Teooria ennustab teatud tüüpi osakese tuvastamise tõenäosuse perioodilise muutumise seaduse olemasolu sõltuvalt osakese loomisest möödunud õigest ajast.
Neutriinovõnkumiste idee pakkus esmakordselt välja Nõukogude-Itaalia füüsik B. M. Pontecorvo 1957. aastal.
Päikese neutriinoprobleemi lahendamiseks on oluline neutriinovõnkumiste olemasolu.
Võnkumised vaakumis
Eeldatakse, et sellised teisendused on tingitud massi olemasolust neutriinodes või (neutriino↔puhul) leptoni laengu mittesäilimisest kõrgete energiate juures.
Vaata ka
- Matrix Pontecorvo – Maki – Nakagawa – Sakata
- Neutraalsete kaonide võnkumised
- B-mesoni võnkumised
Märkmed
Kirjandus
- Yu G. Kudenko, “Neutriinovõnkumiste uurimine pika algtaseme kiirendikatsetes”, Advances in Physical Sciences, vol. 6. 2011.
- S. M. Bilenky, “Neutriinode mass, segunemine ja võnkumised”, Advances in Physical Sciences 173 1171-1186 (2003)
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Vaadake, mis on "neutriinovõnkumised" teistes sõnaraamatutes:
Neutriino võnkumised neutriino (elektron, müüon või taon) muundumisel teist tüüpi (põlvkond) neutriinoks või antineutriinoks. Teooria ennustab osakese tuvastamise tõenäosuse perioodilise muutumise seaduse olemasolu... ... Wikipedia
- (v), kerge (võimalik, et massita) elektriliselt neutraalne osake spinniga 1/2 (ühikutes ћ), mis osaleb ainult nõrgas ja gravitatsioonilises. kokkupuuted. N. kuulub leptonite klassi ja statistika järgi. Püha ilmutus teile fermion. Tuntud on kolme tüüpi N.: ... ... Füüsiline entsüklopeedia
Peaaegu kõik nohikud on kuulnud neutriinode võnkumisest. Selle nähtuse kohta on kirjutatud palju erialast kirjandust ja palju populaarseid artikleid, kuid ainult õpikute autorid usuvad, et lugeja mõistab väljateooriat ja isegi kvantteooriat ning populaarsete artiklite autorid piirduvad tavaliselt fraasidega stiilis: "Osakesed lendavad ja lendavad, ja siis BAM ja muutuda teisteks,” ja teistsuguse massiga (!!!). Proovime välja mõelda, kust see huvitav efekt pärineb ja kuidas seda tohutute installatsioonide abil jälgida. Ja samal ajal õpime, kuidas leida ja eraldada 600 tonnist ainest mitu vajalikku aatomit.
Veel üks neutriino
Eelmises artiklis rääkisin sellest, kuidas 1932. aastal tekkis idee neutriinode olemasolust ja kuidas see osake 25 aastat hiljem avastati. Lubage mul teile meelde tuletada, et Reines ja Cowan registreerisid antineutriino interaktsiooni prootoniga. Kuid isegi siis uskusid paljud teadlased, et neutriinosid võib olla mitut tüüpi. Neutriinot, mis suhtleb aktiivselt elektroniga, nimetatakse elektroniks ja neutriinot, mis interakteerub müüoniga, nimetatakse müooniliseks. Katsetajad pidid välja selgitama, kas need kaks tingimust on erinevad või mitte. Lederman, Schwartz ja Steinberger viisid läbi tähelepanuväärse eksperimendi. Nad uurisid kiirendi pi-mesonite kiirt. Sellised osakesed lagunevad kergesti müüoniteks ja neutriinodeks.Kui neutriinodel on tõesti erinevaid tüüpe, siis peaks sündima müüon. Siis on kõik lihtne – asetame sündinud osakeste teele sihtmärgi ja uurime, kuidas nad omavahel suhtlevad: elektroni või müüoni sünniga. Kogemused on selgelt näidanud, et elektrone peaaegu ei teki.
Nüüd on meil kahte tüüpi neutriinod! Oleme valmis liikuma neutriinode võnkumiste arutamise järgmise sammu juurde.
