acum de la interesante trecem la lucrurile cu adevărat ciudate.
Această mică diferență de viteză face ca amestecul precis de neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3 care formează neutrinul electron să se schimbe treptat pe măsură ce se deplasează prin spațiu. Aceasta înseamnă că neutrinul electronic cu care am început încetează să mai fie el însuși și corespunde unui amestec specific de neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3 de-a lungul timpului. Diferitele mase de neutrini de trei tipuri de masă transformă neutrinul electronic inițial în procesul de mutare într-un amestec de neutrin electronic, neutrin muon și neutrin tau. Procentele amestecului depind de diferența de viteze, și deci de energia neutrinului inițial, precum și de diferența de mase (mai precis, de diferența de mase pătrate) a neutrinului.
Orez. 2
În primul rând, efectul este crescut. Dar, interesant, așa cum se arată în fig. 2, acest efect nu este doar în creștere constantă. Crește, iar apoi scade din nou, apoi crește din nou, scade din nou, din nou și din nou, pe măsură ce neutrinul se mișcă. Aceasta se numește oscilații de neutrini. Modul exact în care apar depinde de ce mase au neutrinii și de modul în care neutrinii de masă și neutrinii slabi sunt amestecați acolo.
Efectul oscilațiilor poate fi măsurat datorită faptului că un neutrin de electroni într-o coliziune cu un nucleu (și anume, așa poate fi detectat un neutrin) se poate transforma într-un electron, dar nu într-un muon sau tau, în timp ce un muon electrino se poate transforma într-un muon, dar nu într-un electron sau tau. Deci, dacă am început cu un fascicul de neutrini muoni și, după ce ne-am deplasat pe o anumită distanță, unii neutrini s-au ciocnit de nuclee și s-au transformat în electroni, asta înseamnă că în fascicul au loc oscilații, iar neutrinii muoni se transformă în neutrini de electroni.
Un efect foarte important complică și îmbogățește această poveste. Deoarece materia obișnuită este formată din electroni, dar nu din muoni și tau, neutrinii de electroni interacționează cu ea într-un mod diferit decât muonii sau tau. Aceste interacțiuni, care apar prin interacțiunea slabă, sunt extrem de mici. Dar dacă neutrinul trece printr-o grosime mare de materie (să zicem, printr-o fracțiune considerabilă a Pământului sau a Soarelui), aceste mici efecte se pot acumula și pot afecta foarte mult oscilațiile. Din fericire, știm destule despre interacțiunea nucleară slabă pentru a prezice aceste efecte în detaliu și pentru a calcula întregul lanț înapoi, de la măsurători în experiment până la elucidarea proprietăților neutrinilor.
Toate acestea se fac folosind mecanica cuantică. Dacă acest lucru nu este intuitiv pentru tine, relaxează-te; Nici pentru mine nu este intuitiv. Toată intuiția disponibilă am obținut-o din ecuații.
Se dovedește că măsurarea cu atenție a oscilațiilor neutrinilor este cea mai rapidă modalitate de a studia proprietățile neutrinilor! Premiul Nobel a fost deja acordat pentru această lucrare. Toată această poveste a apărut din interacțiunea clasică dintre experiment și teorie, care se întinde din anii 1960 până în prezent. Voi menționa cea mai importantă dintre măsurătorile efectuate.
Pentru început, putem studia neutrinii de electroni produși în centrul Soarelui, în cuptorul său nuclear bine studiat. Acești neutrini călătoresc prin Soare și prin spațiul gol către Pământ. S-a descoperit că atunci când ajung pe Pământ sunt la fel de probabil să fie de tip muon sau tau, precum sunt de tip neutrino electronic. Aceasta în sine este o dovadă a oscilației neutrinilor, iar distribuția exactă ne oferă informații detaliate despre neutrini.
Avem și neutrini muoni, produși prin dezintegrarea pionilor produși în razele cosmice. Razele cosmice sunt particule de înaltă energie care vin din spațiu și se ciocnesc cu nucleele atomice din atmosfera superioară. Cascadele de particule rezultate conțin adesea pioni, mulți dintre care se descompun în neutrini și antimuoni muoni sau în antineutrini și muoni muoni. Detectăm unii dintre acești neutrini (și antineutrini) în detectoarele noastre și putem măsura cât de mult dintre aceștia aparțin neutrinilor electronici (și antineutrinii) în funcție de cât de mult din Pământ au trecut înainte de a ajunge la detector. Acest lucru ne oferă din nou informații importante despre comportamentul neutrinilor.
Acești neutrini „solari” și „atmosferici” ne-au învățat multe despre proprietățile neutrinilor în ultimii douăzeci de ani (și primul indiciu despre ceva interesant sa întâmplat acum aproape 50 de ani). Iar acestor surse naturale de energie se adaugă diverse studii efectuate cu ajutorul fasciculelor de neutrini, precum cele folosite în experimentul OPERA, precum și cu ajutorul neutrinilor din reactoare nucleare convenționale. Fiecare dintre măsurători este de acord în cea mai mare parte cu interpretarea standard a neutrinilor solari și atmosferici și permite măsurători mai precise ale amestecurilor de tipuri de masă și tipuri slabe de neutrini și diferențe în masele de tip masă pătrată de neutrini.
