Teorien forudsiger eksistensen af en lov om periodisk ændring i sandsynligheden for at detektere en partikel af en bestemt type afhængigt af den korrekte tid, der er gået siden skabelsen af partiklen.
Ideen om neutrinoscillationer blev først fremsat af den sovjetisk-italienske fysiker B. M. Pontecorvo i 1957.
Tilstedeværelsen af neutrinoscillationer er vigtig for at løse solneutrinoproblemet.
Oscillationer i et vakuum
Det antages, at sådanne transformationer er en konsekvens af tilstedeværelsen af masse i neutrinoer eller (i tilfælde af neutrino↔antineutrino-transformationer) ikke-bevarelse af leptonladning ved høje energier.
se også
- Matrix Pontecorvo - Maki - Nakagawa - Sakata
- Oscillationer af neutrale kaoner
- B-meson svingninger
Noter
Litteratur
- Yu. G. Kudenko, "Studie af neutrinoscillationer i lang-baseline accelerator eksperimenter", Advances in Physical Sciences, vol. 6, 2011.
- S. M. Bilenky, "Masse, blanding og oscillationer af neutrinoer", Advances in Physical Sciences 173 1171-1186 (2003)
Wikimedia Foundation. 2010.
Se, hvad "Neutrinoscillationer" er i andre ordbøger:
Neutrinoscillationer af transformationen af en neutrino (elektron, muon eller taon) til en neutrino af en anden type (generation) eller til en antineutrino. Teorien forudsiger eksistensen af en lov om periodisk ændring i sandsynligheden for at opdage en partikel... ... Wikipedia
- (v), en let (muligvis masseløs) elektrisk neutral partikel med spin 1/2 (i enheder ћ), der kun deltager i svag og gravitation. eksponeringer. N. tilhører klassen af leptoner, og ifølge statistikker. Hellig åbenbaring til dig fermion. Der kendes tre typer af N.: ... ... Fysisk encyklopædi
Næsten alle nørder har hørt om neutrinoscillationer. Der er skrevet meget faglitteratur og en masse populære artikler om dette fænomen, men kun forfatterne af lærebøger mener, at læseren forstår feltteori og endda kvanteteori, og forfatterne af populære artikler begrænser sig normalt til sætninger i stil: “Partiklerne flyver og flyver, og så BAM og blive til andre,” og med en anden masse (!!!). Lad os prøve at finde ud af, hvor denne interessante effekt kommer fra, og hvordan den observeres ved hjælp af enorme installationer. Og samtidig vil vi lære at finde og udvinde flere nødvendige atomer fra 600 tons stof.
Endnu en neutrino
I en tidligere artikel talte jeg om, hvordan ideen om eksistensen af neutrinoer dukkede op i 1932, og hvordan denne partikel blev opdaget 25 år senere. Lad mig minde dig om, at Reines og Cowan registrerede interaktionen mellem en antineutrino og en proton. Men allerede dengang troede mange videnskabsmænd, at neutrinoer kunne være af flere typer. En neutrino, der aktivt interagerer med en elektron, kaldes elektron, og en neutrino, der interagerer med en myon, kaldes muonisk. Eksperimentatorerne skulle finde ud af, om disse to forhold var forskellige eller ej. Lederman, Schwartz og Steinberger udførte et bemærkelsesværdigt eksperiment. De undersøgte en stråle af pi-mesoner fra speederen. Sådanne partikler henfalder let til myoner og neutrinoer.Hvis neutrinoer virkelig har forskellige typer, bør en myon fødes. Så er alt simpelt - vi placerer et mål i de fødte partiklers vej og studerer, hvordan de interagerer: med fødslen af en elektron eller en myon. Erfaringen har tydeligt vist, at elektroner næsten aldrig skabes.
Så nu har vi to typer neutrinoer! Vi er klar til at gå videre til næste trin i at diskutere neutrinoscillationer.
Dette er en slags "forkert" sol
De første neutrino-eksperimenter brugte en kunstig kilde: en reaktor eller accelerator. Dette gjorde det muligt at skabe meget kraftige strømme af partikler, fordi interaktioner er ekstremt sjældne. Men det var meget mere interessant at registrere naturlige neutrinoer. Af særlig interesse er studiet af strømmen af partikler fra Solen.Ved midten af det 20. århundrede var det allerede klart, at der ikke brændte brænde i Solen - de gjorde regnestykket, og det viste sig, at der ikke ville være brænde nok. Energi frigives under kernereaktioner i selve midten af Solen. For eksempel kaldes hovedprocessen for vores stjerne "proton-proton-cyklussen", når et heliumatom er samlet af fire protoner.
Det kan bemærkes, at ved det første trin bør de partikler af interesse for os fødes. Og her kan neutrinofysikken vise al sin kraft! Kun Solens overflade (fotosfæren) er tilgængelig for optisk observation, og neutrinoer passerer uhindret gennem alle lag af vores stjerne. Som følge heraf kommer de registrerede partikler fra selve centrum, hvor de er født. Vi kan "observere" Solens kerne direkte. Naturligvis kunne sådan forskning ikke undgå at tiltrække fysikere. Derudover var den forventede flux næsten 100 milliarder partikler per kvadratcentimeter per sekund.
Det første sådan eksperiment blev udført af Raymond Davis i den største guldmine i Amerika - Homestake-minen. Installationen skulle skjules dybt under jorden for at beskytte sig mod en kraftig strøm af kosmiske partikler. En neutrino kan uden problemer passere halvanden kilometer sten, men andre partikler vil blive stoppet. Detektoren var en enorm tønde fyldt med 600 tons tetrachlorethylen - en forbindelse med 4 kloratomer. Dette stof bruges aktivt i renseri og er ret billigt.
Denne registreringsmetode blev foreslået af Bruno Maksimovich Pontecorvo. Når klor interagerer med neutrinoer, bliver klor til en ustabil isotop af argon,
som fanger en elektron fra den nedre orbital og henfalder tilbage i gennemsnit på 50 dage.
Men! Kun omkring 5 neutrino-interaktioner forventes pr. dag. Om et par uger vil kun 70 fødte argonatomer ophobes, og de skal findes! Find flere dusin atomer i en 600 tons tønde. En virkelig fantastisk opgave. Hver anden måned rensede Davis tønden med helium og blæste det resulterende argon ud. Den gentagne gange oprensede gas blev anbragt i en lille detektor (geigertæller), hvor antallet af henfald af det resulterende argon blev talt. Sådan blev antallet af neutrino-interaktioner målt.
Næsten med det samme viste det sig, at neutrinofluxen fra Solen var næsten tre gange lavere end forventet, hvilket skabte en stor sensation i fysikken. I 2002 delte Davis og Koshiba-san Nobelprisen for deres betydelige bidrag til astrofysikken, herunder opdagelsen af kosmiske neutrinoer.
En lille note: Davis registrerede neutrinoer ikke fra proton-proton-reaktionen, som jeg beskrev ovenfor, men fra lidt mere komplekse og sjældne processer med beryllium og bor, men dette ændrer ikke på essensen.
Hvem har skylden, og hvad skal man gøre?
Så neutrinofluxen er tre gange mindre end forventet. Hvorfor? Følgende muligheder kan tilbydes:Disse vægelsindede neutrinoer
Et år før resultaterne af Davis' eksperiment blev opnået, udviklede den allerede nævnte Bruno Pontecorvo en teori om, hvordan præcist neutrinoer kan ændre deres type i et vakuum. En konsekvens er, at forskellige typer neutrinoer bør have forskellige masser. Og hvorfor i alverden skulle partikler lige som dette i farten ændre deres masse, som generelt set burde bevares? Lad os finde ud af det.Vi kan ikke undvære en lille introduktion til kvanteteori, men jeg vil forsøge at gøre denne forklaring så gennemsigtig som muligt. Alt du behøver er grundlæggende geometri. Systemets tilstand er beskrevet af en "tilstandsvektor". Da der er en vektor, så skal der være et grundlag. Lad os se på farverumsanalogien. Vores "stat" er farven grøn. I RGB-grundlaget vil vi skrive denne vektor som (0, 1, 0). Men i CMYK-grundlaget vil næsten den samme farve blive skrevet anderledes (0,63, 0, 1, 0). Det er indlysende, at vi ikke har og kan ikke have et "hoved" grundlag. Til forskellige behov: billeder på en skærm eller udskrivning skal vi bruge vores eget koordinatsystem.