See on mingi "vale" päike
Esimestel neutriinokatsetel kasutati kunstlikku allikat: reaktorit või kiirendit. See võimaldas luua väga võimsaid osakeste voogusid, sest vastastikmõju on äärmiselt haruldane. Kuid palju huvitavam oli registreerida looduslikke neutriinosid. Eriti huvitav on Päikesest lähtuvate osakeste voolu uurimine.20. sajandi keskpaigaks oli juba selge, et Päikese käes küttepuid ei põle - nad arvutasid ja selgus, et küttepuid ei jätku. Energia vabaneb tuumareaktsioonide käigus Päikese keskpunktis. Näiteks nimetatakse meie tähe peamist protsessi prootoni-prootoni tsükliks, kui heeliumi aatom on kokku pandud neljast prootonist.
Võib märkida, et esimese sammuna peaksid sündima meid huvitavad osakesed. Ja siin saab neutriino füüsika näidata kogu oma jõudu! Optiliseks vaatluseks on ligipääsetav ainult Päikese pind (fotosfäär) ja neutriinod läbivad takistamatult meie tähe kõiki kihte. Selle tulemusena pärinevad registreeritud osakesed just sellest keskusest, kus nad sünnivad. Me saame Päikese tuuma otse jälgida. Loomulikult ei saanud sellised uuringud füüsikuid meelitada. Lisaks oli eeldatav voog ligi 100 miljardit osakest ruutsentimeetri kohta sekundis.
Esimese sellise katse viis läbi Raymond Davis Ameerika suurimas kullakaevanduses – Homestake Mine’is. Installatsioon tuli peita sügavale maa alla, et kaitsta end võimsa kosmiliste osakeste voo eest. Neutriino võib probleemideta läbida poolteist kilomeetrit kivimit, kuid teised osakesed peatatakse. Detektor oli tohutu tünn, mis oli täidetud 600 tonni tetrakloroetüleeni - 4 klooriaatomi ühendiga. Seda ainet kasutatakse aktiivselt keemilises puhastuses ja see on üsna odav.
Selle registreerimismeetodi pakkus välja Bruno Maksimovich Pontecorvo. Neutriinodega suheldes muutub kloor argooni ebastabiilseks isotoobiks,
mis haarab elektroni alumiselt orbitaalilt ja laguneb tagasi keskmiselt 50 päevaga.
Aga! Päevas on oodata vaid umbes 5 neutriino interaktsiooni. Paari nädalaga koguneb vaid 70 sündinud argooni aatomit ja need tuleb üles leida! Leidke 600 tonnisest tünnist mitukümmend aatomit. Tõeliselt fantastiline ülesanne. Iga kahe kuu tagant puhastas Davis tünni heeliumiga, puhudes välja tekkinud argooni. Korduvalt puhastatud gaas asetati väikesesse detektorisse (Geigeri loendur), kus loendati tekkiva argooni lagunemiste arv. Nii mõõdeti neutriino interaktsioonide arvu.
Peaaegu kohe selgus, et Päikesest lähtuv neutriinovoog oli oodatust ligi kolm korda väiksem, mis tekitas füüsikas suure sensatsiooni. 2002. aastal jagasid Davis ja Koshiba-san Nobeli preemiat oma märkimisväärse panuse eest astrofüüsikasse, sealhulgas kosmiliste neutriinode avastamise eest.
Väike märkus: Davis salvestas neutriinosid mitte prootoni-prootoni reaktsioonist, mida ma eespool kirjeldasin, vaid veidi keerulisematest ja haruldasematest protsessidest berülliumi ja booriga, kuid see ei muuda olemust.
Kes on süüdi ja mida teha?
Seega on neutriinovoog kolm korda väiksem kui eeldati. Miks? Võib pakkuda järgmisi valikuid:Need tujukad neutriinod
Aasta enne Davise katse tulemuste saamist töötas juba mainitud Bruno Pontecorvo välja teooria, kuidas täpselt neutriinod võivad vaakumis oma tüüpi muuta. Üks tagajärg on see, et erinevat tüüpi neutriinodel peaks olema erinev mass. Ja miks peaksid sellised osakesed lennates muutma oma massi, mida üldiselt tuleks säilitada? Selgitame välja.Me ei saa läbi ilma kvantteooria väikese sissejuhatuseta, kuid ma püüan selle selgituse võimalikult läbipaistvaks muuta. Kõik, mida vajate, on põhigeomeetria. Süsteemi olekut kirjeldatakse "olekuvektoriga". Kuna vektor on olemas, siis peab ka alus olema. Vaatame värviruumi analoogiat. Meie “seisund” on roheline värv. RGB-aluses kirjutame selle vektori kujul (0, 1, 0). Kuid CMYK-i alusel kirjutatakse peaaegu sama värv erinevalt (0,63, 0, 1, 0). On ilmne, et meil ei ole ega saagi olla “põhilist” alust. Erinevate vajaduste jaoks: pildid monitoril või printimine, peame kasutama oma koordinaatsüsteemi.
