تذبذبات الليبتونات والنيوترينو. تذبذبات النيوترينو

وتتنبأ النظرية بوجود قانون التغير الدوري في احتمال اكتشاف جسيم من نوع معين اعتمادا على الزمن المناسب المنقضي منذ خلق الجسيم.

تم طرح فكرة تذبذبات النيوترينو لأول مرة من قبل الفيزيائي السوفيتي الإيطالي بي إم بونتيكورفو في عام 1957.

إن وجود ذبذبات النيوترينو مهم لحل مشكلة النيوترينو الشمسي.

التذبذبات في الفراغ

من المفترض أن مثل هذه التحولات هي نتيجة لوجود كتلة في النيوترينوات أو (في حالة تحولات النيوترينو↔النيوترينو المضاد) عدم الحفاظ على شحنة الليبتون عند الطاقات العالية.

انظر أيضا

• ماتريكس بونتيكورفو - ماكي - ناكاجاوا - ساكاتا
• تذبذبات الكاونات المحايدة
• تذبذبات الميزون ب

ملحوظات

الأدب

• يو.كودنكو، “دراسة تذبذبات النيوترينو في تجارب مسرع خط الأساس الطويل”، التقدم في العلوم الفيزيائية، المجلد. 6, 2011.
• إس إم بيلينكي، "تذبذبات الكتلة والاختلاط والنيوترينو"، التقدم في العلوم الفيزيائية 173 1171-1186 (2003)

مؤسسة ويكيميديا.

2010.

انظر ما هي "تذبذبات النيوترينو" في القواميس الأخرى:

تذبذبات النيوترينو المتمثلة في تحول النيوترينو (إلكترون أو ميون أو تاون) إلى نيوترينو من نوع مختلف (جيل) أو إلى نيوترينو مضاد. تتنبأ النظرية بوجود قانون التغير الدوري في احتمالية اكتشاف الجسيم... ... ويكيبيديا - (v)، جسيم خفيف (ربما عديم الكتلة) محايد كهربائيًا مع دوران 1/2 (بالوحدات ћ)، يشارك فقط في الجاذبية الضعيفة. التعرض. N. ينتمي إلى فئة اللبتونات، وبحسب الإحصائيات. الوحي المقدس لك فرميون. ثلاثة أنواع من N. معروفة: ... ...

الموسوعة الفيزيائية لقد سمع جميع المهووسين تقريبًا عن تذبذبات النيوترينو. لقد تم كتابة الكثير من الأدبيات المهنية والكثير من المقالات الشعبية حول هذه الظاهرة، لكن مؤلفي الكتب المدرسية فقط هم الذين يعتقدون أن القارئ يفهم نظرية المجال، وحتى نظرية الكم، وعادة ما يقتصر مؤلفو المقالات الشعبية على عبارات في أسلوب: "الجزيئات تطير وتطير، وبعد ذلكبام

ويتحولون إلى آخرين» وبكتلة مختلفة (!!!). دعونا نحاول معرفة من أين يأتي هذا التأثير المثير للاهتمام وكيف يتم ملاحظته باستخدام المنشآت الضخمة. وفي الوقت نفسه سوف نتعلم كيفية العثور على العديد من الذرات الضرورية واستخراجها من 600 طن من المادة.

تحدثت في مقال سابق عن كيفية ظهور فكرة وجود النيوترينوات عام 1932 وكيف تم اكتشاف هذا الجسيم بعد 25 عاما. اسمحوا لي أن أذكركم بأن رينز وكوان سجلا تفاعل مضاد النيوترينو مع البروتون. ولكن حتى ذلك الحين، اعتقد العديد من العلماء أن النيوترينوات يمكن أن تكون من عدة أنواع. يسمى النيوترينو الذي يتفاعل بشكل فعال مع الإلكترون بالإلكترون، والنيوترينو الذي يتفاعل مع الميون يسمى ميوني. احتاج المجربون إلى معرفة ما إذا كان هذين الشرطين مختلفين أم لا. أجرى ليدرمان وشوارتز وستاينبرجر تجربة رائعة. قاموا بفحص شعاع من الميزونات باي من المسرع. تتحلل هذه الجسيمات بسهولة إلى الميونات والنيوترينوات.

إذا كانت النيوترينوات لها أنواع مختلفة حقًا، فيجب أن يولد الميون. بعد ذلك، يصبح كل شيء بسيطًا - نضع هدفًا في مسار الجزيئات المولدة وندرس كيفية تفاعلها: مع ولادة إلكترون أو ميون. لقد أظهرت التجربة بوضوح أن الإلكترونات لا تنشأ أبدًا.

إذن لدينا الآن نوعان من النيوترينوات! نحن على استعداد للانتقال إلى الخطوة التالية في مناقشة تذبذبات النيوترينو.

هذا نوع من الشمس "الخاطئة".

استخدمت تجارب النيوترينو الأولى مصدرًا صناعيًا: مفاعل أو معجل. هذا جعل من الممكن إنشاء تيارات قوية جدًا من الجزيئات، لأن التفاعلات نادرة للغاية. ولكن كان الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو تسجيل النيوترينوات الطبيعية. ومما له أهمية خاصة دراسة تدفق الجزيئات من الشمس.

بحلول منتصف القرن العشرين، كان من الواضح بالفعل أنه لم يكن هناك حطب محترق في الشمس - لقد أجروا الحسابات واتضح أنه لن يكون هناك ما يكفي من الحطب. يتم إطلاق الطاقة أثناء التفاعلات النووية في مركز الشمس. على سبيل المثال، تسمى العملية الرئيسية لنجمنا "دورة البروتون-بروتون"، عندما يتم تجميع ذرة الهيليوم من أربعة بروتونات.

تجدر الإشارة إلى أنه في الخطوة الأولى يجب أن تولد الجزيئات التي تهمنا. وهنا يمكن لفيزياء النيوترينو أن تظهر كل قوتها! يمكن الوصول إلى سطح الشمس فقط (الغلاف الضوئي) للمراقبة البصرية، وتمر النيوترينوات دون عوائق عبر جميع طبقات نجمنا. ونتيجة لذلك، تأتي الجسيمات المسجلة من المركز الذي ولدت فيه. يمكننا "مراقبة" قلب الشمس مباشرة. وبطبيعة الحال، لا يمكن لمثل هذا البحث إلا أن يجذب الفيزيائيين. بالإضافة إلى ذلك، كان التدفق المتوقع حوالي 100 مليار جسيم لكل سنتيمتر مربع في الثانية.

تم إجراء أول تجربة من هذا القبيل بواسطة ريموند ديفيس في أكبر منجم للذهب في أمريكا - منجم هومستيك. كان لا بد من إخفاء المنشأة في أعماق الأرض لحماية نفسها من التدفق القوي للجزيئات الكونية. ويمكن للنيوترينو أن يمر عبر كيلومتر ونصف من الصخور دون أي مشاكل، ولكن الجسيمات الأخرى ستتوقف. كان الكاشف عبارة عن برميل ضخم مملوء بـ 600 طن من رباعي كلور الإيثيلين - وهو مركب مكون من 4 ذرات كلور. تستخدم هذه المادة بنشاط في التنظيف الجاف وهي رخيصة جدًا.

تم اقتراح طريقة التسجيل هذه بواسطة برونو ماكسيموفيتش بونتيكورفو. عند تفاعله مع النيوترينوات، يتحول الكلور إلى نظير غير مستقر للأرجون،

الذي يلتقط إلكترونًا من المدار السفلي ويتحلل مرة أخرى خلال 50 يومًا في المتوسط.

لكن! ومن المتوقع حدوث حوالي 5 تفاعلات للنيوترينو يوميًا فقط. في غضون أسبوعين، ستتراكم 70 ذرة أرجون فقط، ويجب العثور عليها! ابحث عن عشرات الذرات في برميل سعة 600 طن. مهمة رائعة حقا. كل شهرين، كان ديفيس ينظف البرميل بالهيليوم، وينفخ الأرجون الناتج. تم وضع الغاز المنقى بشكل متكرر في كاشف صغير (عداد جيجر)، حيث تم حساب عدد تحلل الأرجون الناتج. هذه هي الطريقة التي تم بها قياس عدد تفاعلات النيوترينو.

على الفور تقريبًا، اتضح أن تدفق النيوترينو من الشمس كان أقل بثلاث مرات تقريبًا من المتوقع، مما خلق ضجة كبيرة في الفيزياء. في عام 2002، تقاسم ديفيس وكوشيبا سان جائزة نوبل لمساهماتهما الكبيرة في الفيزياء الفلكية، بما في ذلك اكتشاف النيوترينوات الكونية.

ملاحظة صغيرة: سجل ديفيس النيوترينوات ليس من تفاعل البروتون والبروتون، الذي وصفته أعلاه، ولكن من عمليات أكثر تعقيدًا ونادرة قليلاً مع البريليوم والبورون، لكن هذا لا يغير الجوهر.

على من يقع اللوم وماذا تفعل؟

لذا، فإن تدفق النيوترينو أقل بثلاث مرات من المتوقع. لماذا؟ يمكن تقديم الخيارات التالية:

هذه النيوترينوات المتقلبة

قبل عام من الحصول على نتائج تجربة ديفيس، طور برونو بونتيكورفو الذي سبق ذكره نظرية حول كيفية قدرة النيوترينوات على تغيير نوعها في الفراغ. إحدى النتائج هي أن الأنواع المختلفة من النيوترينوات يجب أن يكون لها كتل مختلفة. ولماذا على الأرض يجب على جسيمات كهذه أن تغير كتلتها أثناء الطيران، والتي، بشكل عام، يجب الحفاظ عليها؟ دعونا معرفة ذلك.

لا يمكننا الاستغناء عن مقدمة بسيطة لنظرية الكم، لكنني سأحاول أن أجعل هذا التفسير شفافًا قدر الإمكان. كل ما تحتاجه هو الهندسة الأساسية. يتم وصف حالة النظام بواسطة "ناقل الحالة". وبما أن هناك ناقل، فلا بد أن يكون هناك أساس. دعونا نلقي نظرة على تشبيه مساحة اللون. "حالتنا" هي اللون الأخضر. على أساس RGB سنكتب هذا المتجه كـ (0، 1، 0). ولكن على أساس CMYK، سيتم كتابة نفس اللون تقريبًا بشكل مختلف (0.63، 0، 1، 0). ومن الواضح أننا لا نملك ولا يمكن أن يكون لدينا أساس "رئيسي". لتلبية الاحتياجات المختلفة: الصور على الشاشة أو الطباعة، يجب علينا استخدام نظام الإحداثيات الخاص بنا.