Hvilket grundlag vil der være for neutrinoer? Det er ret logisk at nedbryde neutrinofluxen i forskellige typer: elektron (), muon () og tau (). Hvis vi har en strøm af udelukkende elektronneutrinoer, der flyver fra Solen, så er denne tilstand (1, 0, 0) på et sådant grundlag. Men som vi allerede har diskuteret, kan neutrinoer være massive. Desuden har de forskellige masser. Det betyder, at neutrinofluxen også kan nedbrydes i massetilstande: med hhv.
Hele pointen med svingninger er, at disse baser ikke er sammenfaldende! De blå på billedet viser typerne (sorterne) af neutrinoer, og de røde viser tilstande med forskellig masse.
Det vil sige, at hvis en elektronneutrino dukkede op i en neutrons henfald, så optrådte tre massetilstande på én gang (projiceret ved ).
Men hvis disse tilstande har lidt forskellige masser, så vil energierne være lidt anderledes. Og da energierne er forskellige, så vil de forplante sig anderledes i rummet. Billedet viser præcis, hvordan disse tre tilstande vil udvikle sig over tid.
(c) www-hep.physics.wm.edu
På billedet er partiklens bevægelse vist i form af en bølge. Denne repræsentation kaldes de Broglie-bølge, eller bølgen af sandsynlighed for at registrere en bestemt partikel.
Neutrinoer interagerer afhængigt af typen (). Derfor, når vi ønsker at beregne, hvordan en neutrino vil manifestere sig, er vi nødt til at projicere vores tilstandsvektor på (). Og dermed vil der være sandsynlighed for at registrere en eller anden type neutrino. Disse er de sandsynlighedsbølger, vi får for en elektronneutrino afhængigt af den tilbagelagte afstand:
Hvor meget typen vil ændre sig, bestemmes af de relative vinkler af de beskrevne koordinatsystemer (vist i den foregående figur) og masseforskellene.
Hvis kvantemekanikkens terminologi ikke skræmmer dig, og du har tålmodigheden til at læse op til dette punkt, så kan en simpel formel beskrivelse findes på Wikipedia.
Hvordan er det egentlig?
Teorien er selvfølgelig god. Men vi kan stadig ikke beslutte, hvilken af de to muligheder der er realiseret i naturen: Solen er "ikke sådan" eller neutrinoer er "ikke sådan." Der er brug for nye eksperimenter, som definitivt vil vise arten af denne interessante effekt. Jeg vil bogstaveligt talt beskrive i en nøddeskal de vigtigste rammer, der spillede en nøglerolle i forskningen.Kamioka Observatorium
Historien om dette observatorium begynder med det faktum, at de forsøgte at finde protonhenfald her. Det er grunden til, at detektoren modtog det passende navn - "Kamiokande" (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Men efter at have opdaget intet, fokuserede japanerne hurtigt på en lovende retning: studiet af atmosfæriske og solneutrinoer. Vi har allerede diskuteret, hvor solenergi kommer fra. Atmosfæriske er født i henfald af myoner og pi-mesoner i jordens atmosfære. Og mens de når Jorden formår de at svinge.Detektoren begyndte at indsamle data i 1987. De var vildt heldige med datoerne, men mere om det i næste artikel :) Installationen var en kæmpe tønde fyldt med det reneste vand. Væggene var brolagt med fotomultiplikatorrør. Hovedreaktionen, hvorved neutrinoer blev fanget, var udløsningen af en elektron fra vandmolekyler:
En hurtigt flyvende fri elektron lyser mørkeblåt i vand. Denne stråling blev registreret af fotomultiplikatorer på væggene. Efterfølgende blev installationen opgraderet til Super-Kamiokande og fortsatte sit arbejde.
Eksperimentet bekræftede underskuddet af solneutrinoer og tilføjede hertil underskuddet af atmosfæriske neutrinoer.
Gallium eksperimenter
Næsten umiddelbart efter lanceringen af Kakiokande i 1990 begyndte to galliumdetektorer at fungere. En af dem var placeret i Italien, under Grand Sasso-bjerget i et laboratorium af samme navn. Den anden er i Kaukasus, i Baksan-kløften, under Andyrchi-bjerget. Neutrino-landsbyen blev bygget specielt til dette laboratorium i kløften. Selve metoden blev foreslået af Vadim Kuzmin, inspireret af Pontecorvos ideer, tilbage i 1964.Når det interagerer med neutrinoer, bliver gallium til en ustabil isotop af germanium, som henfalder tilbage til gallium på gennemsnitligt 16 dage. I løbet af en måned dannes der adskillige snese germaniumatomer, som meget omhyggeligt skal udvindes af gallium, placeres i en lille detektor, og antallet af henfald tilbage til gallium tælles. Fordelen ved galliumforsøg er, at de kan fange meget lavenergineutrinoer, som er utilgængelige for andre faciliteter.
Alle de ovenfor beskrevne eksperimenter viste, at vi ser færre neutrinoer end forventet, men dette beviser ikke tilstedeværelsen af svingninger. Problemet kan stadig være en forkert model af Solen. SNO-eksperimentet satte det sidste og sidste punkt i problemet med solneutrinoer.
Sudbury Observatorium
Canadiere byggede en enorm "dødsstjerne" i Creighton-minen.
I en dybde af to kilometer blev der placeret en akrylkugle, omgivet af fotomultiplikatorer og fyldt med 1000 tons tungt vand. Dette vand adskiller sig fra almindeligt vand ved, at almindeligt brint med én proton erstattes af deuterium – en forbindelse af en proton og en neutron. Det var deuterium, der spillede en nøglerolle i løsningen af problemerne med solneutrinoer. En sådan installation kunne registrere både interaktioner mellem elektronneutrinoer og interaktioner af alle andre typer! Elektronenutrinoer vil ødelægge deuterium med fødslen af en elektron, mens alle andre typer elektroner ikke kan føde. Men de kan let "skubbe" deuterium, så det falder fra hinanden i dets bestanddele, og neutrinoen flyver videre.
En hurtig elektron, som vi allerede har diskuteret, lyser, når den bevæger sig i et medium, og en neutron skulle hurtigt blive fanget af deuterium og udsende en foton. Alt dette kan optages ved hjælp af fotomultiplikatorrør. Fysikere er endelig i stand til at måle den fulde strøm af partikler fra Solen. Hvis det viser sig, at det falder sammen med forventningerne, så overføres elektronneutrinoer til andre, og hvis det er mindre end forventet, så er den forkerte model af Solen skylden.
Eksperimentet begyndte at fungere i 1999, og målinger tydede sikkert på, at der var en mangel på den elektroniske komponent
Lad mig minde dig om, at næsten udelukkende elektronneutrinoer kan fødes i en stjerne. Det betyder, at resten blev opnået i løbet af svingninger! For disse værker modtog Arthur MacDonald (SNO) og Kajita-san (Kamiokande) Nobelprisen i 2015.
Næsten med det samme, i begyndelsen af 2000'erne, begyndte andre eksperimenter at studere svingninger. Denne effekt blev også observeret for menneskeskabte neutrinoer. Det japanske eksperiment KamLAND, der ligger samme sted, i Kamioka, observerede allerede i 2002 svingninger af elektron-antineutrinoer fra reaktoren. Og det andet, også japanske, K2K-eksperiment registrerede for første gang en ændring i typen af neutrinoer skabt ved hjælp af en accelerator. Den velkendte Super-Kamiokande blev brugt som langtrækkende detektor.
Nu studerer flere og flere installationer denne effekt. Detektorer bliver bygget på Bajkalsøen, i Middelhavet og på Sydpolen. Der var også installationer nær Nordpolen. Alle fanger de neutrinoer af kosmisk oprindelse. Accelerator- og reaktoreksperimenter kører. Parametrene for selve svingningerne bliver finpudset, og man forsøger at finde ud af noget om størrelsen af neutrinomasserne. Noget tyder på, at det er ved hjælp af denne effekt, at stoffets overvægt over antistof i vores univers kan forklares!