După cum era de așteptat, există mici discrepanțe în experimentele cu așteptările teoretice, dar niciuna dintre ele nu a fost confirmată și majoritatea, dacă nu toate, sunt doar accidente statistice sau probleme la nivel experimental. Până acum, nici o contradicție cu înțelegerea neutrinilor și a comportamentului lor nu a fost confirmată în mai multe experimente. Pe de altă parte, toată această imagine este destul de nouă și prost testată, așa că este foarte posibil, deși puțin probabil, să existe interpretări complet diferite ale acesteia. Într-adevăr, au fost deja propuse alternative destul de serioase. Așadar, perfecționarea detaliilor proprietăților neutrinilor este o zonă de cercetare în evoluție rapidă în care apare în cea mai mare parte acordul, dar unele întrebări rămân deschise - inclusiv o determinare completă și irevocabilă a maselor neutrinilor.
Marți, 6 octombrie, s-a știut că japonezul Takaaki Kajita și canadianul Arthur MacDonald au devenit câștigătorii Premiului Nobel pentru Fizică 2015 pentru descoperirea oscilațiilor neutrinilor.
Acesta este al patrulea „Nobel” în fizică, care este premiat pentru munca în studiul acestor particule misterioase. Care este misterul neutrinilor, de ce sunt atât de greu de detectat și care sunt oscilațiile neutrinilor, vom spune în acest articol într-un limbaj simplu și accesibil.
Nașterea unui neutron
La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicianul francez Henri Becquerel, studiind modul în care sunt legate luminiscența și razele X, a descoperit accidental radioactivitatea. S-a dovedit că una dintre sărurile de uraniu în sine emite radiații invizibile și misterioase, care nu sunt raze X. Apoi s-a dovedit că radioactivitatea este inerentă uraniului, și nu compușilor în care acesta intră, după care a fost descoperită radioactivitatea altor elemente, precum toriu, radiu și așa mai departe.
Câțiva ani mai târziu, fizicianul britanic Ernest Rutherford a decis să treacă radiația radioactivă încă neexplorată printr-un câmp magnetic și a descoperit că poate fi împărțită în trei părți. Unele raze au fost deviate într-un câmp magnetic în același mod ca și cum ar fi fost compuse din particule încărcate pozitiv, altele ca și cum ar fi fost compuse din unele negative, iar altele nu au fost deloc deviate.
Ca urmare, s-a decis să se numească primele raze alfa, pe cele din urmă raze beta și pe a treia raze gamma. Ulterior, s-a dovedit că razele gamma sunt radiații electromagnetice de înaltă frecvență (sau un flux de fotoni de înaltă energie), razele alfa sunt un flux de nuclee de atomi de heliu, adică particule formate din doi protoni și doi neutroni și razele beta sunt un flux de electroni, deși există și raze beta de pozitroni (acest lucru depinde de tipul dezintegrarii beta).
Dacă măsurăm energia particulelor alfa și a particulelor gamma care rezultă din tipul corespunzător de dezintegrare radioactivă, se dovedește că poate lua doar câteva valori discrete. Acest lucru este de acord cu legile mecanicii cuantice. Cu toate acestea, situația a fost diferită cu electronii emiși în timpul dezintegrarii beta - spectrul lor de energie era continuu. Cu alte cuvinte, un electron ar putea transporta absolut orice energie, limitată doar de tipul de izotop în descompunere. Mai mult, în majoritatea cazurilor s-a dovedit că energia electronilor a fost mai mică decât cea prezisă de teorie. În plus, energia nucleului formată după dezintegrarea radioactivă s-a dovedit a fi, de asemenea, mai mică decât se prevedea.
S-a dovedit că în timpul decăderii beta, energia a dispărut literalmente, încălcând un principiu fizic fundamental - legea conservării energiei. Unii oameni de știință, inclusiv Niels Bohr însuși, erau deja gata să admită că legea poate să nu funcționeze în microcosmos, dar fizicianul german Wolfgang Pauli a propus să rezolve această problemă într-un mod simplu și destul de riscant - să presupunem că energia lipsă este transportată. departe de o particulă, care nu are sarcină electrică, interacționează extrem de slab cu materia și, prin urmare, nu a fost încă descoperită.
Câțiva ani mai târziu, această ipoteză a fost adoptată de fizicianul italian Enrico Fermi pentru a explica teoretic dezintegrarea beta. Până atunci, neutronul fusese deja descoperit, iar fizicienii știau că nucleul atomic nu este format doar din protoni. Se știa că protonii și neutronii din nucleu sunt ținuți de așa-numita interacțiune puternică. Cu toate acestea, încă nu era clar de ce, în timpul dezintegrarii beta, nucleul emite un electron, care, în principiu, nu există.
Fermi a sugerat că dezintegrarea beta este similară cu emisia unui foton de către un atom excitat, iar electronul apare în nucleu tocmai în procesul de dezintegrare. Unul dintre neutronii din nucleu se descompune în trei particule: un proton, un electron și aceeași particulă invizibilă prezisă de Pauli, pe care Fermi a numit-o în italiană „neutrin”, adică „neutron”, sau un neutron mic. La fel ca neutronul, neutrinul nu are sarcină electrică și nici nu participă la forța nucleară puternică.