ما الأساس الذي سيكون هناك للنيوترينوات؟ من المنطقي تمامًا تحليل تدفق النيوترينو إلى أنواع مختلفة: الإلكترون ()، والميون () والتاو (). إذا كان لدينا تيار من النيوترينوات الإلكترونية حصريًا يطير من الشمس، فإن هذه الحالة هي (1، 0، 0) على هذا الأساس. ولكن كما ناقشنا من قبل، يمكن أن تكون النيوترينوات ضخمة. علاوة على ذلك، لديهم كتل مختلفة. وهذا يعني أن تدفق النيوترينو يمكن أيضًا أن يتحلل إلى حالات كتلة: مع كتل، على التوالي.

بيت القصيد من التذبذبات هو أن هذه القواعد لا تتطابق! تُظهر الأشكال الزرقاء في الصورة أنواع (أنواع) النيوترينوات، بينما تُظهر الألوان الحمراء حالات ذات كتل مختلفة.

وهذا يعني أنه إذا ظهر نيوترينو إلكترون في اضمحلال نيوترون، فستظهر ثلاث حالات كتلة في وقت واحد (مسقط في ).

ولكن إذا كانت لهذه الحالات كتل مختلفة قليلاً، فستكون الطاقات مختلفة قليلاً. وبما أن الطاقات مختلفة، فإنها سوف تنتشر في الفضاء بشكل مختلف. وتظهر الصورة بالضبط كيف ستتطور هذه الحالات الثلاث مع مرور الوقت.

(ج) www-hep.physics.wm.edu

في الصورة تظهر حركة الجسيم على شكل موجة. ويسمى هذا التمثيل موجة دي برولي، أو موجة الاحتمالية لتسجيل جسيم معين.

تتفاعل النيوترينوات حسب النوع (). لذلك، عندما نريد حساب كيفية ظهور النيوترينو، نحتاج إلى إسقاط متجه الحالة الخاص بنا على (). وبالتالي سيكون هناك احتمال لتسجيل نوع أو آخر من النيوترينو. هذه هي الموجات الاحتمالية التي سنحصل عليها لنيوترينو الإلكترون اعتمادًا على المسافة المقطوعة:

يتم تحديد مدى تغير النوع من خلال الزوايا النسبية لأنظمة الإحداثيات الموصوفة (كما هو موضح في الشكل السابق) والاختلافات الجماعية.

إذا كانت مصطلحات ميكانيكا الكم لا تخيفك، ولديك الصبر الكافي لقراءة ما يصل إلى هذه النقطة، فيمكن العثور على وصف رسمي بسيط على ويكيبيديا.

ما هو عليه حقا؟

النظرية بالطبع جيدة. لكننا ما زلنا غير قادرين على تحديد أي من الخيارين يتحقق في الطبيعة: الشمس "ليست هكذا" أو النيوترينوات "ليست كذلك". هناك حاجة لتجارب جديدة من شأنها أن تظهر بشكل قاطع طبيعة هذا التأثير المثير للاهتمام. سأصف حرفيًا باختصار الإعدادات الرئيسية التي لعبت دورًا رئيسيًا في البحث.

مرصد كاميوكا

يبدأ تاريخ هذا المرصد بحقيقة أنهم حاولوا العثور على اضمحلال البروتون هنا. ولهذا السبب حصل الكاشف على الاسم المناسب - "Kamiokande" (تجربة Kamioka Nucleon Decay). ولكن بعد عدم اكتشاف أي شيء، سرعان ما أعاد اليابانيون التركيز على اتجاه واعد: دراسة النيوترينوات الجوية والشمسية. لقد ناقشنا بالفعل من أين تأتي الطاقة الشمسية. تولد العناصر الجوية من خلال اضمحلال الميونات والميزونات الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. وأثناء وصولهم إلى الأرض تمكنوا من التأرجح.

بدأ الكاشف بجمع البيانات في عام 1987. لقد كانوا محظوظين للغاية بالتواريخ، ولكن المزيد عن ذلك في المقالة التالية :) كان التثبيت عبارة عن برميل ضخم مملوء بالمياه النقية. كانت الجدران مرصوفة بأنابيب مضاعفة ضوئية. كان رد الفعل الرئيسي الذي تم من خلاله التقاط النيوترينوات هو طرد الإلكترون من جزيئات الماء:

يتوهج الإلكترون الحر سريع الطيران باللون الأزرق الداكن في الماء. تم تسجيل هذا الإشعاع بواسطة المضاعف الضوئي على الجدران. وفي وقت لاحق، تمت ترقية التثبيت إلى Super-Kamiokande واستمر في عمله.

وأكدت التجربة عجز النيوترينوات الشمسية، وأضافت إلى ذلك عجز النيوترينوات الجوية.

تجارب الغاليوم

مباشرة بعد إطلاق كاكيوكاندي في عام 1990، بدأ تشغيل اثنين من أجهزة الكشف عن الغاليوم. يقع أحدهم في إيطاليا، تحت جبل جراند ساسو، في مختبر يحمل نفس الاسم. والثاني في القوقاز، في مضيق باكسان، تحت جبل أنديرشي. تم بناء قرية النيوترينو خصيصًا لهذا المختبر في الوادي. تم اقتراح الطريقة نفسها من قبل فاديم كوزمين، مستوحاة من أفكار بونتيكورفو، في عام 1964.

عند التفاعل مع النيوترينوات، يتحول الغاليوم إلى نظير غير مستقر للجرمانيوم، والذي يضمحل مرة أخرى إلى الغاليوم خلال 16 يومًا في المتوسط. على مدار شهر، يتم تشكيل عدة عشرات من ذرات الجرمانيوم، والتي يجب استخراجها بعناية فائقة من الغاليوم، ووضعها في كاشف صغير، وحساب عدد التحلل مرة أخرى إلى الغاليوم. وتتمثل ميزة تجارب الغاليوم في قدرتها على التقاط النيوترينوات منخفضة الطاقة للغاية والتي لا يمكن الوصول إليها من قبل المنشآت الأخرى.

أظهرت جميع التجارب الموضحة أعلاه أننا نرى عددًا أقل من النيوترينوات مما كان متوقعًا، لكن هذا لا يثبت وجود التذبذبات. ربما لا تزال المشكلة تكمن في نموذج غير صحيح للشمس. لقد وضعت تجربة SNO النقطة الأخيرة والأخيرة في مشكلة النيوترينوات الشمسية.

مرصد سودبيري

قام الكنديون ببناء "نجمة الموت" الضخمة في منجم كريتون.

وعلى عمق كيلومترين، تم وضع كرة أكريليك محاطة بمضاعفات ضوئية ومملوءة بـ 1000 طن من الماء الثقيل. يختلف هذا الماء عن الماء العادي في أن الهيدروجين العادي الذي يحتوي على بروتون واحد يتم استبداله بالديوتيريوم - وهو مركب من بروتون ونيوترون. لقد كان الديوتيريوم هو الذي لعب دورًا رئيسيًا في حل مشاكل النيوترينوات الشمسية. يمكن لمثل هذا التثبيت أن يسجل تفاعلات نيوترينوات الإلكترون وتفاعلات جميع الأنواع الأخرى! سوف تدمر نيوترينوات الإلكترون الديوتيريوم مع ولادة الإلكترون، في حين أن جميع أنواع الإلكترونات الأخرى لا يمكنها أن تلد. لكنهم يستطيعون "دفع" الديوتيريوم قليلاً حتى يتفكك إلى الأجزاء المكونة له، ويطير النيوترينو للأمام.

يتوهج الإلكترون السريع، كما ناقشنا سابقًا، عند التحرك في وسط ما، ويجب أن يتم التقاط النيوترون بسرعة بواسطة الديوتيريوم، مما ينبعث منه فوتونًا. كل هذا يمكن تسجيله باستخدام أنابيب المضاعف الضوئي. تمكن الفيزيائيون أخيراً من قياس التدفق الكامل للجزيئات القادمة من الشمس. إذا اتضح أنه يتزامن مع التوقعات، فسيتم نقل النيوترينوات الإلكترونية إلى الآخرين، وإذا كان أقل من المتوقع، فإن النموذج الخاطئ للشمس هو المسؤول.

بدأت التجربة العمل في عام 1999، وأظهرت القياسات بثقة أن هناك نقصا في المكون الإلكتروني

اسمحوا لي أن أذكركم أنه يمكن أن تولد نيوترينوات الإلكترون بشكل حصري تقريبًا في النجم. وهذا يعني أنه تم الحصول على الباقي في عملية التذبذبات! عن هذه الأعمال، حصل آرثر ماكدونالد (SNO) وكاجيتا سان (كاميوكاندي) على جائزة نوبل لعام 2015.

على الفور تقريبًا، في بداية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأت تجارب أخرى في دراسة التذبذبات. ولوحظ هذا التأثير أيضًا بالنسبة للنيوترينوات التي صنعها الإنسان. التجربة اليابانية KamLAND، الواقعة في نفس المكان، في كاميوكا، لاحظت بالفعل في عام 2002 تذبذبات النيوترينوات المضادة للإلكترون من المفاعل. والثانية، اليابانية أيضًا، سجلت تجربة K2K لأول مرة تغييرًا في نوع النيوترينوات التي تم إنشاؤها باستخدام المسرع. تم استخدام جهاز Super-Kamiokande الشهير ككاشف بعيد المدى.

الآن المزيد والمزيد من المنشآت تدرس هذا التأثير. ويتم بناء أجهزة الكشف على بحيرة بايكال، في البحر الأبيض المتوسط، وفي القطب الجنوبي. كانت هناك أيضًا منشآت بالقرب من القطب الشمالي. كلهم يلتقطون النيوترينوات ذات الأصل الكوني. تجري تجارب المسرع والمفاعل. ويجري تحسين معاملات التذبذبات نفسها، وتجري محاولات لمعرفة شيء ما عن حجم كتل النيوترينو. هناك دلائل تشير إلى أنه بمساعدة هذا التأثير يمكن تفسير هيمنة المادة على المادة المضادة في كوننا!

يوجد أسفل المفسد ملاحظة صغيرة للأكثر تفكيرًا.