Under spoileren er en lille bemærkning til de mest betænksomme.
2015-prisen blev udstedt med ordlyden "for opdagelsen af neutrinoscillationer, der viser tilstedeværelsen af masse i dem." Denne udtalelse forårsagede en vis forvirring blandt fysikere. Når vi måler solneutrinoer (SNO-eksperiment), er vi ufølsomme over for masseforskelle. Generelt kan massen være nul, men svingningerne vil forblive. Denne adfærd forklares af neutrinoers interaktion med solstof (Mikheev-Smirnov-Wolfenstein-effekten). Det vil sige, at der er oscillationer af solneutrinoer, deres opdagelse er et grundlæggende gennembrud, men dette har aldrig indikeret tilstedeværelsen af masse. Faktisk tildelte Nobelkomiteen prisen med en forkert formulering.
Det er i vakuum, at svingninger manifesterer sig for atmosfæriske, reaktor- og acceleratoreksperimenter. Tilføj tags
Teorien om neutrino-oscillationer er dukket op som en mulig løsning på problemet med sol-neutrino-mangel. Problemets kerne var, at i solen, ifølge standardmodellen, opstår neutrinoer hovedsageligt som et resultat af proton-proton-cyklusreaktionen:
p + p2H + e + + e + 0,42 MeV
(Den relative sandsynlighed for en sådan reaktion er 99,75%)
Hovedkilden til højenergi-neutrinoer på Solen er henfaldene af 8 B-isotoper, som opstår i reaktionen 7 Be(p,) 8 B (en sjælden gren af proton-proton-cyklussen):
13N13C + e + + e + 1,20 MeV
15015N + e + + e + 1,73 MeV
I øjeblikket er der fire serier af eksperimentelle data om registrering af forskellige grupper af solneutrinoer. Radiokemiske forsøg baseret på reaktionen 37 Cl + e 37 Ar + e - er blevet udført i 30 år. Ifølge teorien skulle hovedbidraget til denne reaktion komme fra neutrinoer fra henfaldet af 8 V. Der er udført forskning i direkte påvisning af neutrinoer fra henfaldet af 8 V med målinger af energien og retningen af neutrinobevægelsen. i KAMIOKANDE-eksperimentet siden 1987. Radiokemiske forsøg på reaktionen 71 Ga + e 71 Ge + e - er blevet udført i de sidste fem år af to grupper af videnskabsmænd fra en række lande. Et vigtigt træk ved denne reaktion er dens følsomhed hovedsageligt over for den første reaktion i proton-proton-cyklussen p + p 2 D + e + + e. Hastigheden af denne reaktion bestemmer hastigheden af energifrigivelsen i solfusionsovnen i realtid. Alle eksperimenter viser et underskud i solneutrinofluxe sammenlignet med forudsigelserne fra Standard Solar Model.
En mulig løsning på problemet med solneutrino-mangel er neutrinoscillationer - omdannelsen af elektronneutrinoer til myon- og tau-neutrinoer.
Den første ting, du skal være opmærksom på, når du begynder at diskutere neutrinoers egenskaber, er eksistensen af deres forskellige varianter.
Som du ved, kan vi i øjeblikket helt sikkert tale om tre sådanne sorter:
ν e , ν μ , ν τ og følgelig deres antineutrinoer. Når den udveksles med en ladet W-boson, bliver en elektronneutrino til en elektron, og en muonisk neutrino bliver til en myon (ν τ producerer en taulepton). Denne egenskab gjorde det muligt på et tidspunkt at fastslå forskellen i naturen af elektron- og myon-neutrinoer. Nemlig, neutrinostråler dannet ved acceleratorer består hovedsageligt af henfaldsprodukter af ladede π-mesoner:
π + μ + + ν
π − μ − + ν
Hvis neutrinoer ikke skelner mellem typer af leptoner, så er det lige sandsynligt, at neutrinoer produceret på denne måde producerer elektroner og myoner, når de interagerer med stofkerner. Hvis hver lepton svarer til sin egen type neutrino, så genereres kun myontyper i pionhenfald. Så vil neutrinostrålen fra acceleratoren i langt de fleste tilfælde producere myoner, ikke elektroner. Det er netop det fænomen, der blev registreret eksperimentelt.
Efter at have afklaret kendsgerningen om forskellen mellem neutrinotyper, opstod spørgsmålet: hvor dyb er denne forskel? Hvis vi vender os til analogien med kvarker, bør vi være opmærksomme på, at elektrosvage interaktioner ikke bevarer typen (smag) af kvarker. For eksempel er følgende kæde af overgange mulig:
hvilket fører til blanding af tilstande, der kun adskiller sig i mærkelighed, for eksempel neutrale K-mesoner K 0 og K 0 . Kan forskellige typer neutrinoer blandes på samme måde? Når du besvarer dette spørgsmål, er det vigtigt at vide, hvad masserne af neutrinoer er. Fra observationer ved vi, at neutrinoer har meget små masser, væsentligt mindre end masserne af de tilsvarende leptoner. Så for elektronneutrinomassen har vi en begrænsning
mig)< 5.1 эВ, |
mens elektronmassen er 0,51099906 ± 0,00000015 MeV
I langt de fleste tilfælde kan vi antage, at masserne af alle tre neutrinoer er nul. Hvis de er nøjagtigt lig nul, er det umuligt at bemærke virkningerne af mulig blanding af forskellige typer neutrinoer. Kun hvis neutrinoer har ikke-nul masser, får blanding fysisk betydning. Bemærk, at vi ikke kender nogen grundlæggende årsager, der fører til den strenge lighed af neutrinomasser til nul. Spørgsmålet om, hvorvidt der er en blanding af forskellige neutrinoer, er således et problem, der bør løses ved fysiske metoder, primært eksperimentelle. For første gang blev muligheden for at blande elektron- og myontyper af neutrinoer påpeget af B.M. Pontecorvo.
Blanding af neutrinotilstande
Lad os overveje problemet med to typer neutrinoer: e, ν μ,. For blandingseffekter skal du overveje, hvordan tilstande udvikler sig over tid. Evolution i tid bestemmes af Schrödinger-ligningen
Fra dette tidspunkt bruger vi systemet af enheder h = c = 1, som er almindeligt anvendt i partikelfysik. Dette system er praktisk, fordi det kun har én dimensionel mængde, for eksempel energi. Nu har momentum og masse de samme dimensioner som energi, og koordinaten x og tid t har dimensionen af invers energi. Ved at anvende dette forhold til tilfældet med neutrinoer, vi overvejer, når deres masser er meget mindre end momentum, opnår vi i stedet for (2):
Ud fra (5) forstår vi ligning (4) som et ligningssystem for funktionerne (t), (t):
|
For kortheds skyld skrives et sådant system normalt på formen (4), men så forstås (t) som en kolonne af , , og i parentes er det første led proportionalt med identitetsmatrixen, mens værdien M 2 bliver noget ( 2 x 2) matrix med matrixelementer, der er nemme at få fra system (6). Værdien er meget vigtig her, forskellen fra nul fører til blandingseffekter. Hvis det ikke er der, bryder systemet op i to uafhængige ligninger, og neutrinoer, elektron og myon, eksisterer hver for sig med deres egne masser.