Teoria lui Fermi s-a dovedit a fi de succes. S-a descoperit că o altă interacțiune necunoscută până acum, nuclearul slab, este responsabilă pentru dezintegrarea beta. Aceasta este însăși interacțiunea la care, pe lângă gravitaționale, participă și neutrinii. Dar datorită faptului că intensitatea și raza acestei interacțiuni este foarte mică, neutrinoul rămâne în mare parte invizibil pentru materie.
Ne putem imagina un neutrin de energie nu prea mare, care zboară printr-o foaie de fier. Pentru ca această particulă să fie cu o probabilitate de sută la sută întârziată de foaie, grosimea ei ar trebui să fie de aproximativ 10 ^ 15 kilometri. Pentru comparație: distanța dintre Soare și centrul galaxiei noastre este cu doar un ordin de mărime mai mare - aproximativ 10 16 kilometri.
Această evazivă a neutrinului complică foarte mult observarea acestuia în practică. Prin urmare, existența neutrinilor a fost confirmată experimental la numai 20 de ani de la predicția teoretică - în 1953.
Trei generații de neutrini
Dezintegrarea beta poate avea loc în două moduri: cu emisia unui electron sau a unui pozitron. Un antineutrin este întotdeauna emis împreună cu un electron, iar un neutrin este întotdeauna emis împreună cu un pozitron. La mijlocul secolului al XX-lea, fizicienii s-au confruntat cu întrebarea: există vreo diferență între neutrini și antineutrini? De exemplu, un foton este propria sa antiparticulă. Dar electronul nu este deloc identic cu antiparticula sa - pozitronul.
Identitatea neutrinului și antineutrinului a fost indicată de absența unei sarcini electrice pe particule. Cu toate acestea, cu ajutorul unor experimente atente, s-a putut afla că neutrinii și antineutrinii sunt încă diferiți. Apoi, pentru a distinge particulele, a fost necesar să se introducă propriul lor semn de încărcare - numărul lepton. Prin acordul oamenilor de știință, leptonilor (particule care nu participă la o interacțiune puternică), care includ electroni cu neutrini, li se atribuie un număr lepton +1. Și antileptonilor, printre care există antineutrini, li se atribuie numărul -1. În acest caz, numărul leptonilor trebuie întotdeauna conservat - asta explică faptul că neutrinul apare întotdeauna numai în pereche cu un pozitron, iar antineutrinul - cu un electron. Ele par să se echilibreze reciproc, lăsând neschimbată suma numerelor de leptoni ale fiecărei particule din întregul sistem.
La mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a cunoscut un adevărat boom - oamenii de știință au descoperit noi particule una după alta. S-a dovedit că există mai mulți leptoni decât se credea - pe lângă electron și neutrin, a fost descoperit muonul (electronul greu), precum și neutrinul muon. Ulterior, oamenii de știință au descoperit o a treia generație de leptoni - chiar mai grele tau lepton și tau neutrino. A devenit clar că toți leptonii și quarcii formează trei generații de fermioni fundamentali (particule cu spin semiîntreg care alcătuiesc materia).
Pentru a distinge între trei generații de leptoni, a trebuit să fie introdusă așa-numita încărcătură de lepton de aromă. Fiecare dintre cele trei generații de leptoni (electron și neutrin, muon și muon neutrin, tau lepton și tau neutrin) are propria sa sarcină de lepton cu aromă, iar suma sarcinilor este numărul total de leptoni al sistemului. Multă vreme s-a crezut că încărcarea leptonului trebuie să fie întotdeauna conservată. S-a dovedit că acest lucru nu se întâmplă în cazul neutrinilor.
Neutrini din dreapta și din stânga
Fiecare particulă elementară are o caracteristică mecanică cuantică precum spinul. Spinul poate fi reprezentat ca cantitatea de mișcare de rotație a unei particule, deși această descriere este foarte arbitrară. Spinul poate fi direcționat într-o direcție relativă la impulsul particulei - paralel cu ea sau perpendicular pe ea. În al doilea caz, se obișnuiește să se vorbească despre polarizarea transversală a particulei, în primul caz, despre cea longitudinală. Cu polarizarea longitudinală, se disting și două stări: când spinul este direcționat împreună cu impulsul și când este îndreptat opus acestuia. În primul caz, se spune că particula are o polarizare de dreapta, în al doilea, una de stânga.
Multă vreme în fizică, legea conservării parității a fost considerată indiscutabilă, care spune că simetria strictă a oglinzii trebuie respectată în natură, iar particulele cu polarizarea dreaptă trebuie să fie complet echivalente cu particulele cu stânga. Conform acestei legi, în orice fascicul de neutrini s-ar putea găsi același număr de particule de dreapta și de stânga.
Nu a existat o limită pentru surpriza oamenilor de știință când s-a dovedit că legea parității nu este respectată pentru neutrini - în natură nu există neutrini dreptaci și antineutrini stângaci. Toți neutrinii sunt stângaci, iar antineutrinii sunt dreptaci. Aceasta este o dovadă a faptului uimitor că interacțiunea nucleară slabă responsabilă pentru dezintegrarea beta, în care se nasc neutrini, este chirală - legile ei se schimbă la reflectarea în oglindă (am scris deja despre aceasta în detaliu separat).