وصدرت الجائزة لعام 2015 بصيغة “لاكتشاف ذبذبات النيوترينو وإظهار وجود الكتلة فيها”. تسبب هذا البيان في بعض الارتباك بين الفيزيائيين. عند قياس النيوترينوات الشمسية (تجربة SNO)، فإننا لا نراعي الاختلافات في الكتلة. بشكل عام، يمكن أن تكون الكتلة صفرًا، لكن التذبذبات ستبقى. يتم تفسير هذا السلوك من خلال تفاعل النيوترينوات مع المادة الشمسية (تأثير ميخيف-سميرنوف-ولفنشتاين). أي أن هناك تذبذبات للنيوترينوات الشمسية، ويعتبر اكتشافها إنجازا أساسيا، لكن هذا لم يدل أبدا على وجود كتلة. في الواقع، منحت لجنة نوبل الجائزة بصيغة خاطئة.
في الفراغ تظهر التذبذبات في تجارب الغلاف الجوي والمفاعلات والمسرعات.

إضافة العلامات

ظهرت نظرية تذبذبات النيوترينو كحل محتمل لمشكلة نقص النيوترينو الشمسي. كان جوهر المشكلة هو أنه في الشمس، وفقًا للنموذج القياسي، تنشأ النيوترينوات بشكل رئيسي نتيجة لتفاعل دورة بروتون-بروتون:

ص + ص 2 H + e + + e + 0.42 MeV

(الاحتمال النسبي لمثل هذا التفاعل هو 99.75%)

المصدر الرئيسي للنيوترينوات عالية الطاقة على الشمس هو اضمحلال نظائر 8 B، والتي تنشأ في التفاعل 7 Be(p,) 8 B (فرع نادر من دورة بروتون-بروتون):

13 ن 13 ج + ه + + ه + 1.20 ميغا إلكترون فولت

حاليًا، هناك أربع سلاسل من البيانات التجريبية حول تسجيل مجموعات مختلفة من النيوترينوات الشمسية. تم إجراء تجارب كيميائية إشعاعية تعتمد على التفاعل 37 Cl + e 37 Ar + e - لمدة 30 عامًا. وفقًا للنظرية، فإن المساهمة الرئيسية في هذا التفاعل يجب أن تكون بواسطة النيوترينوات الناتجة عن اضمحلال 8 فولت. وقد تم إجراء أبحاث حول الاكتشاف المباشر للنيوترينوات من اضمحلال 8 فولت مع قياسات الطاقة واتجاه حركة النيوترينو. في تجربة KAMIOKANDE منذ عام 1987. تم إجراء تجارب كيميائية إشعاعية على التفاعل 71 Ga + e 71 Ge + e - على مدى السنوات الخمس الماضية من قبل مجموعتين من العلماء من عدد من البلدان. من السمات المهمة لهذا التفاعل حساسيته بشكل أساسي للتفاعل الأول لدورة البروتون-بروتون p + p 2 D + e + + e. ويحدد معدل هذا التفاعل معدل إطلاق الطاقة في فرن الاندماج الشمسي في الوقت الفعلي. في جميع التجارب، هناك عجز في تدفقات النيوترينو الشمسي مقارنة بتنبؤات النموذج الشمسي القياسي.
الحل المحتمل لمشكلة نقص النيوترينو الشمسي هو تذبذبات النيوترينو - تحويل نيوترينوات الإلكترون إلى نيوترينوات الميون والتاو.
أول شيء يجب عليك الانتباه إليه عند البدء في مناقشة خصائص النيوترينوات هو وجود أنواعها المختلفة.
كما تعلمون، في الوقت الحاضر يمكننا أن نتحدث بالتأكيد عن ثلاثة أصناف من هذا القبيل:
ν e , ν μ , ν τ وبالتالي مضادات النيوترينو الخاصة بهم. عند تبادله مع بوزون W مشحون، يتحول نيوترينو الإلكترون إلى إلكترون، ويتحول النيوترينو الميوني إلى ميون (ν τ ينتج ليبتون تاو). جعلت هذه الخاصية من الممكن في وقت ما تحديد الفرق في طبيعة نيوترينوات الإلكترون والميون. وهي أن حزم النيوترينو المتكونة في المسرعات تتكون أساسًا من منتجات اضمحلال الميزونات المشحونة:

π + μ + + ν
π − μ − + ν

إذا كانت النيوترينوات لا تميز بين أنواع اللبتونات، فمن المرجح أن تنتج النيوترينوات بهذه الطريقة إلكترونات وميونات عند التفاعل مع نواة المادة. إذا كان كل لبتون يتوافق مع نوع النيوترينو الخاص به، فإن أنواع الميونات فقط هي التي تتولد في اضمحلال البيون. ومن ثم فإن شعاع النيوترينو الصادر من المسرع سينتج في الغالبية العظمى من الحالات الميونات، وليس الإلكترونات. وهذه هي بالضبط الظاهرة التي تم تسجيلها تجريبيا.
وبعد توضيح حقيقة الاختلاف بين أنواع النيوترينو ظهر السؤال: ما مدى عمق هذا الاختلاف؟ وإذا انتقلنا إلى التشبيه بالكواركات، فيجب أن ننتبه إلى حقيقة أن التفاعلات الكهروضعيفة لا تحافظ على نوع (نكهة) الكواركات. على سبيل المثال، سلسلة التحولات التالية ممكنة:

مما يؤدي إلى اختلاط الحالات التي تختلف فقط في الغرابة، على سبيل المثال، ميزونات K المحايدة K 0 و K 0 . هل يمكن لأنواع مختلفة من النيوترينوات أن تمتزج بطريقة مماثلة؟ عند الإجابة على هذا السؤال، من المهم معرفة كتل النيوترينوات. ومن الملاحظات نعلم أن النيوترينوات لها كتل صغيرة جدًا، أقل بكثير من كتل اللبتونات المقابلة لها. لذا، بالنسبة لكتلة نيوترينو الإلكترون لدينا حدود

أنا)< 5.1 эВ,

بينما كتلة الإلكترون هي 0.51099906 ± 0.00000015 MeV
في الغالبية العظمى من الحالات، يمكننا أن نفترض أن كتل النيوترينوات الثلاثة تساوي صفرًا. فإذا كانت تساوي الصفر تمامًا، فمن المستحيل ملاحظة تأثيرات الاختلاط المحتمل لأنواع مختلفة من النيوترينوات. فقط إذا كانت للنيوترينوات كتل غير صفرية، فإن الخلط يكتسب معنى فيزيائيًا. لاحظ أننا لا نعرف أي أسباب جوهرية تؤدي إلى المساواة الصارمة بين كتل النيوترينو والصفر. وبالتالي، فإن مسألة ما إذا كان هناك اختلاط بين النيوترينوات المختلفة هي مشكلة يجب حلها بالطرق الفيزيائية، التجريبية في المقام الأول. لأول مرة، أشار B.M. إلى إمكانية خلط أنواع النيوترينوات من الإلكترون والميون. بونتيكورفو.

خلط حالات النيوترينو

دعونا نفكر في مشكلة نوعين من النيوترينوات: e، ν μ،. لمزج التأثيرات، فكر في كيفية تطور الحالات مع مرور الوقت. يتم تحديد التطور في الوقت المناسب من خلال معادلة شرودنغر

من هذه النقطة فصاعدًا نستخدم نظام الوحدات h = c = 1، وهو نظام شائع الاستخدام في فيزياء الجسيمات. هذا النظام ملائم لأنه يحتوي على كمية ذات بعد واحد فقط، على سبيل المثال الطاقة. الآن الزخم والكتلة لهما نفس أبعاد الطاقة، والإحداثي x والزمن t لهما بعد الطاقة العكسية. وبتطبيق هذه العلاقة على حالة النيوترينوات التي نحن بصددها، عندما تكون كتلتها أقل بكثير من كمية الحركة نحصل بدلا من (2):

بناءً على (5) نفهم المعادلة (4) كنظام معادلات للدوال (t)، (t):

للإيجاز، عادة ما يتم كتابة مثل هذا النظام بالشكل (4)، ولكن بعد ذلك يُفهم (t) على أنه عمود من، ، وبين قوسين يتناسب الحد الأول مع مصفوفة الهوية، بينما تصبح القيمة M 2 بعض ( 2×2) مصفوفة تحتوي على عناصر مصفوفة يسهل الحصول عليها من النظام (6). القيمة مهمة جدًا هنا، حيث يؤدي اختلافها عن الصفر إلى اختلاط التأثيرات. إذا لم يكن هناك، فإن النظام ينقسم إلى معادلتين مستقلتين والنيوترينوات، الإلكترون والميون، توجد بشكل منفصل مع كتلتها الخاصة.
لذلك، H 0. ثم سنبحث عن حلول للنظام (6) في شكل مجموعات

1 (ر) = كوس ه (ر) + الخطيئة ν μ (ر)، 2 (ر) = -سين ه (ر) + كوس ν μ (ر).