Så H 0. Så vil vi lede efter løsninger til system (6) i form af kombinationer
1 (t) = cos e (t) + sin ν μ (t), |
(7) |
som har en vis frekvens, det vil sige, de har formen (3). For yderligere formål er det vigtigt at bemærke, at ved lille 0 1 er næsten ren elektronneutrino, og ved /2 er det næsten fuldstændigt myon. Tilføjelse af den første af ligning (6), ganget med cos, med den anden, ganget med sin, opnår vi betingelsen, at venstre side også kun indeholder 1:
sker m e >, det vil sige =/4, svarer til maksimal blanding og realiseres næsten nøjagtigt for et system af neutrale K-mesoner. Stater (7) har visse masser, som vi får fra system (6):
| (10) |
Tegnene i (10) svarer til sagen > m e. Fra (10) ser vi, at med nul blanding = 0 får vi m 1 = m e, m 2 =. I nærvær af blanding sker der et masseskift. Hvis vi anser det for meget lille, så
Lad os forestille os, at i det indledende tidspunkt t = 0 blev en elektronneutrino født. Så fra (7) og (12) får vi tidsafhængigheden af den pågældende stat (vi udelader den fælles faktor e -ikt)
| (13) |
Lad os introducere notationen m 2 = m 1 2 - m 2 2. Vi ser, at sammen med den elektronneutrino, der oprindeligt var til stede, optræder myonneutrinotilstanden også her. Sandsynligheden for dens forekomst er ifølge kvantemekanikkens regler kvadratet af amplitudemodulet, det vil sige koefficienten ved | ν μ >. Det afhænger, som det fremgår af (13), af tid og beløb
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) |
hvor vi måler afstanden L i meter, neutrinoenergien i megaelektronvolt og forskellen i kvadratiske masser m2 i kvadratelektronvolt. Vi tager selvfølgelig højde for neutrinomassernes lillehed, så L = ct. Myonkomponenten har en karakteristisk oscillerende afhængighed; dette fænomen kaldes neutrinoscillationer. Hvad skal observeres som en effekt af neutrinoscillationer? Vi ved, at elektronneutrinoer producerer en elektron som et resultat af en reaktion med udvekslingen af W, og myonneutrinoer producerer en myon. Som følge heraf producerer en stråle, der oprindeligt består af elektronneutrinoer, når den passerer gennem registreringsudstyr, ikke kun elektroner, men også myoner med en sandsynlighed afhængig af afstanden til udgangspunktet, beskrevet ved formel (14). Kort sagt skal vi lede efter fødslen af "fremmede" leptoner.
Forsøg med at søge efter neutrinoscillationer udføres aktivt og fører som regel ikke til måling af effekten, men til begrænsninger af parametrene i (14) og m 2. Det er klart, at der slet ikke er nogen effekt, hvis mindst én af disse parametre er lig nul. For nylig har der været rapporter om alvorlige indikationer på eksistensen af neutrinoscillationer i eksperimenter på den japanske Super-Kamiokande installation. Disse eksperimenter studerede neutrinofluxen fra henfaldet af partikler produceret i den øvre atmosfære af højenergiske kosmiske stråler. Afhængigt af hældningsvinklerne til horisonten, hvor neutrinoerne, der studeres, ankommer til instrumentet, rejser de afstande fra flere titusinder af kilometer (direkte fra oven) til mange tusinde kilometer (direkte nedefra). Resultatet af kontinuerlige halvandet års målinger viste sig at være uforenelige med beregninger baseret på teorien uden svingninger. Samtidig fører indførelsen af oscillationer til fremragende overensstemmelse med eksperimentet. I dette tilfælde er overgange ν μ e nødvendige:
sin 2 > 0,82,
510 -4
< m 2
< 610 -2
det vil sige, at deres værdier er eksplicit påkrævet. Indtil videre har den videnskabelige offentlige opinion endnu ikke været tilbøjelig til definitivt at acceptere opdagelsen af neutrinoscillationer og afventer bekræftelse af resultatet. Eksperimenter fortsætter, men i mellemtiden viste det sig, at endnu rigere information kan tilvejebringes ved at studere neutrino-oscillationer under hensyntagen til deres interaktion med stof.
Neutrinoscillationer i stof
Belysningen af mulighederne forbundet med virkningerne af neutrino-udbredelse i stof er forbundet med arbejdet af L. Wolfenstein og S.P. Mikheev og A.Yu. Smirnova.
Lad os igen overveje tilfældet med to neutrinoer - elektron og myon. Stof indeholder protoner og neutroner i kerner og elektroner. Interaktionen mellem begge typer neutrinoer med protoner og neutroner på grund af udvekslingen af W og Z sker på samme måde og fører derfor ikke til nye effekter sammenlignet med udbredelse i et vakuum. Helt anderledes forholder det sig med spredning af neutrinoer med elektroner. En muonisk neutrino kan kun interagere med en elektron gennem udveksling af en neutral boson Z, mens udvekslingen af en ladet boson W bidrager til spredningen af en elektronneutrino (og antineutrino) på en elektron. F.eks. i et par e, så processpredningen følger mønsteret
Når antineutrinoer spredes af en elektron, smelter de sammen til W, og når neutrinoer spredes, udveksles W, hvor den initiale neutrino giver en elektron og W+, som absorberes af den oprindelige elektron, hvilket giver den endelige neutrino. For en myon-neutrino er sådanne overgange umulige.
Så elektronneutrinoen har en yderligere interaktion med elektronen, som er beskrevet af det ekstra udtryk i den første linje af (6):
Så ændres ligningssystemet, der beskriver bølgefunktionens afhængighed af tid:
hvor = 2kV W, og denne størrelse er forbundet med spredning af elektronneutrinoer på elektroner på grund af udveksling af W. Den elektrosvage teori giver et simpelt udtryk
|
(17) |
,Hvor G F = (1.16637 + 0,00002). 10 -5 GeV -2 er den kendte Fermi-konstant, der karakteriserer svage interaktioner, og N e- elektrondensitet i stoffet. Denne tæthed er proportional med grundstoffets atomnummer Z og den sædvanlige massefylde af stoffet p, hvilket afspejles i den numeriske form for relation (17). Derefter kan værdien repræsenteres på formen (A er atomvægten af det tilsvarende grundstof)
I betragtning af udtryk (16) for masserne af neutrinotilstande og (19) for blandingsvinklen i stof, får vi det mest interessante fænomen med resonansoscillation af neutrinoer i stof. Lad blandingen af neutrinoer i vakuum være meget lille, det vil sige synd 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 = m 2 cos 2, |
(20) |
så er resonans realiseret. Ja, for synd 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.
Fænomenet resonansoscillation kommer også tydeligt til udtryk i neutrinomassernes afhængighed af massefylde (16). Lad os faktisk starte med udtryk (16) med et minustegn, som i overensstemmelse med ligning (15) beskriver den indledende elektronneutrino (da den indeholder dens karakteristiske vekselvirkning med elektronerne V W). Lad tætheden ændre sig, mens den passerer gennem resonans. Så er kvadratet af massen før resonans ved en lille vinkel lig med m e 2 + V W , og efter resonans -. Når den passerer gennem resonans, ændres typen af neutrino fuldstændigt.
Det skal bemærkes, at hvis vi i stedet for en neutrino betragter en antineutrino, så ligger hovedforskellen i fortegnet af udtrykket, der beskriver interaktionen med udvekslingen W. Tegnene på V W for neutrinoer og antineutrinoer er modsatte. Det betyder, at resonanstilstanden opnås afhængigt af fortegnet m 2 enten kun for neutrinoer eller kun for antineutrinoer. For eksempel, hvis en muonisk neutrino er tungere end en elektron, kan resonans kun observeres for den indledende tilstand af elektronneutrinoen, men ikke for antineutrinoen.
Således giver udbredelsen af neutrino (og antineutrino) stråler i stof rig fysisk information. Hvis hovedparametrene, det vil sige m 2 og , er kendt, så kan man ved at skinne en neutrinostråle gennem et bestemt objekt, for eksempel en planet, en stjerne osv. ud fra sammensætningen af neutrinostrålen ved udgangen, få et billede af tæthedsfordelingen inde i den belyste genstand. Du kan være opmærksom på den tætte analogi med transmission af små genstande (inklusive levende) med røntgenstråler.
Eksempler på mulige manifestationer og anvendelser
Fænomenet neutrinoscillationer er endnu ikke eksperimentelt registreret, men der er indikationer på deres eksistens, og de er netop forbundet med mulige resonansfænomener. Faktum er, at registreringsmetoder hovedsageligt er følsomme over for elektronneutrinoer (antineutrinoer), da muon og især tau neutrinoer med energier på flere megaelektronvolt ikke kan give en reaktion, f.eks.
37 Cl + 37 Ar + e-.
som bruges i klor-argon-metoden til påvisning af neutrinoer. Dette skyldes det faktum, at for fødslen af en myon er det nødvendigt at bruge energi på mere end 100 MeV (og endnu mere til fødslen af tau). Samtidig kan der opstå en lignende reaktion med en elektronneutrino. Kernereaktioner i Solen er kilden til elektron (anti-)neutrinoer, så den anvendte metode virkede ganske passende. Men hvis der undervejs fra fødslen til apparatet opstår en svingning, og neutrinoen for eksempel bliver til en myon, så opstår reaktionen ikke, og neutrinoen bliver "steril". Dette kunne tjene som en forklaring på underskuddet af solneutrinoer.