Din punctul de vedere al fizicii particulelor elementare la mijlocul secolului XX, situația cu polarizare strictă a indicat că neutrinul este o particulă fără masă, deoarece altfel ar fi fost necesar să admitem că legea conservării sarcinii leptonului nu era observat. Pe baza acestui fapt, pentru o lungă perioadă de timp s-a crezut că neutrinoul într-adevăr nu are masă. Dar astăzi știm că nu este cazul.
Masa evazivă
Neutrinii în număr mare mătură prin grosimea Pământului și chiar prin corpul nostru. Ele se nasc în reacții termonucleare în Soare și alte stele, în atmosferă, în reactoare nucleare, chiar și în interiorul nostru, ca urmare a dezintegrarii radioactive a anumitor izotopi. Neutrinii relicve, născuți după Big Bang, încă zboară prin Univers. Dar interacțiunea lor extrem de slabă cu materia determină să nu le observăm deloc.
Cu toate acestea, de-a lungul anilor de studiu a neutrinilor, fizicienii au învățat cum să-i înregistreze folosind metode viclene. Și când au observat fluxul de neutrini născuți pe Soare, oamenii de știință au descoperit un fapt ciudat - luminarii acestor particule ajung de aproximativ trei ori mai puțin decât prezice teoria. Aici este necesar să clarificăm că vorbim despre exact un tip de neutrini - neutrini electronici.
Pentru a explica acest fapt, ei au încercat să implice diverse ipoteze despre structura internă a Soarelui, care este capabilă să întârzie neutrinii dispăruți, dar aceste încercări nu au avut succes. A rămas o singură explicație teoretică pentru fapt - pe drumul de la Soare la Pământ, particulele se transformă dintr-un tip de neutrin în altul. O particulă născută ca neutrin electronic experimentează oscilații pe drum, cu o anumită periodicitate manifestându-se ca un neutrin muon sau tau. Prin urmare, nu numai neutrinii de electroni, ci și neutrinii muoni și tau ajung pe Pământ de la Soare. Ipoteza oscilațiilor neutrinilor a fost propusă în 1957 de către fizicianul sovieto-italian Bruno Pontecorvo. Astfel de transformări ale neutrinilor de la un tip la altul au presupus o condiție necesară - prezența masei în neutrini. Toate experimentele efectuate cu neutrini au arătat că masa acestei particule este neglijabil de mică, dar nu a fost obținută nicio dovadă riguroasă că este egală cu zero. Aceasta înseamnă că posibilitatea oscilațiilor neutrinilor a rămas cu adevărat.
Descoperirea oscilațiilor
Existența oscilațiilor neutrinilor a fost confirmată de observațiile neutrinilor solari și atmosferici la instalația experimentală Superkamiokande din Japonia și la Observatorul de neutrini din Sudbury din Canada.
Japonezii au construit o structură impresionantă pentru a înregistra neutrini - un rezervor imens (40 pe 40 de metri) din oțel inoxidabil, umplut cu 50 de mii de tone de apă pură. Rezervorul era înconjurat de peste 11 mii de fotomultiplicatori, care ar fi trebuit să înregistreze cele mai mici fulgerări ale radiației Cherenkov, născute atunci când electronii sunt scoși din atomi de un fel de neutrin. Având în vedere că neutrinii interacționează extrem de slab cu materia, doar câteva dintre miliardele de particule care zboară prin rezervor sunt înregistrate. Având în vedere și faptul că cercetătorii trebuie să filtreze aceste evenimente dintr-un fundal mare (la urma urmei, o mulțime de particule complet diferite zboară printr-un rezervor imens), au făcut o treabă colosală.
Detectorul japonez a reușit să facă distincția între neutrinii electroni și muonii prin natura radiațiilor pe care le provoacă. În plus, oamenii de știință știau că majoritatea neutrinilor muoni sunt produși în atmosferă atunci când particulele de aer se ciocnesc cu razele cosmice. Datorită acestui fapt, ei au descoperit următorul model: cu cât fasciculele de neutrini parcurg distanțe mai lungi, cu atât mai puțini neutrini muoni dintre ei. Aceasta a însemnat că, pe parcurs, unii dintre neutrinii muoni s-au transformat în alți neutrini.
Dovada finală a existenței oscilațiilor neutrinilor a fost obținută în 1993 într-un experiment la Sudbury. De fapt, instalația canadiană a fost similară cu cea japoneză - un rezervor uriaș și nu mai puțin impresionant de apă subteran și mulți detectoare de radiații Cherenkov. Cu toate acestea, a fost deja capabil să distingă între toate cele trei tipuri de neutrini: neutrini electroni, muoni și tau. Ca urmare, s-a constatat că numărul total de neutrini care sosesc de la Soare nu se modifică și este în bună concordanță cu teoria, iar lipsa neutrinilor electronici este cauzată tocmai de oscilația acestora. În plus, conform datelor statistice, neutrinii experimentează oscilații într-o măsură mai mare la trecerea prin materie decât prin vid, deoarece un număr mai mare de neutrini electronici au ajuns la detector în timpul zilei decât noaptea, când particulele născute pe Soare trebuiau să depășească întreaga grosime a Pământului.
Conform ideilor de astăzi, oscilațiile neutrinilor sunt dovezi că aceste particule au masă, deși valoarea exactă a masei este încă necunoscută. Fizicienii cunosc doar limita sa superioară - un neutrin este de cel puțin o mie de ori mai ușor decât un electron. Aflarea masei exacte a neutrinului este următoarea mare sarcină pentru fizicienii care lucrează în această direcție și este posibil ca următorul „Nobel” pentru neutrin să fie acordat tocmai pentru această realizare.