(7)

والتي لها تردد معين أي أن لها الشكل (3). ولأغراض أخرى، من المهم ملاحظة أنه عند 0 1 يكون نيوترينو إلكترون نقي تقريبًا، وعند /2 يكون ميونًا بالكامل تقريبًا. بإضافة الأولى من المعادلات (6) مضروبة في cos، مع الثانية مضروبة في sin، نحصل على شرط أن يحتوي الجانب الأيسر أيضًا على 1 فقط:

يحدث م e > ، أي =/4، يتوافق مع الحد الأقصى للخلط ويتم تحقيقه تمامًا تقريبًا لنظام من الميزونات K المحايدة. الولايات (7) لها كتل معينة نحصل عليها من النظام (6):

(10)

والعلامات الموجودة في (10) تتوافق مع الحالة> مه. من (10) نرى أنه مع صفر خلط = 0 نحصل عليه م 1 = مه، م 2 = . في وجود الخلط، يحدث تحول جماعي. إذا اعتبرناها صغيرة جدًا، إذن

دعونا نتخيل أنه في اللحظة الأولى من الزمن t = 0 ولد نيوترينو الإلكترون. ثم من (7) و (12) نحصل على الاعتماد الزمني للحالة قيد النظر (نحذف العامل المشترك e -ikt)

(13)

دعونا نقدم الترميز m 2 = m 1 2 - m 2 2 . نرى أنه، إلى جانب نيوترينو الإلكترون الذي كان موجودًا في البداية، تظهر هنا أيضًا حالة نيوترينو الميون. احتمال حدوثه، وفقا لقواعد ميكانيكا الكم، هو مربع معامل السعة، أي المعامل عند | ν μ>. وهو كما يتبين من (13) يعتمد على الزمان والمقادير

W(t) = الخطيئة 2 2 الخطيئة 2 ((E 1 -E 2)t/2) = الخطيئة 2 2 الخطيئة 2 (م 2 t/4k) = الخطيئة 2 2 الخطيئة 2 (1.27م 2 لتر/ه)،

(14)

حيث نقيس المسافة L بالأمتار، وطاقة النيوترينو بالميجا إلكترون فولت، والفرق في مربعات الكتل م 2 بالميجا إلكترون فولت. بالطبع، نأخذ في الاعتبار صغر كتل النيوترينو، لذلك L = ct. يحتوي مكون الميون على اعتماد متذبذب مميز؛ وتسمى هذه الظاهرة تذبذبات النيوترينو. ما الذي يجب ملاحظته كتأثير لتذبذبات النيوترينو؟ نحن نعلم أن نيوترينوات الإلكترون تنتج إلكترونًا نتيجة التفاعل مع تبادل W، وتنتج نيوترينوات الميون ميونًا. وبالتالي، فإن الحزمة التي تتكون في البداية من نيوترينوات الإلكترون، عند المرور عبر معدات التسجيل، لا تنتج الإلكترونات فحسب، بل تنتج أيضًا الميونات باحتمال يعتمد على المسافة إلى نقطة البداية، الموصوفة بالصيغة (14). ببساطة، نحن بحاجة إلى البحث عن ولادة اللبتونات "الغريبة".
يتم تنفيذ تجارب البحث عن تذبذبات النيوترينو بشكل نشط، وكقاعدة عامة، لا تؤدي إلى قياس التأثير، ولكن إلى قيود على المعلمات في (14) و م 2. ومن الواضح أنه لا يوجد أي تأثير على الإطلاق إذا كان أحد هذه المعلمات على الأقل يساوي الصفر. وفي الآونة الأخيرة، ظهرت تقارير عن وجود مؤشرات جدية على وجود ذبذبات النيوترينو في التجارب التي أجريت في منشأة سوبر كاميوكاندي اليابانية. درست هذه التجارب تدفق النيوترينو الناتج عن اضمحلال الجسيمات الناتجة في الغلاف الجوي العلوي بواسطة الأشعة الكونية عالية الطاقة. اعتمادًا على زوايا الميل إلى الأفق الذي تصل عنده النيوترينوات قيد الدراسة إلى الجهاز، فإنها تقطع مسافات تتراوح من عدة عشرات من الكيلومترات (مباشرة من الأعلى) إلى عدة آلاف من الكيلومترات (مباشرة من الأسفل). تبين أن نتيجة القياسات المستمرة لمدة عام ونصف غير متوافقة مع الحسابات القائمة على النظرية دون تذبذبات. في الوقت نفسه، يؤدي إدخال التذبذبات إلى توافق ممتاز مع التجربة. في هذه الحالة، التحولات ν μ e ضرورية:

الخطيئة 2 > 0.82،
510 -4 < m 2 < 610 -2

أي أن قيمها مطلوبة بشكل صريح. وحتى الآن، لم يميل الرأي العام العلمي بعد إلى القبول بشكل قاطع باكتشاف ذبذبات النيوترينو، وينتظر تأكيد النتيجة. تستمر التجارب، ولكن في الوقت نفسه اتضح أنه يمكن توفير معلومات أكثر ثراءً من خلال دراسة تذبذبات النيوترينو، مع مراعاة تفاعلها مع المادة.

تذبذبات النيوترينو في المادة

يرتبط توضيح الاحتمالات المرتبطة بتأثيرات انتشار النيوترينو في المادة بعمل L. Wolfenstein وS.P. ميخيف وأ.يو. سميرنوفا.
دعونا ننظر مرة أخرى في حالة اثنين من النيوترينوات - الإلكترون والميون. تحتوي المادة على بروتونات ونيوترونات في النواة والإلكترونات. إن تفاعل كلا النوعين من النيوترينوات مع البروتونات والنيوترونات بسبب تبادل W و Z يحدث بنفس الطريقة وبالتالي لا يؤدي إلى تأثيرات جديدة مقارنة بالانتشار في الفراغ. الوضع مختلف تمامًا مع تشتت النيوترينوات بواسطة الإلكترونات. يمكن للنيوترينو الميوني أن يتفاعل مع الإلكترون فقط من خلال تبادل البوزون المحايد Z، في حين أن تبادل البوزون المشحون W يساهم في تشتت نيوترينو الإلكترون (والنيوترينو المضاد) على الإلكترون إلى زوج e، وبالتالي فإن عملية التشتت تتبع النمط

عندما تتشتت النيوترينوات المضادة بواسطة إلكترون، فإنها تندمج لتشكل W، وعندما تتشتت النيوترينوات، يتم تبادل W، حيث يعطي النيوترينو الأولي إلكترونًا وW +، الذي يمتصه الإلكترون الأصلي، مما يعطي النيوترينو النهائي. بالنسبة لنيوترينو الميون، فإن مثل هذه التحولات مستحيلة.
إذن فإن نيوترينو الإلكترون له تفاعل إضافي مع الإلكترون، وهو ما يوصف بالمصطلح الإضافي في السطر الأول من (6):

ثم يتغير نظام المعادلات الذي يصف اعتماد الدالة الموجية على الزمن:

حيث = 2kV W، وترتبط هذه الكمية بتشتت نيوترينوات الإلكترون على الإلكترونات نتيجة لتبادل W. وتعطي نظرية الكهروضعيف تعبيراً بسيطاً

,

(17)

أين جي إف = (1.16637 + 0.00002) . 10 -5 GeV -2 هو ثابت فيرمي المعروف، الذي يميز التفاعلات الضعيفة ن ه- كثافة الإلكترونات في المادة. وتتناسب هذه الكثافة مع العدد الذري Z للعنصر والكثافة المعتادة للمادة p، والتي تنعكس في الصورة العددية للعلاقة (17). ومن ثم يمكن تمثيل القيمة بالشكل (A هو الوزن الذري للعنصر المقابل)

بالنظر إلى التعبير (16) لكتل ​​حالات النيوترينو و(19) لزاوية الخلط في المادة، نحصل على الظاهرة الأكثر إثارة للاهتمام وهي التذبذب الرنيني للنيوترينوات في المادة. وليكن اختلاط النيوترينوات في الفراغ صغيرًا جدًا، أي خطيئة 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 = م 2 كوس 2،

(20)

ثم يتحقق الرنين. في الواقع، للخطيئة 2 م<< 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.
كما تتجلى ظاهرة التذبذب الرنيني بشكل واضح في اعتماد كتل النيوترينو في المادة على الكثافة (16). في الواقع، لنبدأ بالتعبير (16) بعلامة الطرح، والتي تصف، وفقًا للمعادلات (15)، نيوترينو الإلكترون الأولي (نظرًا لأنه يحتوي على تفاعله المميز مع الإلكترونات VW). دع الكثافة تتغير أثناء المرور عبر الرنين. إذن مربع الكتلة قبل الرنين بزاوية صغيرة يساوي m e 2 + V W وبعد الرنين -. عند المرور عبر الرنين، يتغير نوع النيوترينو تمامًا.
تجدر الإشارة إلى أنه إذا نظرنا إلى نيوترينو بدلاً من النيوترينو، فإن الاختلاف الرئيسي يكمن في علامة المصطلح الذي يصف التفاعل مع التبادل W. إن علامات V W للنيوترينوات والنيوترينوات المضادة متعارضة. وهذا يعني أن حالة الرنين تتحقق بالاعتماد على إشارة m2 إما للنيوترينوات فقط أو للنيوترينوات المضادة فقط. على سبيل المثال، إذا كان النيوترينو الميوني أثقل من الإلكترون، فيمكن ملاحظة الرنين فقط للحالة الأولية لنيوترينو الإلكترون، ولكن ليس للنيوترينو المضاد.
وهكذا، فإن انتشار حزم النيوترينو (والنيوترينو المضاد) في المادة يوفر معلومات فيزيائية غنية. إذا كانت المعلمات الرئيسية، أي m 2 و ، معروفة، فمن خلال تسليط شعاع النيوترينو من خلال جسم معين، على سبيل المثال كوكب، نجم، وما إلى ذلك، من تكوين شعاع النيوترينو عند الإخراج، يمكن للمرء أن الحصول على صورة لتوزيع الكثافة داخل الجسم المضاء. يمكنك الانتباه إلى التشابه الوثيق مع انتقال الأجسام الصغيرة (بما في ذلك الكائنات الحية) بالأشعة السينية.

أمثلة على المظاهر والتطبيقات المحتملة

ولم يتم بعد تسجيل ظاهرة ذبذبات النيوترينو تجريبيا، لكن هناك دلائل على وجودها، وهي ترتبط بدقة بظواهر الرنين المحتملة. والحقيقة هي أن طرق التسجيل حساسة بشكل أساسي للنيوترينوات الإلكترونية (النيوترينوات المضادة) ، حيث أن الميون وخاصة نيوترينوات التاو ذات الطاقات التي تصل إلى عدة ميجا إلكترون فولت لا يمكنها إعطاء رد فعل ، على سبيل المثال

37 سل + 37 آر + ه - .