Først forsøgte de at bruge almindelige (første afsnit) svingninger i rummet mellem Solen og Jorden til at forklare. Blandingen af myonneutrinoer bestemmes af blandingsvinklen. Med henvisning til formel (14), kan vi konkludere, at fraktionen af sådanne sterile neutrinoer på Jorden
hvor vi bruger vinkelparenteser til at angive gennemsnitsværdien. Det er nødvendigt at beregne et gennemsnit, da afstanden L fra Jorden til Solen ændrer sig betydeligt under måleprocessen på grund af dens orbitale bevægelse. Gennemsnitsværdien af funktionen sin 2x over et stort interval er 1/2, derfor er fraktionen af sterile neutrinoer
Det er således generelt muligt at undertrykke neutrinofluxen fra Solen med det halve, men dette kræver maksimal blandingssynd 2 = 1. Søgninger efter svingninger viser, at for en bred vifte af neutrinomasser er så stor blanding erfaringsmæssigt udelukket. Derudover giver denne forklaring den samme undertrykkelse af neutrinofluxen for alle neutrinoenergier, mens eksperimentelle resultater indikerer en energiafhængighed af effekten.
En mere fyldestgørende forklaring viser sig at være at bruge resonanssvingninger i forhold til Solen. For at der kan ske en resonansovergang af neutrinoer til en steril tilstand, skal betingelse (20) være opfyldt på et bestemt lag af solstof. Lad blandingsvinklen være meget lille, så cos er 21. Lad os tage parameterværdierne som et eksempel
Z/A = 1,05, = 10 g/cm2, E = 1 MeV,
hvor det første tal afspejler, at Solen hovedsageligt består af brint med en blanding af helium og andre grundstoffer. Så giver betingelse (20) forskellen i kvadratiske neutrinomasser
Det er netop denne rækkefølge af neutrinomasser, der er nødvendig for at bruge resonansmekanismen for neutrinoscillationer i stof til at forklare underskuddet af solneutrinoer, herunder energiafhængigheden af denne effekt. Situationen her er denne: Hvis de eksisterende eksperimentelle data modtager endelig bekræftelse, så kan ingen anden forklaring end resonansoscillation tilbydes. Dette vil være det vigtigste resultat, der åbner vejen for yderligere forståelse af strukturen i den fysiske verden. Derudover vil vi få en ny måde til røntgenscanning af himmellegemer, herunder vores Jord. Med tanke på, at tæthederne af jordens klipper er 3-6 g/cm 3 i kappen og 9-12 g/cm 3 i kernen, er vi overbeviste om, at med neutrinomassen (22) er resonansbetingelserne opnået for neutrinoer med energier af størrelsesordenen adskillige megaelektronvolt. Ved at danne sådanne stråler og udføre et program for at gennemlyse Jorden med registrering af effekten ved et netværk af neutrino-stationer, er det muligt at opnå tomogrammer af Jordens tykkelse. I fremtiden kan dette både føre til afklaring af detaljerne i Jordens struktur og til praktiske resultater, for eksempel i forbindelse med eftersøgningen af dybtliggende mineraler.
Tirsdag den 6. oktober blev det kendt, at japanske Takaaki Kajita og canadiske Arthur MacDonald blev tildelt Nobelprisen i fysik 2015 for deres opdagelse af neutrinoscillationer.
Dette er den fjerde "Nobel" i fysik, som tildeles for arbejdet med studiet af disse mystiske partikler. Hvad er mysteriet med neutrinoer, hvorfor de er så svære at opdage, og hvad neutrinoscillationer er, vil vi forklare i denne artikel i et enkelt og tilgængeligt sprog.
Fødslen af en neutron
I slutningen af det 19. århundrede opdagede den franske fysiker Henri Becquerel, mens han studerede, hvordan luminescens og røntgenstråler hænger sammen, ved et uheld radioaktivitet. Det viste sig, at et af uransaltene selv udsender usynlig og mystisk stråling, der ikke er røntgenstråler. Så viste det sig, at radioaktivitet netop er iboende i uran, og ikke i de forbindelser, den indgår i, hvorefter man opdagede radioaktiviteten af andre grundstoffer - såsom thorium, radium og så videre.
Et par år senere besluttede den britiske fysiker Ernest Rutherford at sende endnu uudforsket radioaktiv stråling gennem et magnetfelt og opdagede, at den kunne opdeles i tre dele. Nogle stråler blev afbøjet i et magnetfelt, som om de var sammensat af positivt ladede partikler, andre som om de var sammensat af negative, og atter andre blev slet ikke afbøjet.
Som et resultat blev det besluttet at kalde de første alfastråler, den anden betastråler og den tredje gammastråler. Efterfølgende viste det sig, at gammastråler er højfrekvent elektromagnetisk stråling (eller en strøm af højenergifotoner), alfastråler er en strøm af kerner af heliumatomer, det vil sige partikler sammensat af to protoner og to neutroner og beta stråler er en strøm af elektroner, selvom der også er positron beta-stråler (dette afhænger af typen af beta-henfald).
Hvis vi måler energien af alfapartikler og gamma-partikler, der stammer fra den tilsvarende type radioaktivt henfald, viser det sig, at det kun kan tage nogle diskrete værdier. Dette stemmer godt overens med kvantemekanikkens love. Men med elektroner udsendt under beta-henfald var situationen anderledes - deres energispektrum var kontinuerligt. Med andre ord kunne en elektron bære absolut enhver energi, kun begrænset af typen af henfaldende isotop. Desuden viste det sig i de fleste tilfælde, at elektronenergien var mindre end hvad teorien forudsagde. Derudover viste energien af kernen dannet efter radioaktivt henfald også at være mindre end forudsagt.
Det viste sig, at under beta-henfald forsvandt energi bogstaveligt talt, hvilket krænker et grundlæggende fysisk princip - loven om bevarelse af energi. Nogle videnskabsmænd, blandt hvilke Niels Bohr selv var, var allerede klar til at indrømme, at loven måske ikke fungerer i mikrokosmos, men den tyske fysiker Wolfgang Pauli foreslog at løse dette problem på en enkel og ret risikabel måde - for at antage, at den manglende energi er båret væk af en partikel, som ikke har nogen elektrisk ladning, interagerer ekstremt svagt med stof og derfor endnu ikke er blevet opdaget.
Et par år senere blev denne hypotese vedtaget af den italienske fysiker Enrico Fermi til en teoretisk forklaring på beta-henfald. På dette tidspunkt var neutronen allerede blevet opdaget, og fysikere vidste, at atomkernen består af mere end blot protoner. Man vidste, at protoner og neutroner i kernen holdes sammen af den såkaldte stærke interaktion. Det var dog stadig uklart, hvorfor kernen under beta-henfald udsender en elektron, der i princippet ikke er der.
Fermi foreslog, at beta-henfald svarer til emissionen af en foton fra et exciteret atom, og at en elektron optræder i kernen netop under henfaldsprocessen. En af neutronerne i kernen henfalder til tre partikler: en proton, en elektron og den samme usynlige partikel forudsagt af Pauli, som Fermi på italiensk kaldte en "neutrino", det vil sige en "neutron", eller en lille neutron. Ligesom neutronen har neutrinoen ingen elektrisk ladning, og den deltager heller ikke i den stærke kerneinteraktion.
Fermis teori var vellykket. Det blev opdaget, at en anden hidtil ukendt interaktion, den svage nukleare interaktion, er ansvarlig for beta-henfald. Dette er selve interaktionen, hvori ud over den gravitationelle neutrinoer deltager. Men fordi intensiteten og radius af denne interaktion er så lille, forbliver neutrinoen stort set usynlig for materien.
Du kan forestille dig en neutrino af ikke for høj energi, der flyver gennem et jernplade. For at denne partikel skal tilbageholdes af arket med hundrede procent sandsynlighed, skal dens tykkelse være cirka 10^15 kilometer. Til sammenligning: afstanden mellem Solen og centrum af vores galakse er kun en størrelsesorden større - omkring 10 16 kilometer.