Teoria prezice existența unei legi a modificării periodice a probabilității de detectare a unei particule de un anumit tip, în funcție de timpul scurs de la crearea particulei.
Ideea oscilațiilor neutrinilor a fost prezentată pentru prima dată de fizicianul sovietic-italian B. M. Pontecorvo în 1957.
Prezența oscilațiilor neutrinilor este importantă pentru rezolvarea problemei neutrinilor solari.
Oscilații în vid
Se presupune că astfel de transformări sunt o consecință a prezenței masei în neutrini sau (în cazul transformărilor neutrino↔antineutrino) neconservării sarcinii leptonilor la energii mari.
Vezi si
- Pontecorvo Matrix - Maki - Nakagawa - Sakata
- Oscilații ale kaonilor neutri
- Oscilațiile mezonilor B
Note
Literatură
- Yu. G. Kudenko, „Investigarea oscilațiilor neutrinilor în experimentele cu accelerator de bază lungă”, Advances in Physical Sciences, voi. 6, 2011.
- S. M. Bilenky, „Mase, amestecare și oscilații de neutrini”, Uspekhi Fizicheskikh Nauk 173 1171-1186 (2003)
Fundația Wikimedia. 2010 .
Vedeți ce sunt „oscilațiile neutrinilor” în alte dicționare:
Oscilații neutrino ale transformării unui neutrin (electron, muon sau taon) într-un neutrin de alt tip (generație) sau într-un antineutrin. Teoria prezice existența unei legi a modificării periodice a probabilității de detectare a unei particule ...... Wikipedia
- (v), o particulă ușoară (posibil fără masă) neutră din punct de vedere electric cu spin 1/2 (în unități de ћ), participând numai la cele slabe și gravitaționale. efecte. N. aparţine clasei leptonilor, iar statistic. sfânt pentru tine yavl. fermion. Se cunosc trei tipuri de N.: ... ... Enciclopedie fizică
Teoria oscilațiilor neutrinilor a apărut ca o posibilă soluție la deficitul de neutrini solari. Esența problemei a fost că în soare, în conformitate cu modelul standard, neutrinii apar în principal ca urmare a reacției ciclului proton-proton:
p + p 2 H + e + + e + 0,42 MeV
(Probabilitatea relativă a unei astfel de reacții este de 99,75%)
Principala sursă de neutrini de înaltă energie de pe Soare este dezintegrarea izotopilor 8 B, care apar în reacția 7 Be (p,) 8 B (o ramură rară a ciclului proton - proton):
13 N 13 C + e + + e + 1,20 MeV
15 O 15 N + e + + e + 1,73 MeV
În prezent, există patru serii de date experimentale privind înregistrarea diferitelor grupuri de neutrini solari. Experimentele radiochimice bazate pe reacția 37 Cl + e 37 Ar + e - au fost efectuate timp de 30 de ani. Conform teoriei, neutrinii din dezintegrarea de 8 V ar trebui să aducă principala contribuție la această reacție. Studiile privind înregistrarea directă a neutrinilor din dezintegrarea de 8 V cu măsurarea energiei și direcției mișcării neutrinilor au fost efectuate în experimentul KAMIOKANDE încă de când 1987. Experimentele radiochimice privind reacția 71 Ga + e 71 Ge + e - au fost efectuate în ultimii cinci ani de două grupuri de oameni de știință din mai multe țări. O caracteristică importantă a acestei reacții este sensibilitatea ei în principal la prima reacție a ciclului proton-proton p + p 2 D + e + + e . Viteza acestei reacții determină viteza de eliberare a energiei în cuptorul de fuziune solară în timp real. În toate experimentele, există un deficit în fluxurile de neutrini solari în comparație cu predicțiile Modelului Solar Standard.
O posibilă soluție la problema deficienței neutrinilor solari este oscilațiile neutrinilor - transformarea neutrinilor de electroni în neutrini muoni și tau.
Primul lucru la care trebuie să acordați atenție atunci când discutăm despre proprietățile neutrinilor este existența diferitelor soiuri ale acestora.
După cum știți, în prezent putem vorbi cu siguranță despre trei astfel de soiuri:
ν e , ν μ , ν τ și, în consecință, antineutrinii acestora. Un neutrin de electroni, atunci când este schimbat cu un boson W încărcat, se transformă într-un electron, iar un neutrin muon se transformă într-un muon (ν τ produce un lepton tau). Această proprietate a făcut posibil la un moment dat să se stabilească diferența în natura neutrinilor electroni și muoni. Și anume, fasciculele de neutrini formate la acceleratori constau în principal din produși de dezintegrare ai mezonilor π încărcați:
π + μ + + ν
π − μ − + ν
Dacă neutrinii nu fac distincție între tipurile de leptoni, atunci neutrinii obținuți în acest fel vor produce electroni și muoni cu probabilitate egală atunci când interacționează cu nucleele materiei. Dacă fiecare lepton are propriul său tip de neutrin, atunci numai tipurile sale de muoni sunt generate în dezintegrarea pionilor. Apoi fasciculul de neutrini de la accelerator va produce mai degrabă muoni decât electroni în marea majoritate a cazurilor. Este acest fenomen care a fost înregistrat în experiment.