والذي يستخدم في طريقة الكلور-الأرجون للكشف عن النيوترينوات. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه من أجل ولادة الميون، من الضروري إنفاق طاقة تزيد عن 100 ميغا إلكترون فولت (وأكثر من ذلك عند ولادة تاو). وفي الوقت نفسه، يمكن أن يحدث تفاعل مماثل مع نيوترينو الإلكترون. التفاعلات النووية في الشمس هي مصدر الإلكترونات (المضادة) للنيوترينوات، لذا فإن الطريقة المستخدمة تبدو مناسبة تمامًا. ومع ذلك، إذا حدث تذبذب على طول الطريق من نقطة الولادة إلى الجهاز وتحول النيوترينو، على سبيل المثال، إلى ميون، فإن التفاعل لا يحدث ويصبح النيوترينو "عقيمًا". وهذا يمكن أن يكون بمثابة تفسير للعجز في النيوترينوات الشمسية.
في البداية حاولوا استخدام التذبذبات العادية (القسم الأول) في الفضاء بين الشمس والأرض للشرح. يتم تحديد خليط نيوترينوات الميون بواسطة زاوية الخلط. وبالرجوع إلى الصيغة (14)، يمكننا أن نستنتج أن نسبة هذه النيوترينوات العقيمة موجودة على الأرض

حيث نستخدم الأقواس الزاوية للإشارة إلى القيمة المتوسطة. يعد حساب المتوسط ​​ضروريًا نظرًا لأن المسافة L من الأرض إلى الشمس تتغير بشكل كبير أثناء عملية القياس بسبب حركتها المدارية. متوسط ​​قيمة دالة sin 2x على مدى فترة كبيرة هو 1/2، وبالتالي فإن جزء النيوترينوات العقيمة هو

وبالتالي، من الممكن بشكل عام قمع تدفق النيوترينو من الشمس بمقدار النصف، لكن هذا يتطلب الحد الأقصى للخلط sin 2 = 1. تظهر عمليات البحث عن التذبذبات أنه بالنسبة لمجموعة واسعة من كتل النيوترينو، يتم استبعاد هذا الاختلاط الكبير بالتجربة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذا التفسير يعطي نفس قمع تدفق النيوترينو لجميع طاقات النيوترينو، في حين تشير النتائج التجريبية إلى اعتماد الطاقة على التأثير.
تبين أن التفسير الأكثر ملاءمة هو استخدام التذبذبات الرنانة في مسألة الشمس. لكي يحدث التحول الرنيني للنيوترينوات إلى الحالة العقيمة، من الضروري استيفاء الشرط (20) على طبقة معينة من المادة الشمسية. لتكن زاوية الخلط صغيرة جدًا، بحيث تكون قيمة cos 21. ولنأخذ قيم المعلمات كمثال

Z/A = 1.05، = 10 جم/سم2، E = 1 مليون إلكترون فولت،

حيث يعكس الرقم الأول حقيقة أن الشمس تتكون بشكل أساسي من الهيدروجين مع خليط من الهيليوم وعناصر أخرى. ثم الشرط (20) يعطي الفرق في كتل النيوترينو المربعة

هذا الترتيب لكتل ​​النيوترينو هو بالضبط ما نحتاجه لاستخدام آلية الرنين لتذبذبات النيوترينو في المادة لتفسير عجز النيوترينوات الشمسية، بما في ذلك اعتماد هذا التأثير على الطاقة. الوضع هنا هو كما يلي: إذا تلقت البيانات التجريبية الموجودة تأكيدًا نهائيًا، فلا يمكن تقديم أي تفسير آخر غير التذبذب الرنيني. وستكون هذه هي النتيجة الأكثر أهمية، والتي تفتح الطريق لمزيد من الفهم لبنية العالم المادي. بالإضافة إلى ذلك، سنحصل على طريقة جديدة للمسح بالأشعة السينية للأجرام السماوية، بما في ذلك أرضنا. وبالفعل، مع الأخذ في الاعتبار أن كثافات صخور الأرض هي 3-6 جم/سم3 في الوشاح و9-12 جم/سم3 في القلب، فإننا مقتنعون أنه مع كتلة النيوترينو (22)، تكون ظروف الرنين متناسبة. تم تحقيقه للنيوترينوات ذات الطاقات التي تصل إلى عدة ميغا إلكترون فولت. ومن خلال تشكيل مثل هذه الحزم وإجراء برنامج لنقل إضاءة الأرض مع تسجيل التأثير في شبكة من محطات النيوترينو، من الممكن الحصول على صور مقطعية لسمك الأرض. وفي المستقبل، قد يؤدي ذلك إلى توضيح تفاصيل بنية الأرض وإلى نتائج عملية، على سبيل المثال، في تطبيق البحث عن المعادن العميقة.

أعلن يوم الثلاثاء 6 أكتوبر/تشرين الأول، عن فوز الياباني تاكاكي كاجيتا والكندي آرثر ماكدونالد بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 لاكتشافهما تذبذبات النيوترينو.

وهذه هي "جائزة نوبل" الرابعة في الفيزياء، والتي تُمنح للعمل على دراسة هذه الجسيمات الغامضة. ما هو سر النيوترينوات ولماذا يصعب اكتشافها وما هي ذبذبات النيوترينو، سنشرحها في هذا المقال بلغة بسيطة وسهلة المنال.

ولادة النيوترون

في نهاية القرن التاسع عشر، اكتشف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل، أثناء دراسته لكيفية ارتباط التلألؤ والأشعة السينية، النشاط الإشعاعي بالصدفة. وتبين أن أحد أملاح اليورانيوم نفسه يصدر إشعاعات غير مرئية وغامضة ليست أشعة سينية. ثم اتضح أن النشاط الإشعاعي متأصل في اليورانيوم، وليس في المركبات التي يدخل فيها، وبعد ذلك تم اكتشاف النشاط الإشعاعي لعناصر أخرى - مثل الثوريوم والراديوم وما إلى ذلك.

وبعد سنوات قليلة، قرر الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد تمرير إشعاع إشعاعي غير مستكشف بعد عبر مجال مغناطيسي واكتشف أنه يمكن تقسيمه إلى ثلاثة أجزاء. انحرفت بعض الأشعة في المجال المغناطيسي وكأنها مكونة من جسيمات موجبة الشحنة، وبعضها الآخر كأنها مكونة من جسيمات سالبة، والبعض الآخر لم ينحرف على الإطلاق.

ونتيجة لذلك تقرر تسمية الأشعة الأولى بأشعة ألفا، والثانية بأشعة بيتا، والثالثة بأشعة جاما. وتبين فيما بعد أن أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي عالي التردد (أو تيار من الفوتونات عالية الطاقة)، ​​وأشعة ألفا هي تيار من نوى ذرات الهيليوم، أي جسيمات مكونة من بروتونين ونيوترونين، وبيتا الأشعة عبارة عن تيار من الإلكترونات على الرغم من وجود أشعة بيتا البوزيترونية (وهذا يعتمد على نوع اضمحلال بيتا).

إذا قمنا بقياس طاقة جسيمات ألفا وجسيمات جاما الناشئة عن النوع المقابل من التحلل الإشعاعي، فقد يتبين أنها لا يمكن أن تأخذ سوى بعض القيم المنفصلة. وهذا يتفق جيدًا مع قوانين ميكانيكا الكم. ومع ذلك، مع الإلكترونات المنبعثة أثناء اضمحلال بيتا، كان الوضع مختلفًا - طيف الطاقة الخاص بها كان مستمرًا. بمعنى آخر، يمكن للإلكترون أن يحمل أي طاقة على الإطلاق، ويقتصر فقط على نوع النظير المتحلل. علاوة على ذلك، فقد تبين في معظم الحالات أن طاقة الإلكترون كانت أقل مما تنبأت به النظرية. بالإضافة إلى ذلك، تبين أيضًا أن طاقة النواة التي تشكلت بعد الاضمحلال الإشعاعي أقل مما كان متوقعًا.

اتضح أنه خلال اضمحلال بيتا، اختفت الطاقة حرفيا، منتهكة المبدأ الفيزيائي الأساسي - قانون الحفاظ على الطاقة. كان بعض العلماء، ومن بينهم نيلز بور نفسه، على استعداد بالفعل للاعتراف بأن القانون قد لا يعمل في عالم مصغر، لكن الفيزيائي الألماني فولفغانغ باولي اقترح حل هذه المشكلة بطريقة بسيطة ومحفوفة بالمخاطر إلى حد ما - على افتراض أن الطاقة المفقودة هي يتفاعل بعض الجسيمات، التي لا تحتوي على شحنة كهربائية، بعيدًا عن طريق بعض الجسيمات، بشكل ضعيف للغاية مع المادة، وبالتالي لم يتم اكتشافها بعد.

وبعد سنوات قليلة، اعتمد الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي هذه الفرضية لتفسير نظري لاضمحلال بيتا. بحلول هذا الوقت، كان النيوترون قد تم اكتشافه بالفعل، وكان الفيزيائيون يعرفون أن النواة الذرية تتكون من أكثر من مجرد بروتونات. ومن المعروف أن البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة تتماسك معًا من خلال ما يسمى بالتفاعل القوي. ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح لماذا، أثناء اضمحلال بيتا، تُصدر النواة إلكترونًا غير موجود من حيث المبدأ.

اقترح فيرمي أن اضمحلال بيتا يشبه انبعاث الفوتون من ذرة مثارة وأن الإلكترون يظهر في النواة على وجه التحديد أثناء عملية الاضمحلال. يتحلل أحد النيوترونات الموجودة في النواة إلى ثلاثة جسيمات: بروتون، وإلكترون، ونفس الجسيم غير المرئي الذي تنبأ به باولي، والذي أطلق عليه فيرمي بالإيطالية اسم "النيوترينو"، أي "نيوترون"، أو نيوترون صغير. مثل النيوترون، لا يحتوي النيوترينو على شحنة كهربائية، كما أنه لا يشارك في التفاعل النووي القوي.

كانت نظرية فيرمي ناجحة. تم اكتشاف تفاعل آخر غير معروف حتى الآن، وهو التفاعل النووي الضعيف، هو المسؤول عن اضمحلال بيتا. هذا هو التفاعل ذاته الذي تشارك فيه النيوترينوات، بالإضافة إلى تفاعل الجاذبية. ولكن نظرًا لصغر حجم هذا التفاعل ونصف قطره، فإن النيوترينو يظل غير مرئي إلى حد كبير بالنسبة للمادة.

يمكنك أن تتخيل نيوترينو ذو طاقة ليست عالية جدًا يطير عبر لوح من الحديد. لكي يتم الاحتفاظ بهذا الجسيم بواسطة الورقة باحتمالية مائة بالمائة، يجب أن يكون سمكها حوالي 10^15 كيلومترًا. للمقارنة: المسافة بين الشمس ومركز مجرتنا أكبر بدرجة واحدة فقط - حوالي 10 16 كيلومترًا.

إن مراوغة النيوترينو تجعل من الصعب جدًا مراقبته عمليًا. لذلك، تم تأكيد وجود النيوترينوات تجريبيًا بعد 20 عامًا فقط من التنبؤ النظري - في عام 1953.