Denne undvigende neutrino gør det meget vanskeligt at observere det i praksis. Derfor blev eksistensen af neutrinoer eksperimentelt bekræftet kun 20 år efter den teoretiske forudsigelse - i 1953.
Tre generationer af neutrinoer
Beta-henfald kan forekomme på to måder: med emission af en elektron eller en positron. En antineutrino udsendes altid sammen med en elektron, og en neutrino udsendes altid sammen med en positron. I midten af det tyvende århundrede stod fysikere over for spørgsmålet: er der nogen forskel på neutrinoer og antineutrinoer? For eksempel er en foton sin egen antipartikel. Men elektronen er slet ikke identisk med dens antipartikel - positronen.
Identiteten af neutrinoer og antineutrinoer blev angivet ved fraværet af en elektrisk ladning på partiklen. Men ved hjælp af omhyggelige eksperimenter var det muligt at finde ud af, at neutrinoer og antineutrinoer stadig er forskellige. Derefter, for at skelne partikler, var det nødvendigt at indføre deres eget tegn på ladning - leptonnummeret. Efter aftale med videnskabsmænd tildeles leptoner (partikler, der ikke deltager i stærke interaktioner), som omfatter elektroner og neutrinoer, leptonnummeret +1. Og antileptoner, blandt hvilke der er antineutrinoer, tildeles nummeret -1. I dette tilfælde skal leptontallet altid bevares - dette forklarer det faktum, at en neutrino altid kun optræder i par med en positron og en antineutrino med en elektron. De ser ud til at balancere hinanden og efterlader uændret summen af leptontallene for hver partikel fra hele systemet.
I midten af det tyvende århundrede oplevede partikelfysikken et sandt boom - videnskabsmænd opdagede nye partikler efter hinanden. Det viste sig, at der er flere leptoner end antaget – udover elektronen og neutrinoen blev muonen (tung elektron) opdaget, samt myonneutrinoen. Efterfølgende opdagede forskerne en tredje generation af leptoner - endnu tungere tau lepton og tau neutrino. Det blev klart, at alle leptoner og kvarker danner tre generationer af fundamentale fermioner (partikler med et halvt heltals spin, der udgør stoffet).
For at skelne mellem tre generationer af leptoner var det nødvendigt at indføre den såkaldte smagsleptonladning. Hver af de tre generationer af leptoner (elektron og neutrino, myon og muon neutrino, tau lepton og tau neutrino) har sin egen smagsleptonladning, og summen af ladningerne udgør systemets samlede leptontal. I lang tid troede man, at leptonladningen også altid skulle bevares. Det viste sig, at dette ikke sker i tilfælde af neutrinoer.
Højre og venstre neutrinoer
Hver elementær partikel har en kvantemekanisk egenskab kaldet spin. Spin kan opfattes som mængden af rotationsbevægelse af en partikel, selvom denne beskrivelse er meget vilkårlig. Spindet kan rettes i en bestemt retning i forhold til partiklens momentum - parallelt med det eller vinkelret. I det andet tilfælde er det sædvanligt at tale om den tværgående polarisering af partiklen, i det første - om den langsgående. Med langsgående polarisering skelnes der også mellem to tilstande: når spindet er rettet sammen med momentumet, og når det er rettet modsat det. I det første tilfælde siges partiklen at have højrehåndspolarisering, i det andet venstrehåndspolarisering.
I lang tid i fysikken blev loven om bevarelse af paritet betragtet som indiskutabel, som siger, at streng spejlsymmetri skal observeres i naturen, og partikler med højre polarisering skal være fuldstændig ækvivalente med partikler med venstre polarisering. Ifølge denne lov kunne man i enhver neutrinostråle finde det samme antal højrehåndede og venstrehåndede polariserede partikler.
Forskernes overraskelse kendte ingen grænser, da det viste sig, at paritetsloven for neutrinoer ikke overholdes - højrehåndede neutrinoer og venstrehåndede antineutrinoer findes ikke i naturen. Alle neutrinoer har venstrehåndspolarisering, og antineutrinoer har højrehåndspolarisering. Dette er et bevis på det fantastiske faktum, at den svage nukleare interaktion, ansvarlig for beta-henfald, hvor neutrinoer er født, er chiral - med spejlrefleksion ændres dens love (vi har allerede skrevet om dette i detaljer separat).
Fra et synspunkt af elementær partikelfysik fra midten af det tyvende århundrede, indikerede situationen med streng polarisering, at neutrinoen er en masseløs partikel, da man ellers ville være nødt til at indrømme, at loven om bevarelse af leptonladning ikke blev overholdt. Baseret på dette troede man i lang tid, at neutrinoer virkelig ikke har nogen masse. Men i dag ved vi, at det ikke er sådan.
Undvigende masse
Neutrinoer skynder sig i stort antal gennem jordens tykkelse og direkte gennem vores krop. De er født i termonukleare reaktioner i Solen og andre stjerner, i atmosfæren, i atomreaktorer, selv i os selv, som et resultat af det radioaktive henfald af visse isotoper. Relikvietrinoer født efter Big Bang flyver stadig gennem universet. Men deres ekstremt svage samspil med stoffet gør, at vi slet ikke lægger mærke til dem.
Men i løbet af årene med at studere neutrinoer har fysikere lært at registrere dem ved hjælp af smarte metoder. Og mens de observerede strømmen af neutrinoer født på Solen, opdagede forskerne en mærkelig kendsgerning: cirka tre gange færre af disse partikler ankommer fra solen, end teorien forudsiger. Her er det nødvendigt at præcisere, at vi taler om præcis én type neutrinoer – elektronneutrinoer.
For at forklare dette faktum forsøgte de at inddrage forskellige hypoteser om Solens indre struktur, som er i stand til at fange manglende neutrinoer, men disse forsøg var mislykkede. Der var kun én teoretisk forklaring tilbage på det faktum: På vej fra Solen til Jorden vender partikler sig fra en type neutrino til en anden. En partikel født som en elektronneutrino oplever svingninger langs sin vej, der manifesterer sig med en vis periodicitet som en myon eller tau neutrino. Derfor flyver ikke kun elektronneutrinoer, men også myon- og tau-neutrinoer til Jorden fra Solen. Hypotesen om neutrinoscillationer blev fremsat af den sovjetisk-italienske fysiker Bruno Pontecorvo tilbage i 1957. Sådanne transformationer af neutrinoer fra en type til en anden forudsatte en nødvendig betingelse - tilstedeværelsen af neutrinomasse. Alle eksperimenter udført med neutrinoer viste, at massen af denne partikel er ubetydelig lille, men der blev ikke opnået noget strengt bevis for, at den er lig med nul. Det betyder, at muligheden for neutrinoscillationer virkelig forblev.
Opdagelse af svingninger
Bekræftelse af eksistensen af neutrinoscillationer blev opnået gennem observationer af sol- og atmosfæriske neutrinoer ved Superkamiokande-forsøgsanlægget i Japan og ved Sudbury Neutrino Observatory i Canada.
Japanerne byggede en imponerende struktur til at registrere neutrinoer - en enorm tank (40 gange 40 meter) lavet af rustfrit stål, fyldt med 50 tusinde tons rent vand. Reservoiret var omgivet af mere end 11 tusind fotomultiplikatorrør, som skulle optage de mindste glimt af Cherenkov-stråling, der genereres, når elektroner slås ud af atomer af en neutrino. I betragtning af at neutrinoer interagerer ekstremt svagt med stof, er der kun få registreret ud af de milliarder af partikler, der flyver gennem tanken. Også i betragtning af, at forskerne er nødt til at sortere disse begivenheder ud fra en stor baggrund (der er trods alt stadig mange helt forskellige partikler, der flyver gennem det enorme reservoir), gjorde de et kolossalt arbejde.
Den japanske detektor var i stand til at skelne elektron- og myon-neutrinoer ud fra arten af den stråling, de forårsagede. Derudover vidste forskerne, at de fleste myon-neutrinoer skabes i atmosfæren, når luftpartikler kolliderer med kosmiske stråler. Takket være dette opdagede de følgende mønster: jo længere neutrinostråler rejser afstande, jo færre muonneutrinoer blandt dem. Det betød, at nogle af myonneutrinoerne undervejs blev til andre neutrinoer.