După clarificarea faptului despre diferența dintre tipurile de neutrini, a apărut întrebarea: cât de adâncă este această diferență? Dacă ne întoarcem la analogia cu quarcurile, atunci ar trebui să acordăm atenție faptului că interacțiunile electroslabe nu păstrează tipul (aroma) quarcilor. De exemplu, este posibil următorul lanț de tranziții:
ceea ce duce la amestecarea stărilor care diferă doar prin stranietate, de exemplu, K mesoni neutri K 0 și K 0 . Se pot amesteca diferite tipuri de neutrini în același mod? Pentru a răspunde la această întrebare, este important să știm care sunt masele de neutrini. Din observații știm că neutrinii au mase foarte mici, mult mai mici decât masele leptonilor corespunzători. Deci, pentru masa unui neutrin electronic, avem o limitare
pe mine)< 5.1 эВ, |
în timp ce masa electronului este de 0,51099906 ± 0,00000015 MeV
În marea majoritate a cazurilor, putem presupune că masele tuturor celor trei neutrini sunt zero. Dacă sunt exact zero, este imposibil de observat efectele posibilei amestecări a diferitelor tipuri de neutrini. Numai dacă neutrinii au mase diferite de zero amestecul capătă sens fizic. Observăm că nu suntem conștienți de niciun motiv fundamental care să conducă la egalitatea strictă la zero a maselor de neutrini. Astfel, întrebarea dacă există o amestecare a diferiților neutrini este o problemă care ar trebui rezolvată prin metode fizice, în primul rând experimentale. Pentru prima dată, B.M. Pontecorvo.
Amestecarea stărilor de neutrini
Luați în considerare problema a două tipuri de neutrini: e , ν μ ,. Pentru efectele de amestecare, luați în considerare modul în care statele evoluează în timp. Evoluția în timp este determinată de ecuația Schrödinger
Din acest moment, folosim sistemul de unități h = c = 1, care este de obicei folosit în fizica particulelor. Acest sistem este convenabil deoarece are o singură cantitate dimensională, de exemplu, energie. Momentul și masa au acum aceleași dimensiuni ca și energia, în timp ce coordonata x și timpul t au dimensiunea energiei reciproce. Aplicând această relație la cazul neutrinilor pe care îl luăm în considerare, când masele lor sunt mult mai mici decât impulsul, obținem în loc de (2):
Pe baza (5), înțelegem ecuația (4) ca un sistem de ecuații pentru funcțiile (t), (t):
|
Pentru concizie, un astfel de sistem este de obicei scris sub forma (4), dar atunci (t) este înțeles ca o coloană de , , iar între paranteze primul termen este proporțional cu matricea de identitate, în timp ce valoarea lui M 2 devine oarecare (2 x 2)-matrice cu elemente matrice care sunt ușor de obținut din sistemul (6). Aici valoarea este foarte importantă, a cărei diferență de la zero duce la efecte de amestecare. Dacă este absent, sistemul se descompune în două ecuații independente și neutrinii, electronii și muonii, există separat cu propriile lor mase.
Deci, H 0. Apoi vom căuta soluții la sistemul (6) sub formă de combinații
1 (t) = cos e (t) + sin ν μ (t), |
(7) |
care au o anumită frecvență, adică au forma (3). Pentru ceea ce urmează, este important de reținut că la mic 0 1 este aproape un neutrin electronic pur, iar la /2 este aproape complet muonic. Adunând prima dintre ecuațiile (6), înmulțită cu cos , cu a doua, înmulțită cu sin , obținem condiția ca și partea stângă să conțină doar 1:
Se întâmplă m e > , adică =/4, corespunde amestecării maxime și se realizează aproape exact pentru un sistem de K-mezoni neutri. Statele (7) au anumite mase, pe care le obținem din sistemul (6):
| (10) |
Semnele din (10) corespund cazului > m e. Din (10) vedem că la amestecarea zero = 0 obținem m 1 = m e, m 2 = . În prezența amestecării, are loc o schimbare de masă. Dacă este considerat foarte mic, atunci
Imaginați-vă că în momentul inițial de timp t = 0, sa născut un neutrin de electroni. Apoi din (7) și (12) obținem dependența de timp a stării luate în considerare (omitem factorul comun e -ikt)
| (13) |
Să introducem notația m 2 = m 1 2 - m 2 2 . Vedem că, alături de neutrinul electronic prezent inițial, aici apare și starea neutrinului muon. Probabilitatea apariției sale, conform regulilor mecanicii cuantice, este pătratul modulului de amplitudine, adică coeficientul la | νμ >. După cum se poate vedea din (13), depinde de timp și de valoarea
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 (1,27m 2 L/E), |
(14) |
unde măsuram distanța L în metri, energia neutrinului în megaelectronvolți și diferența de masă pătrată m 2 în electronvolți pătrați. Desigur, luăm în considerare micimea maselor de neutrini, astfel încât L = ct. Componenta muonică are o dependență oscilantă caracteristică; acest fenomen se numește oscilații de neutrini. Ce ar trebui observat ca efect al oscilațiilor neutrinilor? Știm că neutrinii electronici dau un electron ca rezultat al reacției cu schimbul W, iar muonii dau, respectiv, un muon. În consecință, un fascicul format inițial din neutrini de electroni, la trecerea prin echipamentul de înregistrare, produce nu numai electroni, ci și muoni cu o probabilitate care depinde de distanța până la punctul de plecare descris de formula (14). Pentru a spune simplu, trebuie să căutăm nașterea leptonilor „străini”.