Mis on neutriinode alus? On üsna loogiline jaotada neutriinovoog eri tüüpideks: elektron (), müon () ja tau (). Kui meil lendab Päikeselt eranditult elektronneutriinode voog, siis on see olek sellisel alusel (1, 0, 0). Kuid nagu oleme juba arutanud, võivad neutriinod olla tohutud. Pealegi on neil erinev mass. See tähendab, et neutriinovoo saab lagundada ka massiolekuteks: vastavalt massidega.
Kogu võnkumiste mõte on selles, et need alused ei lange kokku! Pildil olevad sinised näitavad neutriinode tüüpe (sorte) ja punased erineva massiga olekuid.
See tähendab, et kui neutroni lagunemisel tekkis elektronneutriino, siis tekkis korraga kolm massiolekut (prognoositud ).
Aga kui nende olekute massid on veidi erinevad, on energiad veidi erinevad. Ja kuna energiad on erinevad, siis levivad nad ruumis erinevalt. Pilt näitab täpselt, kuidas need kolm olekut aja jooksul arenevad.
(c) www-hep.physics.wm.edu
Pildil on osakese liikumine näidatud laine kujul. Seda esitust nimetatakse de Broglie laineks või teatud osakese registreerimise tõenäosuse laineks.
Neutriinod interakteeruvad sõltuvalt tüübist (). Seega, kui tahame arvutada, kuidas neutriino avaldub, peame oma olekuvektori projitseerima (). Ja seega on tõenäoline, et registreeritakse üht või teist tüüpi neutriino. Need on tõenäosuslained, mille me saame elektronneutriino jaoks sõltuvalt läbitud vahemaast:
Kui palju tüüp muutub, määravad kirjeldatud koordinaatsüsteemide suhtelised nurgad (näidatud eelmisel joonisel) ja masside erinevused.
Kui kvantmehaanika terminoloogia teid ei hirmuta ja teil on kuni selle punktini kannatlikkust lugeda, leiate Wikipediast lihtsa formaalse kirjelduse.
Kuidas see tegelikult on?
Teooria on muidugi hea. Kuid me ei suuda ikkagi otsustada, kumb kahest variandist looduses realiseerub: Päike "pole selline" või neutriinod "ei ole selline". Vaja on uusi katseid, mis näitavad lõplikult selle huvitava efekti olemust. Kirjeldan sõna otseses mõttes lühidalt peamisi seadeid, mis mängisid uurimistöös võtmerolli.Kamioka observatoorium
Selle observatooriumi ajalugu algab sellest, et siin üritati leida prootonite lagunemist. Seetõttu sai detektor sobiva nime - “Kamiokande” (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Kuid pärast midagi avastamist keskendusid jaapanlased kiiresti paljulubavale suunale: atmosfääri- ja päikeseneutriinode uurimisele. Oleme juba arutanud, kust päikeseenergia tuleb. Atmosfäärilised sünnivad Maa atmosfääris leiduvate müüonite ja pi-mesonite lagunemisel. Ja Maale jõudes suudavad nad kõikuda.Detektor hakkas andmeid koguma aastal 1987. Neil vedas metsikult kuupäevadega, aga sellest juba järgmises artiklis :) Paigaldus oli tohutu tünn, mis oli täidetud puhtaima veega. Seinad sillutati fotokordisti torudega. Peamine reaktsioon, millega neutriinod kinni püüti, oli elektroni väljalöömine veemolekulidest:
Kiirelt lendav vaba elektron helendab vees tumesiniselt. Seda kiirgust salvestasid seintel olevad fotokordistad. Seejärel uuendati installi Super-Kamiokande ja jätkas oma tööd.
Katse kinnitas päikeseneutriinode puudujääki ja lisas sellele atmosfääri neutriinode defitsiidi.