Endeligt bevis for eksistensen af neutrinoscillationer blev opnået i 1993 i et eksperiment i Sudbury. I det væsentlige lignede den canadiske installation den japanske - en enorm og ikke mindre imponerende tank med vand under jorden og mange Cherenkov-strålingsdetektorer. Hun var dog allerede i stand til at skelne mellem alle tre typer neutrinoer: elektron-, muon- og tau-neutrinoer. Som et resultat fandt man ud af, at det samlede antal neutrinoer, der ankommer fra Solen, ikke ændrer sig og stemmer godt overens med teorien, og manglen på elektronneutrinoer skyldes netop deres svingning. Desuden oplever neutrinoer ifølge statistiske data oscillationer i højere grad, når de passerer gennem stof end gennem vakuum, da et større antal elektronneutrinoer ankom til detektoren om dagen end om natten, hvor partikler født på Solen skulle overvinde hele jordens tykkelse.
Ifølge nutidens forståelse er neutrinoscillationer bevis på, at disse partikler har masse, selvom den nøjagtige værdi af massen stadig er ukendt. Fysikere kender kun dens øvre grænse – en neutrino er mindst tusind gange lettere end en elektron. At finde ud af den nøjagtige masse af neutrinoer er den næste store opgave for fysikere, der arbejder i denne retning, og det er muligt, at den næste Nobel for neutrinoer vil blive tildelt for denne præstation.
Neutrinoer - ligesom ladede leptoner (elektron, muon, tau), op-kvarker (op, charme, sand) og ned-kvarker (ned, mærkelig, charme) - findes i tre typer. Men de kan opdeles i typer på forskellige måder. Desuden, på grund af vores verdens kvantenatur, kan kun én af dem bruges på én gang. I denne artikel vil jeg forklare, hvorfor dette sker, og hvordan dette faktum fører til et så interessant og videnskabeligt vigtigt faktum som neutrinoscillationer.
Du tror måske, at hver partikel har en vis masse - for eksempel er elektronernes masseenergi (E = mc 2) 0,000511 GeV - og fra et muligt synspunkt er de tre typer neutrinoer ingen undtagelser. Vi kan klassificere de tre neutrinoer efter deres masser (som endnu ikke kendes nøjagtigt) og kalde dem, fra letteste til tungeste, neutrino-1, neutrino-2 og neutrino-3. Vi vil kalde denne opdeling masseklassifikation, og disse typer af neutrinoer – massetyper.
Ris. 1
En anden måde at klassificere neutrinoer på er ved deres tilknytning til ladede leptoner (elektron, muon og tau). Dette er nævnt i artiklen om, hvordan partikler ville se ud, hvis Higgs-feltet var nul. Den bedste måde at forstå dette på er at fokusere på, hvordan neutrinoer påvirkes af den svage kernekraft, som afspejles i deres interaktioner med W-partiklen. W-partiklen er meget tung, og hvis man producerer den, kan den henfalde (Figur 1) ) i en af tre ladede antileptoner og en af tre neutrinoer. Hvis W henfalder til anti-tau, vil en tau neutrino dukke op. Tilsvarende, hvis W henfalder til en antimuon, vil en muon neutrino dukke op. (Kritisk for skabelsen af en neutrinostråle, pionen henfalder gennem svage interaktioner, og positivt ladede pioner producerer en antimuon og en muon neutrino). Og hvis W henfalder til en positron, vil der opstå en elektronneutrino. Lad os kalde dette en svag klassifikation, og disse neutrinoer er neutrinoer af svag type, fordi de er bestemt af den svage interaktion.
Nå, hvad er problemet her? Vi bruger konstant forskellige klassifikationer til at anvende på mennesker. Vi taler om, at folk er unge, voksne og gamle; de er høje, mellemhøje og korte. Men folk kan efter forgodtbefindende opdeles yderligere i for eksempel ni kategorier: unge og høje, unge og middelhøje, voksne og lave, ældre og lave og så videre. Men kvantemekanikken forbyder os at gøre det samme med neutrino-klassifikationer. Der er ingen neutrinoer, der både er myonneutrinoer og neutrino-1; Der er ingen tau neutrino-3. Hvis jeg fortæller dig massen af en neutrino (og derfor om den tilhører neutrinogruppen 1, 2 eller 3), kan jeg simpelthen ikke fortælle dig, om det er en elektron, en myon eller en tau neutrino. En neutrino af en bestemt massetype er en blanding eller "superposition" af tre neutrinoer af en svag type. Hver masseneutrino – neutrino 1, neutrino 2 og neutrino 3 – er en præcis, men distinkt blanding af elektron-, myon- og tau-neutrinoer.
Det modsatte er også sandt. Hvis jeg ser en pion henfalde til en antimuon og en neutrino, vil jeg straks vide, at den resulterende neutrino vil være en myon-neutrino - men jeg vil ikke kunne kende dens masse, da det vil være en blanding af neutrino 1, neutrino 2 og neutrino 3. En elektronneutrino og en tau-neutrino er også præcise, men forskellige blandinger af tre neutrinoer med bestemte masser.
Forholdet mellem disse massive og svage typer minder mere om (men ikke helt det samme som) forholdet mellem klassifikationerne af amerikanske motorveje som "nord-syd" og "vest-øst" (den amerikanske regering opdeler dem på denne måde ved at tildele ulige numre til motorveje C/S og endda simple W/E-veje), og opdele dem i veje, der løber fra "nordøst til sydvest" og fra "sydøst til nordvest". Der er fordele ved at bruge begge klassifikationer: N/S – W/E-klassifikationen er velegnet, hvis du koncentrerer dig om bredde- og længdegrad, mens NE/SW – SØ/NW-klassifikationen vil være mere anvendelig nær kysten, da den løber fra fra sydvest til nordvest, øst. Men begge klassifikationer kan ikke bruges på samme tid. Vejen, der løber nordøst, er dels nord og dels øst; Du kan ikke sige, at hun er enten dette eller hint. Og den nordlige vej er en blanding af nordøst og nordvest. Det er det samme med neutrinoer: masse-type neutrinoer er en blanding af svag-type neutrinoer, og svag-type neutrinoer er en blanding af masse. (Analogien går i stykker, hvis du beslutter dig for at bruge den forbedrede vejklassifikation N/S - NØ/SV - Ø/V - SØ/NW; der er ingen sådan mulighed for neutrinoer).
Den manglende evne til at klassificere neutrinoer i en bestemt massetype og en vis svag type er et eksempel på usikkerhedsprincippet, svarende til den mærkelighed, der forbyder at kende en partikels nøjagtige position og nøjagtige hastighed på samme tid. Hvis du kender præcis én af disse egenskaber, har du ingen idé om den anden. Eller du kan lære noget om begge egenskaber, men ikke alt. Kvantemekanik fortæller dig præcis, hvordan du balancerer din viden og uvidenhed. Forresten gælder disse problemer ikke kun for neutrinoer. De er også forbundet med andre partikler, men er især vigtige i forbindelse med neutrinoers adfærd.
For et par årtier siden var alt enklere. På det tidspunkt troede man, at neutrinoer ikke havde nogen masse, så det var nok at bruge en svag klassificering. Kigger man i gamle papirer eller gamle bøger for almindelige mennesker, vil man kun se navne som elektronneutrino, myonneutrino og tau-neutrino. Men efter opdagelserne i 1990'erne er dette ikke længere nok.
Og nu begynder det sjove. Lad os sige, at du har neutrinoer af elektrontypen med høj energi, det vil sige en bestemt blanding af neutrino-1, neutrino-2 og neutrino-3. Neutrinoer bevæger sig gennem rummet, men deres tre forskellige massetyper bevæger sig med lidt forskellige hastigheder, meget tæt på lysets hastighed. Hvorfor? Fordi et objekts hastighed afhænger af dets energi og masse, og de tre massetyper har tre forskellige masser. Forskellen i deres hastigheder er ekstremt lille for enhver neutrino, vi kan måle - den er aldrig blevet observeret - men dens effekt er overraskende stor!