ثلاثة أجيال من النيوترينوات

يمكن أن يحدث اضمحلال بيتا بطريقتين: بانبعاث إلكترون أو بوزيترون. دائمًا ما ينبعث النيوترينو المضاد مع الإلكترون، وينبعث النيوترينو دائمًا مع البوزيترون. في منتصف القرن العشرين، واجه الفيزيائيون السؤال التالي: هل هناك فرق بين النيوترينوات والنيوترينوات المضادة؟ على سبيل المثال، الفوتون هو جسيم مضاد خاص به. لكن الإلكترون ليس مطابقًا على الإطلاق لجسيمه المضاد، البوزيترون.

تمت الإشارة إلى هوية النيوترينو والنيوترينو المضاد من خلال عدم وجود شحنة كهربائية على الجسيم. ومع ذلك، بمساعدة التجارب الدقيقة، كان من الممكن معرفة أن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة لا تزال مختلفة. بعد ذلك، لتمييز الجزيئات، كان من الضروري إدخال علامة الشحن الخاصة بها - رقم ليبتون. باتفاق العلماء، يتم تعيين رقم الليبتون (الجسيمات التي لا تشارك في تفاعلات قوية)، والتي تشمل الإلكترونات والنيوترينوات، برقم الليبتون +1. ويتم تعيين الرقم -1 للبتونات المضادة، ومن بينها النيوترينوات المضادة. في هذه الحالة، يجب دائمًا الحفاظ على رقم الليبتون - وهذا ما يفسر حقيقة أن النيوترينو يظهر دائمًا فقط في أزواج مع البوزيترون، والنيوترينو المضاد مع الإلكترون. يبدو أنها توازن بعضها البعض، تاركة مجموع أعداد اللبتونات لكل جسيم من النظام بأكمله دون تغيير.

في منتصف القرن العشرين، شهدت فيزياء الجسيمات طفرة حقيقية - اكتشف العلماء جسيمات جديدة واحدة تلو الأخرى. اتضح أن عدد اللبتونات أكبر مما كان يعتقد - بالإضافة إلى الإلكترون والنيوترينو، تم اكتشاف الميون (الإلكترون الثقيل)، وكذلك نيوترينو الميون. بعد ذلك، اكتشف العلماء جيلًا ثالثًا من اللبتونات - حتى أثقل من تاو ليبتون وتاو نيوترينو. أصبح من الواضح أن جميع اللبتونات والكواركات تشكل ثلاثة أجيال من الفرميونات الأساسية (جسيمات ذات دوران نصف صحيح تشكل المادة).

للتمييز بين ثلاثة أجيال من اللبتونات، كان من الضروري تقديم ما يسمى بشحنة لبتون النكهة. كل جيل من أجيال اللبتونات الثلاثة (الإلكترون والنيوترينو، الميون والميون نيوترينو، تاو ليبتون وتاو نيوترينو) له نكهة خاصة به من شحنة اللبتون، ومجموع الشحنات يشكل إجمالي عدد الليبتون للنظام. لفترة طويلة كان يُعتقد أن شحنة اللبتون يجب أيضًا الحفاظ عليها دائمًا. وتبين أن هذا لا يحدث في حالة النيوترينوات.

النيوترينوات اليمنى واليسرى

كل جسيم أولي له خاصية ميكانيكية كمومية تسمى الدوران. يمكن اعتبار الدوران بمثابة مقدار الحركة الدورانية للجسيم، على الرغم من أن هذا الوصف اعتباطي للغاية. يمكن توجيه الدوران في اتجاه معين بالنسبة إلى زخم الجسيم - موازيًا له أو متعامدًا. في الحالة الثانية، من المعتاد الحديث عن الاستقطاب العرضي للجسيم، في الحالة الأولى – عن الاستقطاب الطولي. مع الاستقطاب الطولي، يتم تمييز حالتين أيضًا: عندما يتم توجيه الدوران جنبًا إلى جنب مع الزخم، وعندما يتم توجيهه عكسًا له. في الحالة الأولى، يُقال إن الجسيم له استقطاب أيمن، وفي الحالة الثانية، يكون استقطابه أيسر.

لفترة طويلة في الفيزياء، اعتبر قانون حفظ التكافؤ أمرًا لا جدال فيه، والذي ينص على أنه يجب ملاحظة تناظر المرآة الصارم في الطبيعة، ويجب أن تكون الجسيمات ذات الاستقطاب الأيمن مكافئة تمامًا للجسيمات ذات الاستقطاب الأيسر. وفقًا لهذا القانون، في أي شعاع نيوترينو يمكن العثور على نفس العدد من الجسيمات المستقطبة اليمنى واليسرى.

لم تكن مفاجأة العلماء تعرف حدودًا عندما تبين أنه لم يتم ملاحظة قانون التكافؤ للنيوترينوات - فالنيوترينوات اليمنى والنيوترينوات المضادة لليد اليسرى غير موجودة في الطبيعة. جميع النيوترينوات لها استقطاب أعسر، والنيوترينوات المضادة لها استقطاب أيمن. هذا دليل على الحقيقة المدهشة وهي أن التفاعل النووي الضعيف المسؤول عن اضمحلال بيتا، الذي تولد فيه النيوترينوات، هو تفاعل نووي - عند انعكاس المرآة، تتغير قوانينه (لقد كتبنا بالفعل عن هذا بالتفصيل بشكل منفصل).

من وجهة نظر فيزياء الجسيمات الأولية في منتصف القرن العشرين، أشار الوضع مع الاستقطاب الصارم إلى أن النيوترينو جسيم عديم الكتلة، وإلا فسيتعين على المرء أن يعترف بأن قانون الحفاظ على شحنة اللبتون لم يتم الالتزام به. وبناءً على ذلك، كان يُعتقد لفترة طويلة أن النيوترينوات ليس لها كتلة حقًا. لكننا نعلم اليوم أن الأمر ليس كذلك.

كتلة بعيدة المنال

تندفع النيوترينوات بأعداد هائلة عبر سماكة الأرض ومباشرة عبر جسمنا. إنها تولد في تفاعلات نووية حرارية في الشمس والنجوم الأخرى، في الغلاف الجوي، في المفاعلات النووية، وحتى داخل أنفسنا، نتيجة للتحلل الإشعاعي لنظائر معينة. بقايا النيوترينوات التي ولدت بعد الانفجار الكبير لا تزال تطير عبر الكون. لكن تفاعلهم الضعيف للغاية مع المادة يعني أننا لا نلاحظهم على الإطلاق.

ومع ذلك، على مدار سنوات دراسة النيوترينوات، تعلم الفيزيائيون تسجيلها باستخدام طرق ذكية. وأثناء مراقبة تدفق النيوترينوات المولودة على الشمس، اكتشف العلماء حقيقة غريبة: ما يقرب من ثلاثة أضعاف عدد هذه الجسيمات التي تصل من الشمس أقل مما تتنبأ به النظرية. ومن الضروري هنا توضيح أننا نتحدث عن نوع واحد بالضبط من النيوترينوات – نيوترينوات الإلكترون.

ولتفسير هذه الحقيقة، حاولوا إشراك فرضيات مختلفة حول البنية الداخلية للشمس، القادرة على محاصرة النيوترينوات المفقودة، لكن هذه المحاولات باءت بالفشل. ولم يتبق سوى تفسير نظري واحد لهذه الحقيقة: في الطريق من الشمس إلى الأرض، تتحول الجسيمات من نوع من النيوترينو إلى نوع آخر. يواجه الجسيم المولود كنيوترينو إلكترون تذبذبات على طول مساره، ويظهر نفسه بدورية معينة على شكل ميون أو نيوترينو تاو. لذلك، ليس فقط نيوترينوات الإلكترون، ولكن أيضًا نيوترينوات الميون والتاو تطير إلى الأرض من الشمس. تم طرح فرضية تذبذبات النيوترينو من قبل الفيزيائي السوفييتي الإيطالي برونو بونتيكورفو في عام 1957. مثل هذه التحولات للنيوترينوات من نوع إلى آخر تفترض شرطًا ضروريًا - وجود كتلة النيوترينو. وأظهرت جميع التجارب التي أجريت على النيوترينوات أن كتلة هذا الجسيم صغيرة بشكل لا يذكر، ولكن لم يتم الحصول على دليل قاطع على أنها تساوي الصفر. وهذا يعني أن احتمال تذبذبات النيوترينو لا يزال قائما.

اكتشاف التذبذبات

تم الحصول على تأكيد وجود تذبذبات النيوترينو من خلال عمليات رصد النيوترينوات الشمسية والجوية في منشأة سوبركاميوكاندي التجريبية في اليابان وفي مرصد سودبوري للنيوترينو في كندا.

قام اليابانيون ببناء هيكل مثير للإعجاب لتسجيل النيوترينوات - خزان ضخم (40 × 40 مترًا) مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، مملوء بـ 50 ألف طن من الماء النقي. كان الخزان محاطًا بأكثر من 11 ألف أنبوب مضاعف ضوئي، والتي كان من المفترض أن تسجل أصغر ومضات من إشعاع شيرينكوف المتولدة عندما يتم إخراج الإلكترونات من الذرات بواسطة بعض النيوترينو. وبالنظر إلى أن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع المادة، فمن بين مليارات الجسيمات التي تطير عبر الخزان، لم يتم تسجيل سوى عدد قليل منها. وبالنظر أيضًا إلى حقيقة أنه يتعين على الباحثين غربلة هذه الأحداث من خلفية كبيرة (فبعد كل شيء، لا يزال هناك العديد من الجزيئات المختلفة تمامًا التي تطير عبر الخزان الضخم)، فقد قاموا بكمية هائلة من العمل.

وتمكن الكاشف الياباني من تمييز نيوترينوات الإلكترون والميون حسب طبيعة الإشعاع الذي تسببه. بالإضافة إلى ذلك، عرف العلماء أن معظم نيوترينوات الميونات تنشأ في الغلاف الجوي عندما تصطدم جزيئات الهواء بالأشعة الكونية. وبفضل هذا، اكتشفوا النمط التالي: كلما قطعت حزم النيوترينو مسافات أطول، قل عدد نيوترينوات الميونات بينها. وهذا يعني أنه على طول الطريق، تحولت بعض نيوترينوات الميون إلى نيوترينوات أخرى.