Galliumi katsed
Peaaegu kohe pärast Kakiokande käivitamist 1990. aastal alustasid tööd kaks galliumdetektorit. Üks neist asus Itaalias, Grand Sasso mäe all samanimelises laboris. Teine asub Kaukaasias, Baksani kurul, Andõrchi mäe all. Neutrino küla ehitati spetsiaalselt selle labori jaoks kurusse. Meetodi enda pakkus välja Pontecorvo ideedest inspireeritud Vadim Kuzmin juba 1964. aastal.Neutriinodega suheldes muutub gallium germaaniumi ebastabiilseks isotoobiks, mis laguneb tagasi galliumiks keskmiselt 16 päevaga. Kuu aja jooksul moodustub mitukümmend germaaniumi aatomit, mis tuleb galliumist väga hoolikalt eraldada, panna väikesesse detektorisse ja lugeda galliumiks tagasi lagunemiste arv. Galliumkatsete eeliseks on see, et nendega saab püüda väga madala energiatarbega neutriinosid, mis on teistele rajatistele kättesaamatud.
Kõik ülalkirjeldatud katsed näitasid, et me näeme oodatust vähem neutriinosid, kuid see ei tõesta võnkumiste olemasolu. Probleem võib ikkagi olla vales Päikese mudelis. SNO eksperiment pani päikeseneutriinode probleemi viimase ja viimase punkti.
Sudbury observatoorium
Kanadalased ehitasid Creightoni kaevandusse tohutu "surmatähe".
Kahe kilomeetri sügavusele asetati akrüülkera, mis oli ümbritsetud fotokordistitega ja täidetud 1000 tonni raske veega. See vesi erineb tavalisest veest selle poolest, et tavaline ühe prootoniga vesinik on asendatud deuteeriumiga - prootoni ja neutroni ühendiga. Just deuteerium mängis võtmerolli päikeseneutriinode probleemide lahendamisel. Selline installatsioon võiks registreerida nii elektronneutriinode kui ka kõigi teiste tüüpide vastasmõju! Elektronneutriinod hävitavad deuteeriumi elektronide sünniga, samas kui muud tüüpi elektronid ei saa sündida. Kuid nad võivad deuteeriumi pisut "tõugata", nii et see laguneb osadeks ja neutriino lendab edasi.
Kiire elektron, nagu me juba rääkisime, helendab keskkonnas liikudes ja neutron peaks kiiresti kinni jääma deuteeriumiga, kiirgades footoni. Seda kõike saab salvestada fotokordisti torude abil. Füüsikud suudavad lõpuks mõõta osakeste täisvoogu Päikesest. Kui selgub, et see kattub ootustega, siis kanduvad elektronneutriinod teistele üle ja kui seda on oodatust vähem, siis on süüdi vale Päikese mudel.
Eksperiment algas 1999. aastal ja mõõtmised näitasid kindlalt, et elektroonikakomponendis on puudujääk
Tuletan meelde, et tähes võivad sündida peaaegu eranditult elektronneutriinod. See tähendab, et ülejäänud saadi võnkumiste käigus! Nende tööde eest said Arthur MacDonald (SNO) ja Kajita-san (Kamiokande) 2015. aasta Nobeli preemia.
Peaaegu kohe, 2000. aastate alguses, hakati võnkumisi uurima ka teiste katsetega. Seda efekti täheldati ka inimtekkeliste neutriinode puhul. Samas kohas, Kamiokas, asuv Jaapani eksperiment KamLAND jälgis juba 2002. aastal reaktorist lähtuvate elektronide antineutriinode võnkumisi. Ja teine, samuti Jaapani, K2K eksperiment registreeris esimest korda muutuse kiirendi abil loodud neutriinode tüübis. Tuntud Super-Kamiokande kasutati kaugdetektorina.
Nüüd uurib seda mõju üha rohkem installatsioone. Detektoreid ehitatakse Baikali järvele, Vahemerele ja lõunapoolusele. Samuti oli installatsioone põhjapooluse lähedal. Kõik nad püüavad kosmilist päritolu neutriinosid. Käimas on kiirendi ja reaktori katsed. Võnkumiste endi parameetreid täpsustatakse ning neutriinode masside suuruse kohta üritatakse midagi välja selgitada. On märke, et just selle efekti abil saab seletada aine ülekaalu antiainest meie universumis!
Spoileri all on väike märkus kõige mõtlevamatele.