Neutrino hastighedsforskel - nogle formler
Hastigheden af en partikel v i Einsteins relativitetsteori kan skrives gennem massen af partiklen m og energien E (dette er den samlede energi, dvs. bevægelsesenergien plus energien af massen E=mc 2), og lysets hastighed c, som:
Hvis partiklen har en meget høj hastighed og dens samlede energi E er meget større end masseenergien mc 2, så
Husk den hævede 1/2 betyder "tag-firkantroden". Hvis partiklen har meget høj hastighed og dens samlede energi E er meget, meget større end dens masse-energi mc2, så
Hvor prikkerne minder dig om, at denne formel ikke er en nøjagtig, men en god tilnærmelse til stor E. Med andre ord, hastigheden af en partikel, der bevæger sig næsten med lysets hastighed, adskiller sig fra lysets hastighed med en mængde svarende til halvdelen af kvadratet af forholdet mellem partiklens masseenergi og dens samlede energi . Ud fra denne formel er det klart, at hvis to neutrinoer har forskellige masser m 1 og m 2, men den samme høje energi E, så afviger deres hastigheder meget lidt.
Lad os se, hvad det betyder. Alle målte neutrinoer fra supernovaen, der eksploderede i 1987, ankom til Jorden inden for et 10-sekunders interval. Lad os sige, at en elektronneutrino blev udsendt af en supernova med en energi på 10 MeV. Denne neutrino var en blanding af neutrino 1, neutrino 2 og neutrino 3, der hver bevægede sig med en lidt forskellig hastighed! Ville vi bemærke dette? Vi kender ikke de nøjagtige masser af neutrinoer, men lad os antage, at neutrino-2 har en masseenergi på 0,01 eV, og neutrino-1 har en masseenergi på 0,001 eV. Så vil deres to hastigheder, givet at deres energier er lige store, afvige fra lysets hastighed og fra hinanden med mindre end en del af hundrede tusinde billioner:
(fejlen for alle ligninger overstiger ikke 1%). Denne forskel i hastighed betyder, at Neutrino-2- og Neutrino-1-delene af den oprindelige elektronneutrino ville ankomme til Jorden inden for et millisekund fra hinanden - en forskel, der af en række tekniske årsager er umulig at opdage.
Og nu går vi videre fra de interessante til de virkelig mærkelige ting.
Denne lille forskel i hastighed får den præcise blanding af neutrino-1, neutrino-2 og neutrino-3, der udgør elektronneutrinoen, til gradvist at ændre sig, når den bevæger sig gennem rummet. Det betyder, at den elektronneutrino, som vi startede med, med tiden ophører med at være sig selv og svarer til én specifik blanding af neutrino-1, neutrino-2 og neutrino-3. Forskellige masser af neutrinoer af tre massetyper omdanner den indledende elektronneutrino i bevægelsesprocessen til en blanding af elektronneutrinoer, myonneutrinoer og tau-neutrinoer. Blandingens procentsatser afhænger af forskellen i hastigheder og derfor af energien af den oprindelige neutrino, såvel som af forskellen i masser (mere præcist, af forskellen i kvadraterne af masserne) af neutrinoen.
Ris. 2
Først øges effekten. Men interessant nok, som vist i fig. 2, er denne effekt ikke bare konstant voksende. Det vokser, og falder så igen, og vokser så igen, falder igen, igen og igen, efterhånden som neutrinoen bevæger sig. Dette kaldes neutrinoscillationer. Hvordan de præcist opstår afhænger af, hvilke masser neutrinoerne har, og hvordan masseneutrinoer og svage neutrinoer er blandet der.
Effekten af svingninger kan måles på grund af, at en elektronneutrino, når den kolliderer med en kerne (og det er sådan en neutrino kan detekteres), kan blive til en elektron, men ikke til en myon eller tau, mens en muonisk electrino kan blive til en myon, men ikke til elektron eller tau. Så hvis vi startede med en stråle af muon-neutrinoer, og efter at have rejst en vis afstand, kolliderede nogle neutrinoer med kerner og blev til elektroner, betyder det, at der opstår svingninger i strålen, og myon-neutrinoerne bliver til elektronneutrinoer.
En meget vigtig effekt komplicerer og beriger denne historie. Fordi almindeligt stof er lavet af elektroner, men ikke muoner eller tau, interagerer elektronneutrinoer med det anderledes end myoner eller tau. Disse interaktioner, som opstår gennem den svage kraft, er ekstremt små. Men hvis en neutrino passerer gennem en stor tykkelse af stof (f.eks. gennem en mærkbar del af Jorden eller Solen), kan disse små effekter akkumulere og i høj grad påvirke svingningerne. Heldigvis ved vi nok om den svage nukleare interaktion til at forudsige disse effekter i detaljer og til at beregne hele kæden baglæns, fra eksperimentelle målinger til at belyse neutrinoers egenskaber.
Alt dette gøres ved hjælp af kvantemekanik. Hvis dette ikke er intuitivt for dig, slap af; Det er heller ikke intuitivt for mig. Jeg fik al den intuition, jeg havde, fra ligningerne.
Det viser sig, at omhyggelig måling af neutrinoscillationer er den hurtigste måde at studere neutrinoers egenskaber på! Dette værk har allerede modtaget en Nobelpris. Hele denne historie udspringer af det klassiske samspil mellem eksperiment og teori, der strækker sig fra 1960'erne til i dag. Jeg vil nævne de vigtigste målinger.
Til at begynde med kan vi studere elektronneutrinoer produceret i midten af Solen i dens velundersøgte atomovn. Disse neutrinoer rejser gennem Solen og gennem det tomme rum til Jorden. Det er blevet opdaget, at når de ankommer til Jorden, er det lige så sandsynligt, at de er af myon- eller tau-typen, som de er af elektronneutrino-typen. Dette giver i sig selv bevis på neutrino-oscillation, og den præcise fordeling giver os detaljerede oplysninger om neutrinoen.
Vi har også muon-neutrinoer, som er produceret ved henfald af pioner produceret i kosmiske stråler. Kosmiske stråler er højenergipartikler, der kommer fra det ydre rum, og som kolliderer med atomkerner i den øvre atmosfære. De resulterende partikelkaskader indeholder ofte pioner, hvoraf mange henfalder til muon-neutrinoer og antimuoner, eller myon-antineutrinoer og myoner. Vi detekterer nogle af disse neutrinoer (og antineutrinoer) i vores detektorer, og vi kan måle, hvor meget af dem, der er elektronneutrinoer (og antineutrinoer), afhængigt af hvor meget af Jorden, de passerede igennem, før de ramte detektoren. Dette giver os igen vigtige oplysninger om neutrinoers adfærd.
Disse "sol-" og "atmosfæriske" neutrinoer har lært os meget om neutrinoers egenskaber i løbet af de sidste tyve år (og den første antydning af noget interessant skete for næsten 50 år siden). Og til disse naturlige energikilder kommer forskellige undersøgelser udført ved hjælp af neutrinostråler, som dem der blev brugt i OPERA-eksperimentet, samt brug af neutrinoer fra konventionelle atomreaktorer. Hver af målingerne er stort set i overensstemmelse med standardfortolkningen af sol- og atmosfæriske neutrinoer og giver mulighed for mere præcise målinger af blandinger af masse-type og svag-type neutrinoer og forskelle i de kvadrerede masser af masse-type neutrinoer.
Som det kunne forventes, er der små uoverensstemmelser med teoretiske forventninger i eksperimenterne, men ingen er blevet bekræftet, og de fleste, hvis ikke alle, er blot statistiske indslag eller problemer på forsøgsniveau. Indtil videre er ingen modsætning til forståelsen af neutrinoer og deres adfærd blevet bekræftet i flere eksperimenter. På den anden side er hele dette billede ret nyt og dårligt testet, så det er meget muligt, men usandsynligt, at der kan være tale om helt andre fortolkninger. Der er faktisk allerede blevet foreslået ret seriøse alternativer. Så at afklare detaljerne i neutrinoernes egenskaber er et aktivt udviklende forskningsområde, hvor der for det meste er enighed, men nogle spørgsmål er stadig åbne - herunder en fuldstændig og uigenkaldelig bestemmelse af neutrinomasser.