Experimentele de căutare a oscilațiilor neutrinilor sunt efectuate în mod activ și, de regulă, nu duc la măsurarea efectului, ci la restricții asupra parametrilor din (14) și m 2 . Este clar că nu există niciun efect dacă cel puțin unul dintre acești parametri este egal cu zero. Recent, s-au raportat indicii serioase ale existenței oscilațiilor neutrinilor în experimentele de la instalația japoneză Super-Kamiokande. În aceste experimente, a fost studiat fluxul de neutrini din dezintegrarea particulelor născute în straturile superioare ale atmosferei de către razele cosmice de înaltă energie. În funcție de unghiurile de înclinare față de orizont, sub care neutrinii studiați vin la dispozitiv, aceștia parcurg distanțe de la câteva zeci de kilometri (direct de sus) la multe mii de kilometri (direct de jos). Rezultatul măsurătorilor continue de un an și jumătate s-a dovedit a fi incompatibil cu calculele conform teoriei fără oscilații. În același timp, introducerea oscilațiilor conduce la un acord excelent cu experimentul. În acest caz, tranzițiile ν μ e sunt necesare:
sin2 > 0,82,
510 -4
< m 2
< 610 -2
adică sunt necesare valorile lor explicit diferite de zero. Până acum, opinia publică științifică nu a înclinat spre recunoașterea finală a descoperirii oscilațiilor neutrinilor și așteaptă confirmarea rezultatului. Experimentele continuă, dar între timp s-a dovedit că se pot obține informații și mai bogate din studiul oscilațiilor neutrinilor, ținând cont de interacțiunea acestora cu materia.
Oscilațiile neutrinilor în materie
Elucidarea posibilităților asociate cu efectele propagării neutrinilor în materie este asociată cu lucrările lui L. Wolfenstein și S.P. Mikheev și A.Yu. Smirnova.
Luați în considerare din nou cazul a doi neutrini - electron și muon. Materia conține protoni și neutroni în nuclee și electroni. Interacțiunea ambelor tipuri de neutrini cu protoni și neutroni datorită schimbului de W și Z are loc în același mod și, prin urmare, nu duce la efecte noi în comparație cu propagarea în vid. Situația este complet diferită cu împrăștierea neutrinilor de către electroni. Un neutrin muonic poate interacționa cu un electron numai prin schimbul unui boson neutru Z, în timp ce schimbul unui boson W încărcat contribuie la împrăștierea unui neutrin electronic (și antineutrin) pe un electron. Într-adevăr, de exemplu, W - merge într-o pereche e, astfel încât procesul de împrăștiere să meargă conform schemei
Când antineutrinii sunt împrăștiați de un electron, se contopesc în W, iar atunci când neutrinii sunt împrăștiați, se schimbă W, în care neutrinoul original dă un electron și W + , care este absorbit de electronul original, dând neutrinoul final. Pentru neutrinul muon, astfel de tranziții sunt imposibile.
Deci, neutrinul electronic are o interacțiune suplimentară cu electronul, care este descrisă de un termen suplimentar în prima linie (6):
Apoi sistemul de ecuații care descrie dependența funcției de undă de timp se modifică:
unde = 2kV W , iar această cantitate este legată de împrăștierea unui neutrin de electroni de către electroni datorită schimbului W. Teoria electroslabă oferă o expresie simplă
|
(17) |
,Unde G F = (1.16637 + 0,00002). 10 -5 GeV -2 este binecunoscuta constantă Fermi care caracterizează interacțiunile slabe și N e este densitatea electronilor în materie. Această densitate este proporțională cu numărul atomic Z al elementului și cu densitatea obișnuită a substanței p, care se reflectă în forma numerică a relației (17). Apoi valoarea poate fi reprezentată ca (A este greutatea atomică a elementului corespunzător)
Având în vedere expresia (16) pentru masele stărilor neutrinilor și (19) pentru unghiul de amestecare în materie, obținem cel mai interesant fenomen de oscilație rezonantă a neutrinilor în materie. Lăsați amestecul de neutrini în vid să fie foarte mic, adică 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) |
atunci apare rezonanța. Într-adevăr, pentru păcat 2 m<< 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.
Fenomenul de oscilație rezonantă se manifestă clar și în dependența de densitate a maselor de neutrini în materie (16). Într-adevăr, să începem cu expresia (16) cu semnul minus, care, în conformitate cu ecuațiile (15), descrie neutrinul electronic inițial (deoarece conține interacțiunea sa caracteristică cu electronii V W). Lăsați densitatea să se schimbe trecând prin rezonanță. Atunci pătratul masei înainte de rezonanță la un unghi mic este egal cu m e 2 + V W , iar după rezonanță -. Când rezonanța trece, tipul de neutrin se schimbă complet.