تم الحصول على الدليل النهائي على وجود تذبذبات النيوترينو في عام 1993 في تجربة أجريت في سدبوري. في جوهرها، كان التثبيت الكندي مشابها للياباني - خزان مياه ضخم وليس أقل إثارة للإعجاب تحت الأرض والعديد من أجهزة الكشف عن الإشعاع Cherenkov. ومع ذلك، فقد كانت بالفعل قادرة على التمييز بين جميع أنواع النيوترينوات الثلاثة: نيوترينوات الإلكترون، والميون، والتاو. ونتيجة لذلك، وجد أن العدد الإجمالي للنيوترينوات القادمة من الشمس لا يتغير ويتوافق جيدًا مع النظرية، ونقص النيوترينوات الإلكترونية يرجع على وجه التحديد إلى تذبذبها. علاوة على ذلك، وفقًا للبيانات الإحصائية، تتعرض النيوترينوات لتذبذبات بدرجة أكبر عند مرورها عبر المادة مقارنة بالفراغ، نظرًا لأن عددًا أكبر من نيوترينوات الإلكترون يصل إلى الكاشف أثناء النهار مقارنة بالليل، عندما كان على الجسيمات المولودة في الشمس التغلب على سمك الأرض بالكامل.

ووفقا لفهم اليوم، فإن تذبذبات النيوترينو هي دليل على أن هذه الجسيمات لها كتلة، على الرغم من أن القيمة الدقيقة للكتلة لا تزال غير معروفة. ولا يعرف الفيزيائيون سوى الحد الأعلى له، وهو أن النيوترينو أخف بألف مرة على الأقل من الإلكترون. إن معرفة الكتلة الدقيقة للنيوترينوات هي المهمة الكبيرة التالية للفيزيائيين العاملين في هذا الاتجاه، ومن الممكن أن يتم منح جائزة نوبل القادمة للنيوترينوات لهذا الإنجاز.

النيوترينوات - تمامًا مثل اللبتونات المشحونة (الإلكترون، والميون، والتاو)، والكواركات العلوية (العلوية، الساحرة، الحقيقية) والكواركات السفلية (السفلية، الغريبة، الساحرة) - تأتي في ثلاثة أنواع. ولكن يمكن تقسيمها إلى أنواع بطرق مختلفة. علاوة على ذلك، ونظرًا للطبيعة الكمومية لعالمنا، يمكن استخدام واحد منهم فقط في وقت واحد. سأشرح في هذا المقال سبب حدوث ذلك، وكيف تؤدي هذه الحقيقة إلى حقيقة مثيرة للاهتمام ومهمة علميًا مثل تذبذبات النيوترينو.

قد تعتقد أن كل جسيم له كتلة معينة - على سبيل المثال، طاقة كتلة الإلكترونات هي (E = mc 2) 0.000511 GeV - ومن وجهة نظر محتملة، فإن الأنواع الثلاثة من النيوترينوات ليست استثناءات. يمكننا تصنيف النيوترينوات الثلاثة حسب كتلتها (التي لم تُعرف بعد بالضبط)، ونطلق عليها، من الأخف إلى الأثقل، نيوترينو-1، ونيوترينو-2، ونيوترينو-3. سوف نسمي هذا التقسيم التصنيف الكتلي، وهذه الأنواع من النيوترينوات هي أنواع الكتلة.


أرز. 1

هناك طريقة أخرى لتصنيف النيوترينوات وهي ارتباطها بالليبتونات المشحونة (الإلكترون والميون والتاو). هذا مذكور في المقالة حول الشكل الذي ستبدو عليه الجسيمات إذا كان مجال هيغز صفرًا. أفضل طريقة لفهم ذلك هو التركيز على كيفية تأثر النيوترينوات بالقوة النووية الضعيفة، والتي تنعكس في تفاعلاتها مع جسيم W. جسيم W ثقيل جدًا، وإذا أنتجته، فإنه يمكن أن يتحلل (الشكل 1). ) إلى واحد من ثلاثة نيوترينوات مشحونة وواحد من ثلاثة نيوترينوات. إذا اضمحل W إلى مضاد تاو، فسيظهر نيوترينو تاو. وبالمثل، إذا اضمحل W إلى مضاد الميون، فسيظهر نيوترينو الميون. (أمر بالغ الأهمية لإنشاء شعاع النيوترينو، حيث يضمحل البيون من خلال التفاعلات الضعيفة، وتنتج البيونات المشحونة إيجابيًا أنتيمون ونيوترينو ميون). وإذا اضمحلت W إلى بوزيترون، فسيظهر نيوترينو إلكتروني. دعنا نسمي هذا تصنيفًا ضعيفًا، وهذه النيوترينوات هي نيوترينوات من النوع الضعيف لأنها تتحدد بالتفاعل الضعيف.

حسنا، ما هي المشكلة هنا؟ نحن نستخدم باستمرار تصنيفات مختلفة لتطبيقها على الأشخاص. نتحدث عن حقيقة أن الناس صغار وكبار وكبار؛ فهي طويلة ومتوسطة الارتفاع وقصيرة. ولكن يمكن تقسيم الناس حسب الرغبة، على سبيل المثال، إلى تسع فئات: صغار وطويلون، شباب ومتوسطو القامة، بالغون وقصيرون، كبار السن وقصيرون، وما إلى ذلك. لكن ميكانيكا الكم تمنعنا من فعل الشيء نفسه مع تصنيفات النيوترينو. لا توجد نيوترينوات هي نيوترينوات الميون ونيوترينو-1؛ لا يوجد تاو نيوترينو-3. إذا أخبرتك بكتلة النيوترينو (وبالتالي ما إذا كان ينتمي إلى مجموعة النيوترينو 1 أو 2 أو 3)، فأنا ببساطة لا أستطيع أن أخبرك ما إذا كان إلكترونًا أم ميونًا أم نيوترينو تاو. النيوترينو ذو كتلة معينة هو خليط أو "تراكب" لثلاثة نيوترينوات من النوع الضعيف. كل نيوترينو كتلي - نيوترينو 1، ونيوترينو 2، ونيوترينو 3 - عبارة عن خليط دقيق ولكنه متميز من نيوترينوات الإلكترون والميون والتاو.

والعكس صحيح أيضا. إذا رأيت بيونًا يتحلل إلى أنتيمون ونيوترينو، فسوف أعرف على الفور أن النيوترينو الناتج سيكون نيوترينو ميون - لكنني لن أتمكن من معرفة كتلته، لأنه سيكون خليطًا من النيوترينو 1 والنيوترينو 2. والنيوترينو 3 . إن نيوترينو الإلكترون ونيوترينو تاو هما أيضًا مزيجان دقيقان ولكن مختلفان من ثلاثة نيوترينوات ذات كتل معينة.

العلاقة بين هذه الأنواع الضخمة والضعيفة تشبه إلى حد كبير (ولكنها ليست مكافئة تمامًا) للعلاقة بين تصنيفات الطرق السريعة الأمريكية على أنها "شمال-جنوب" و"غرب-شرق" (تقسمها حكومة الولايات المتحدة بهذه الطريقة، حيث تخصص طرقًا غريبة أرقام إلى الطرق السريعة C/S وحتى طرق W/E البسيطة)، وتقسيمها إلى طرق تمتد من "الشمال الشرقي إلى الجنوب الغربي" ومن "الجنوب الشرقي إلى الشمال الغربي". هناك مزايا لاستخدام أي من التصنيفين: تصنيف N/S – W/E مناسب إذا كنت تركز على خطوط الطول والعرض، في حين أن تصنيف NE/SW – SE/NW سيكون أكثر فائدة بالقرب من الساحل لأنه يمتد من الجنوب الغربي إلى الشمال الغربي. ولكن لا يمكن استخدام كلا التصنيفين في نفس الوقت. الطريق الممتد نحو الشمال الشرقي هو شمالًا جزئيًا وجزئيًا شرقًا؛ لا يمكنك أن تقول أنها إما هذا أو ذاك. والطريق الشمالي عبارة عن خليط من الشمال الشرقي والشمال الغربي. الأمر نفسه مع النيوترينوات: النيوترينوات من النوع الكتلي هي خليط من النيوترينوات من النوع الضعيف، والنيوترينوات من النوع الضعيف هي خليط من النيوترينوات من النوع الكتلي. (ينهار هذا التشبيه إذا قررت استخدام التصنيف المحسن للطرق N/S - NE/SW - E/W - SE/NW؛ لا يوجد مثل هذا الخيار للنيوترينوات).

إن عدم القدرة على تصنيف النيوترينوات إلى نوع معين من الكتلة ونوع معين ضعيف هو مثال على مبدأ عدم اليقين، وهو يشبه الغرابة التي تمنع معرفة الموقع الدقيق للجسيم والسرعة الدقيقة له في نفس الوقت. إذا كنت تعرف بالضبط إحدى هذه الخصائص، فليس لديك أي فكرة عن الأخرى. أو قد تتعلم شيئًا عن كلا الخاصيتين، ولكن ليس كل شيء. تخبرك ميكانيكا الكم بالضبط كيف توازن بين معرفتك وجهلك. بالمناسبة، هذه المشاكل لا تنطبق فقط على النيوترينوات. وترتبط أيضًا بجسيمات أخرى، ولكنها ذات أهمية خاصة في سياق سلوك النيوترينوات.

قبل بضعة عقود، كان كل شيء أبسط. في ذلك الوقت كان يُعتقد أن النيوترينوات ليس لها كتلة، لذا كان يكفي استخدام تصنيف ضعيف. إذا نظرت إلى الأوراق القديمة أو الكتب القديمة للأشخاص العاديين، فلن ترى سوى أسماء مثل نيوترينو الإلكترون، ونيوترينو الميون، ونيوترينو التاو. ومع ذلك، بعد اكتشافات التسعينيات، لم يعد هذا كافيا.

والآن تبدأ المتعة. لنفترض أن لديك نيوترينوات من النوع الإلكتروني عالي الطاقة، أي خليط معين من النيوترينو-1، والنيوترينو-2، والنيوترينو-3. تتحرك النيوترينوات عبر الفضاء، لكن أنواع كتلتها الثلاثة المختلفة تتحرك بسرعات مختلفة قليلاً، قريبة جدًا من سرعة الضوء. لماذا؟ لأن سرعة الجسم تعتمد على طاقته وكتلته، وأنواع الكتلة الثلاثة لها ثلاث كتل مختلفة. إن الفرق في سرعتيهما صغير للغاية بالنسبة لأي نيوترينو يمكننا قياسه - ولم يتم ملاحظته من قبل - ولكن تأثيره كبير بشكل مدهش!