2015. aasta auhind anti välja sõnastusega "neutriinovõnkumiste avastamise eest, näidates nendes massi olemasolu". See väide tekitas füüsikutes segadust. Päikese neutriinode mõõtmisel (SNO eksperiment) oleme massierinevuste suhtes tundlikud. Üldiselt võib mass olla null, kuid võnkumised jäävad alles. Seda käitumist seletatakse neutriinode vastasmõjuga päikeseainega (Mihhejevi-Smirnovi-Wolfensteini efekt). See tähendab, et on olemas päikeseneutriinode võnkumised, nende avastamine on põhimõtteline läbimurre, kuid see pole kunagi näidanud massi olemasolu. Tegelikult andis Nobeli komitee auhinna välja vale sõnastusega.
Just vaakumis avalduvad võnkumised atmosfääri-, reaktori- ja kiirendikatsetes. Lisa märksõnu
Päikese neutriinodefitsiidi probleemi võimaliku lahendusena on esile kerkinud neutriinode võnkumiste teooria. Probleemi tuum seisnes selles, et päikese käes tekivad standardmudeli kohaselt neutriinod peamiselt prootoni-prootoni tsükli reaktsiooni tulemusena:
p + p 2 H + e + + e + 0,42 MeV
(Sellise reaktsiooni suhteline tõenäosus on 99,75%)
Peamine suure energiaga neutriinode allikas Päikesel on 8 B isotoobi lagunemine, mis tekib reaktsioonis 7 Be(p,) 8 B (prootoni-prootoni tsükli haruldane haru):
13 N 13 C + e + + e + 1,20 MeV
15 O 15 N + e + + e + 1,73 MeV
Praegu on päikeseneutriinode erinevate rühmade registreerimise kohta neli katseandmete seeriat. Reaktsioonil 37 Cl + e 37 Ar + e - põhinevaid radiokeemilisi katseid on tehtud 30 aastat. Teooria kohaselt peaksid sellesse reaktsiooni andma peamise panuse 8 V lagunemisel tekkivad neutriinod. On uuritud neutriinode otsest tuvastamist 8 V pinge lagunemisel neutriinode liikumise energia ja suuna mõõtmisega. KAMIOKANDE eksperimendis alates 1987. aastast. Kaks teadlaste rühma mitmest riigist on viimase viie aasta jooksul läbi viinud radiokeemilisi katseid reaktsiooni 71 Ga + e 71 Ge + e - kohta. Selle reaktsiooni oluliseks tunnuseks on tundlikkus peamiselt prooton-prootoni tsükli esimese reaktsiooni p + p 2 D + e + + e suhtes. Selle reaktsiooni kiirus määrab reaalajas energia vabanemise kiiruse päikesesünteesiahjus. Kõik katsed näitavad päikese neutriinovoogude puudujääki võrreldes standardse päikesemudeli ennustustega.
Päikese neutriinodefitsiidi probleemi võimalik lahendus on neutriinode võnkumine – elektronneutriinode muundumine müüon- ja tau-neutriinodeks.
Esimene asi, millele peate neutriinode omaduste üle arutlema asudes tähelepanu pöörama, on nende erinevate sortide olemasolu.
Nagu teate, saame praegu kindlasti rääkida kolmest sellisest sordist:
ν e , ν μ , ν τ ja vastavalt nende antineutriinod. Laetud W-bosoniga vahetamisel muutub elektronneutriino elektroniks ja müoniline neutriino muuoniks (ν τ tekitab tau leptoni). See omadus võimaldas korraga tuvastada elektron- ja müüonneutriinode olemuse erinevust. Nimelt koosnevad kiirenditel tekkivad neutriinokiired peamiselt laetud π-mesonite lagunemissaadustest:
π + μ + + ν
π − μ − + ν
Kui neutriinod ei tee vahet leptonitüüpide vahel, siis sellisel viisil toodetud neutriinod tekitavad aine tuumadega suhtlemisel võrdselt elektrone ja müüone. Kui iga lepton vastab oma neutriinotüübile, siis pioonide lagunemisel tekivad ainult müüonitüübid. Siis toodab kiirendi neutriinokiir valdaval enamusel juhtudel müüone, mitte elektrone. See on just see nähtus, mis eksperimentaalselt registreeriti.