Trebuie remarcat faptul că dacă luăm în considerare antineutrini în loc de neutrini, atunci principala diferență constă în semnul termenului care descrie interacțiunea cu schimbul W. Semnele lui V W pentru neutrini și antineutrini sunt opuse. Aceasta înseamnă că starea de rezonanță este atinsă în funcție de semnul lui m 2 fie numai pentru neutrini, fie doar pentru antineutrini. De exemplu, dacă neutrinul muon este mai greu decât cel electronic, atunci rezonanța poate fi observată doar pentru starea inițială a neutrinului electronic, dar nu și pentru antineutrin.
Astfel, propagarea fasciculelor de neutrini (și antineutrini) în materie oferă o mulțime de informații fizice. Dacă parametrii principali, adică m 2 și , sunt cunoscuți, atunci prin strălucirea printr-un fascicul de neutrini a unui obiect, de exemplu, o planetă, o stea etc., se poate obține o imagine a distribuției densității în interiorul obiectului scanat. din compoziția fasciculului de neutrini la ieșire. Puteți acorda atenție unei analogii strânse cu translucidența obiectelor mici (inclusiv a celor vii) cu raze X.
Exemple de posibile manifestări și aplicații
Fenomenul oscilațiilor neutrinilor nu a fost încă înregistrat experimental, totuși există indicii ale existenței lor și sunt asociate tocmai cu posibile fenomene de rezonanță. Cert este că metodele de înregistrare sunt sensibile în principal la neutrinii electronici (antineutrini), deoarece muonii și cu atât mai mult neutrinii tau cu energii de mai mulți megaelectronvolți nu pot da reacții, de exemplu
37Cl + 37Ar + e - .
care este utilizat în metoda de detectare a neutrinolor clor-argon. Acest lucru se datorează faptului că este nevoie de mai mult de 100 MeV de energie pentru a produce un muon (și chiar mai mult pentru a produce un tau). În același timp, poate avea loc o reacție similară cu un neutrin electronic. Reacțiile nucleare din Soare sunt tocmai sursa de (anti-)neutrini electronici, așa că metoda folosită mi s-a părut destul de adecvată. Cu toate acestea, dacă are loc o oscilație pe drumul de la punctul de naștere la dispozitiv și neutrino se transformă, de exemplu, într-un muon, atunci reacția nu are loc, neutrinoul devine „steril”. Acest lucru ar putea servi ca o explicație pentru deficitul de neutrini solari.
La început au încercat să folosească pentru explicație oscilațiile obișnuite (prima secțiune) în spațiul dintre Soare și Pământ. Amestecul de neutrini muoni este determinat de unghiul de amestecare. Referindu-ne la formula (14), putem concluziona că fracțiunea de astfel de neutrini sterili de pe Pământ
unde notăm valoarea medie cu paranteze unghiulare. Este necesară o medie, deoarece distanța L de la Pământ la Soare în timpul procesului de măsurare se modifică semnificativ datorită mișcării sale orbitale. Valoarea medie a funcției sin 2x pe un interval mare este 1/2, prin urmare, fracția de neutrini sterili este
Astfel, în general este posibil să se obțină o suprimare dublă a fluxului de neutrini de la Soare, dar aceasta necesită amestec maxim sin 2 = 1. Căutările pentru oscilații arată că pentru o gamă largă de mase de neutrini, o amestecare atât de mare este exclusă de experiment. În plus, o astfel de explicație oferă aceeași suprimare a fluxului de neutrini pentru toate energiile de neutrini, în timp ce rezultatele experimentale indică o dependență energetică a efectului.
Mai adecvată este explicația cu ajutorul oscilațiilor rezonante în materia Soarelui. Pentru ca o tranziție rezonantă a unui neutrin la o stare sterilă să aibă loc, condiția (20) trebuie să fie îndeplinită pe un anumit strat al materiei Soarelui. Să fie unghiul de amestecare foarte mic, deci cos 21. Să luăm de exemplu valorile parametrilor
Z/A = 1,05, = 10 g/cm2, E = 1 MeV,
unde primul număr reflectă faptul că Soarele este compus în principal din hidrogen cu o strop de heliu și alte elemente. Atunci condiția (20) dă diferența maselor de neutrini la pătrat
Acest ordin al maselor de neutrini este necesar pentru a folosi mecanismul rezonant al oscilațiilor neutrinilor în materie pentru a explica deficitul neutrinilor solari, inclusiv dependența energetică a acestui efect. Situația de aici este următoarea: dacă datele experimentale existente sunt în sfârșit confirmate, atunci va fi imposibil să oferim o altă explicație decât oscilația rezonantă. Acesta va fi rezultatul cel mai important, deschizând calea către înțelegerea ulterioară a structurii lumii fizice. În plus, vom obține o nouă metodă de transmitere cu raze X a corpurilor cerești, inclusiv a Pământului nostru. Într-adevăr, ținând cont de faptul că densitatea rocilor terestre este de 3-6 g/cm 3 în manta și 9-12 g/cm 3 în miez, suntem convinși că cu o masă de neutrini (22) se realizează condițiile de rezonanță. pentru neutrini cu energii de ordinul câtorva megaelectronvolt. Formând astfel de fascicule și efectuând un program de transiluminare a Pământului cu înregistrarea efectului asupra unei rețele de stații de neutrini, este posibil să se obțină tomograme ale grosimii pământului. În viitor, acest lucru poate duce atât la elucidarea detaliilor structurii Pământului, cât și la rezultate practice, de exemplu, în aplicarea la căutarea mineralelor adânci.