فرق سرعة النيوترينو - بعض الصيغ

يمكن كتابة سرعة الجسيم v في النظرية النسبية لأينشتاين من خلال كتلة الجسيم m والطاقة E (هذه هي الطاقة الكلية، أي طاقة الحركة بالإضافة إلى طاقة الكتلة E=mc2)، و سرعة الضوء ج، كما يلي:

إذا كان للجسيم سرعة عالية جدًا وكانت طاقته الإجمالية E أكبر بكثير من طاقة الكتلة mc 2، إذن

تذكر أن الرقم 1/2 المرفوع يعني "أخذ الجذر التربيعي". إذا كان للجسيم سرعة عالية جدًا وكانت طاقته الإجمالية E أكبر بكثير من طاقة كتلته mc2، إذن

حيث تذكرك النقاط بأن هذه الصيغة ليست دقيقة، ولكنها تقريب جيد للكبير E. وبعبارة أخرى، فإن سرعة الجسيم الذي يتحرك بسرعة الضوء تقريبًا تختلف عن سرعة الضوء بمقدار يساوي نصف المربع نسبة طاقة كتلة الجسيم إلى طاقته الكلية. من الواضح من هذه الصيغة أنه إذا كان لنيوترونين كتلتين مختلفتين m 1 و m 2، ولكن لهما نفس الطاقة العالية E، فإن سرعتيهما تختلفان قليلاً جدًا.

دعونا نرى ماذا يعني هذا. وصلت جميع النيوترينوات المقاسة من المستعر الأعظم الذي انفجر في عام 1987 إلى الأرض خلال فترة زمنية مدتها 10 ثوانٍ. لنفترض أن نيوترينو الإلكترون قد انبعث من مستعر أعظم بطاقة تبلغ 10 ميغا إلكترون فولت. كان هذا النيوترينو عبارة عن خليط من النيوترينو 1، والنيوترينو 2، والنيوترينو 3، وكل منهم يتحرك بسرعة مختلفة قليلاً! فهل نلاحظ هذا؟ نحن لا نعرف الكتلة الدقيقة للنيوترينوات، ولكن لنفترض أن النيوترينو-2 لديه طاقة كتلة تبلغ 0.01 فولت، وأن النيوترينو-1 لديه طاقة كتلة تبلغ 0.001 فولت. ثم إن سرعتيهما، مع تساوي طاقتيهما، ستختلفان عن سرعة الضوء وعن بعضهما البعض بأقل من جزء من مائة ألف تريليون:

(خطأ جميع المعادلات لا يتجاوز 1%). ويعني هذا الاختلاف في السرعة أن أجزاء نيوترينو-2 ونيوترينو-1 من نيوترينو الإلكترون الأصلي ستصل إلى الأرض خلال ميلي ثانية واحدة من بعضها البعض، وهو فرق يستحيل اكتشافه لمجموعة متنوعة من الأسباب التقنية.

والآن ننتقل من الأشياء المثيرة للاهتمام إلى الأشياء الغريبة حقًا.

يؤدي هذا الاختلاف البسيط في السرعة إلى تغير المزيج الدقيق من النيوترينو-1 والنيوترينو-2 والنيوترينو-3 الذي يشكل نيوترينو الإلكترون تدريجيًا أثناء تحركه عبر الفضاء. وهذا يعني أن نيوترينو الإلكترون الذي بدأنا به، بمرور الوقت، لم يعد هو نفسه ويتوافق مع خليط محدد من النيوترينو-1، والنيوترينو-2، والنيوترينو-3. تعمل الكتل المختلفة للنيوترينوات ذات ثلاثة أنواع من الكتلة على تحويل نيوترينو الإلكترون الأولي في عملية الحركة إلى خليط من نيوترينوات الإلكترون ونيوترينوات الميون ونيوترينوات التاو. تعتمد النسب المئوية للخليط على الفرق في السرعات، وبالتالي على طاقة النيوترينو الأولي، وكذلك على الفرق في الكتل (بتعبير أدق، على الفرق في مربعات الكتل) للنيوترينو.

أرز. 2

في البداية يزداد التأثير. ولكن المثير للاهتمام، كما هو موضح في الشكل. 2، وهذا التأثير لا يتزايد باستمرار فقط. فهو ينمو، ثم يتناقص مرة أخرى، ثم ينمو مرة أخرى، ويتناقص مرة أخرى، مرارًا وتكرارًا، مع تحرك النيوترينو. وهذا ما يسمى تذبذبات النيوترينو. تعتمد كيفية حدوثها بالضبط على كتلة النيوترينوات وكيفية اختلاط النيوترينوات ذات الكتلة والنيوترينوات الضعيفة هناك.

يمكن قياس تأثير التذبذبات نظرًا لحقيقة أن نيوترينو الإلكترون عند اصطدامه بالنواة (وهذه هي الطريقة التي يمكن من خلالها اكتشاف النيوترينو) يمكن أن يتحول إلى إلكترون، ولكن ليس إلى ميون أو تاو، في حين أن الميوني يمكن أن يتحول الإلكترينو إلى ميون، لكن ليس إلى إلكترون أو تاو. فإذا بدأنا بشعاع من نيوترينوات الميونات، وبعد أن قطع مسافة معينة، اصطدمت بعض النيوترينوات بالنوى وتحولت إلى إلكترونات، فهذا يعني حدوث تذبذبات في الشعاع، وتتحول نيوترينوات الميون إلى نيوترينوات إلكترونية.

أحد التأثيرات المهمة جدًا يعقد هذه القصة ويثريها. نظرًا لأن المادة العادية تتكون من إلكترونات ولكن ليس من الميونات أو التاو، فإن نيوترينوات الإلكترون تتفاعل معها بشكل مختلف عن الميونات أو التاو. وهذه التفاعلات التي تحدث من خلال القوة الضعيفة تكون صغيرة للغاية. لكن إذا مر النيوترينو عبر سمك كبير من المادة (على سبيل المثال، من خلال جزء ملحوظ من الأرض أو الشمس)، فإن هذه التأثيرات الصغيرة يمكن أن تتراكم وتؤثر بشكل كبير على التذبذبات. ولحسن الحظ، فإننا نعرف ما يكفي عن التفاعل النووي الضعيف للتنبؤ بهذه التأثيرات بالتفصيل، ولحساب السلسلة بأكملها بشكل عكسي، بدءًا من القياسات التجريبية وحتى توضيح خصائص النيوترينوات.

كل هذا يتم باستخدام ميكانيكا الكم. إذا لم يكن هذا أمرًا بديهيًا بالنسبة لك، فاسترخي؛ انها ليست بديهية بالنسبة لي سواء. حصلت على كل الحدس الذي كان لدي من المعادلات.

اتضح أن قياس تذبذبات النيوترينو بعناية هو أسرع طريقة لدراسة خصائص النيوترينوات! وقد حصل هذا العمل بالفعل على جائزة نوبل. تنبثق هذه القصة بأكملها من التفاعل الكلاسيكي بين التجربة والنظرية، والذي يمتد من الستينيات إلى يومنا هذا. وسأذكر أهم القياسات التي تم إجراؤها.

كبداية، يمكننا دراسة نيوترينوات الإلكترون التي يتم إنتاجها في مركز الشمس، في فرنها النووي المدروس جيدًا. تنتقل هذه النيوترينوات عبر الشمس وعبر الفضاء الفارغ إلى الأرض. لقد تم اكتشاف أنه عند وصولهم إلى الأرض، من المحتمل أن يكونوا من نوع الميون أو التاو كما هم من نوع نيوترينو الإلكترون. وهذا في حد ذاته دليل على تذبذب النيوترينو، كما أن التوزيع الدقيق يعطينا معلومات مفصلة عن النيوترينو.

لدينا أيضًا نيوترينوات الميون، التي تنتج عن اضمحلال البيونات الناتجة عن الأشعة الكونية. الأشعة الكونية هي جسيمات عالية الطاقة تأتي من الفضاء الخارجي وتصطدم بالنوى الذرية في الغلاف الجوي العلوي. غالبًا ما تحتوي شلالات الجسيمات الناتجة على بيونات، والتي يتحلل الكثير منها إلى نيوترينوات الميونات والميونات المضادة، أو الميونات المضادة للنيوترينوات والميونات. نكتشف بعضًا من هذه النيوترينوات (والنيوترينوات المضادة) في أجهزة الكشف لدينا، ويمكننا قياس مقدار نيوترينوات الإلكترون (والنيوترينوات المضادة) اعتمادًا على مقدار مساحة الأرض التي مرت بها قبل اصطدامها بالكاشف. وهذا يعطينا مرة أخرى معلومات مهمة حول سلوك النيوترينوات.

لقد علمتنا هذه النيوترينوات "الشمسية" و"الجوية" الكثير عن خصائص النيوترينوات على مدار العشرين عامًا الماضية (وقد حدث أول تلميح لشيء مثير للاهتمام منذ حوالي 50 عامًا). وتضاف إلى مصادر الطاقة الطبيعية هذه دراسات مختلفة أجريت باستخدام أشعة النيوترينو، مثل تلك المستخدمة في تجربة OPERA، وكذلك استخدام النيوترينوات من المفاعلات النووية التقليدية. تتوافق كل القياسات إلى حد كبير مع التفسير القياسي للنيوترينوات الشمسية والجوية، وتسمح بإجراء قياسات أكثر دقة لمخاليط النيوترينوات من النوع الكتلي والنيوترينوات من النوع الضعيف، والاختلافات في الكتل المربعة للنيوترينوات من النوع الكتلي.

وكما هو متوقع، هناك تناقضات صغيرة مع التوقعات النظرية في التجارب، ولكن لم يتم تأكيد أي منها ومعظمها، إن لم يكن كلها، مجرد حظ إحصائي أو مشاكل على المستوى التجريبي. حتى الآن، لم يتم تأكيد أي تناقض مع فهم النيوترينوات وسلوكها في العديد من التجارب. من ناحية أخرى، هذه الصورة بأكملها جديدة تمامًا وتم اختبارها بشكل سيء، لذا فمن الممكن تمامًا، على الرغم من أنه من غير المحتمل، أن تكون هناك تفسيرات مختلفة تمامًا. في الواقع، تم بالفعل اقتراح بدائل خطيرة للغاية. لذا، فإن توضيح تفاصيل خصائص النيوترينوات هو مجال بحثي يتطور بشكل نشط، حيث يوجد اتفاق في معظمه، ولكن لا تزال بعض الأسئلة مفتوحة - بما في ذلك التحديد الكامل وغير القابل للإلغاء لكتل ​​النيوترينوات.