Pärast neutriinotüüpide erinevuse fakti selgitamist tekkis küsimus: kui sügav see erinevus on? Kui pöörduda analoogia poole kvarkidega, tuleks tähelepanu pöörata asjaolule, et elektronõrk interaktsioon ei säilita kvarkide tüüpi (maitset). Näiteks on võimalik järgmine üleminekute ahel:
mis viib olekute segunemiseni, mis erinevad ainult kummalisuse poolest, näiteks neutraalsed K-mesonid K 0 ja K 0 . Kas eri tüüpi neutriinod võivad seguneda sarnaselt? Sellele küsimusele vastates on oluline teada, millised on neutriinode massid. Vaatlustest teame, et neutriinodel on väga väike mass, oluliselt väiksem kui vastavate leptonite mass. Seega on meil elektronneutriino massi jaoks piirang
m(e)< 5.1 эВ, |
samas kui elektroni mass on 0,51099906 ± 0,00000015 MeV
Enamikul juhtudel võime eeldada, et kõigi kolme neutriino mass on null. Kui need on täpselt võrdsed nulliga, on võimatu märgata erinevat tüüpi neutriinode võimaliku segunemise mõju. Ainult siis, kui neutriinode mass on nullist erinev, omandab segunemine füüsilise tähenduse. Pange tähele, et me ei tea ühtegi põhimõttelist põhjust, mis viiks neutriino masside range võrdsuseni nulliga. Seega on erinevate neutriinode segunemise küsimus probleem, mis tuleks lahendada füüsikaliste meetoditega, eelkõige eksperimentaalselt. Esmakordselt juhtis elektron- ja müontüüpi neutriinode segamise võimalusele tähelepanu B.M. Pontecorvo.
Neutriino olekute segunemine
Vaatleme kahte tüüpi neutriinode probleemi: e, ν μ,. Segamisefektide jaoks kaaluge, kuidas olekud aja jooksul arenevad. Ajalise evolutsiooni määrab Schrödingeri võrrand
Sellest hetkest alates kasutame osakeste füüsikas tavaliselt kasutatavat ühikute süsteemi h = c = 1. See süsteem on mugav, kuna sellel on ainult ühemõõtmeline suurus, näiteks energia. Nüüd on impulsi ja massi mõõtmed samad kui energial ning koordinaadil x ja ajal t on pöördenergia mõõde. Rakendades seda seost neutriinode puhul, mida me käsitleme, kui nende mass on palju väiksem kui impulss, saame (2) asemel:
(5) põhjal mõistame võrrandit (4) funktsioonide (t), (t) võrrandisüsteemina:
|
Lühiduse mõttes kirjutatakse selline süsteem tavaliselt kujul (4), kuid siis (t) mõistetakse veerguna , , ja sulgudes on esimene liige võrdeline identiteedimaatriksiga, samas kui väärtusest M 2 saab mingi ( 2 x 2) maatriks koos maatriksielementidega, mida on lihtne saada süsteemist (6). Väärtus on siin väga oluline, erinevus nullist toob kaasa segamisefektid. Kui seda pole, laguneb süsteem kaheks sõltumatuks võrrandiks ja neutriinod, elektron ja müüon, eksisteerivad eraldi oma massiga.
Niisiis, H 0. Seejärel otsime süsteemile (6) lahendusi kombinatsioonide kujul
1 (t) = cos e (t) + sin ν μ (t), |
(7) |
millel on teatud sagedus, see tähendab, et neil on vorm (3). Edasistel eesmärkidel on oluline märkida, et väikese 0 juures on 1 peaaegu puhas elektronneutriino ja /2 juures on see peaaegu täielikult müüon. Lisades esimese võrrandi (6), korrutatud cos-iga, teise, korrutatud patuga, saame tingimuse, et ka vasak pool sisaldab ainult 1:
Toimub m e > , see tähendab =/4, vastab maksimaalsele segunemisele ja realiseerub peaaegu täpselt neutraalsete K-mesonite süsteemi puhul. Osariikidel (7) on teatud massid, mille saame süsteemist (6):
| (10) |
Märgid punktis (10) vastavad juhtumile > m e. Alates (10) näeme, et nulli segamisel = 0 saame m 1 = m e, m 2 = . Segamise juuresolekul toimub massinihe. Kui me seda väga väikeseks peame, siis
Kujutagem ette, et algsel ajahetkel t = 0 sündis elektronneutriino. Siis (7) ja (12) saame vaadeldava oleku ajast sõltuvuse (jätame välja ühisteguri e -ikt)
| (13) |
Tutvustame tähistust m 2 = m 1 2 - m 2 2. Näeme, et koos algselt esinenud elektronneutriinoga ilmub siia ka müüoni neutriino olek. Selle esinemise tõenäosus on kvantmehaanika reeglite kohaselt amplituudmooduli ruut, see tähendab koefitsient | ν μ >. See, nagu on näha punktist (13), sõltub ajast ja summadest
W(t) = sin 2 2 sin 2 ((E 1 -E 2) t/2) = sin 2 2 sin 2 (m 2 t/4 k) = sin 2 2 sin 2 (1,27 m 2 L/E), |
(14) |
kus mõõdame kaugust L meetrites, neutriino energiat megaelektronvoltides ja ruutmasside m2 erinevust ruutelektronvoltides. Loomulikult võtame arvesse neutriinode masside väiksust, seega L = ct. Muuonkomponendil on iseloomulik võnkuv sõltuvus; seda nähtust nimetatakse neutriinovõnkudeks. Mida tuleks neutriino võnkumiste mõjuna jälgida? Teame, et elektronneutriinod toodavad elektroni reaktsiooni tulemusena W vahetumisel ja müüonneutriinodel müüon. Järelikult tekitab algselt elektronneutriinodest koosnev kiir salvestusseadmeid läbides mitte ainult elektrone, vaid ka müüoneid, mille tõenäosus sõltub valemiga (14) kaugusest lähtepunktini. Lihtsamalt öeldes peame otsima "tulnukate" leptonite sündi.
Aktiivselt tehakse katseid neutriinode võnkumiste otsimiseks ja need ei vii reeglina mitte efekti mõõtmiseni, vaid parameetrite piiramiseni punktides (14) ja m 2. On selge, et kui vähemalt üks neist parameetritest on võrdne nulliga, puudub mõju. Hiljuti on Jaapani Super-Kamiokande paigaldises tehtud katsetes teatatud tõsistest märkidest neutriinovõnkumiste olemasolust. Nendes katsetes uuriti kõrge energiaga kosmiliste kiirte toimel atmosfääri ülemistes kihtides tekkivate osakeste lagunemisel tekkivat neutriinovoogu. Olenevalt horisondi kaldenurkadest, mille juures uuritavad neutriinod instrumendi juurde jõuavad, läbivad nad vahemaid mitmekümnest kilomeetrist (otse ülevalt) kuni mitme tuhande kilomeetrini (otse altpoolt). Poolteist aastat kestnud pidevate mõõtmiste tulemus osutus võnkumisteta teoorial põhinevate arvutustega kokkusobimatuks. Samal ajal viib võnkumiste kasutuselevõtt suurepärase kokkukõla katsega. Sel juhul on vajalikud üleminekud ν μ e:
sin 2 > 0,82,
510 -4
< m 2
< 610 -2
see tähendab, et nende väärtused on selgesõnaliselt nõutavad. Seni pole teaduslik avalik arvamus veel neutriinovõnkumiste avastamist lõplikult aktsepteerima kaldunud ja ootab tulemuse kinnitust. Katsed jätkuvad, kuid vahepeal selgus, et neutriinode võnkumisi uurides saab anda veelgi rikkalikumat infot, võttes arvesse nende vastasmõju ainega.
Neutriino võnkumised aines
Neutriino leviku mõjuga aines seotud võimaluste väljaselgitamist seostatakse L. Wolfensteini ja S.P. Mikheev ja A. Yu. Smirnova.
Vaatleme veel kord kahe neutriino – elektroni ja müüoni – juhtumit. Aine sisaldab tuumades ja elektronides prootoneid ja neutroneid. Mõlemat tüüpi neutriinode vastastikmõju prootonite ja neutronitega W ja Z vahetumise tõttu toimub ühtemoodi ega too seetõttu kaasa uusi efekte võrreldes vaakumis levimisega. Täiesti erinev on olukord neutriinode elektronide hajutamisega. Müooniline neutriino saab elektroniga suhelda ainult neutraalse bosoni Z vahetuse kaudu, samal ajal kui laetud bosoni W vahetus aitab kaasa elektroni neutriino (ja antineutriino) hajumisele elektronil. Näiteks W - läheb paariks e, nii et protsessi hajumine järgib mustrit
Antineutriinode hajutamisel elektroniga ühinevad nad W-ks ja neutriinode hajumisel toimub W vahetus, milles algne neutriino annab elektroni ja W +, mis neeldub algsesse elektroni, andes lõpliku neutriino. Muuonneutriino jaoks on sellised üleminekud võimatud.
Seega on elektronneutriinol täiendav interaktsioon elektroniga, mida kirjeldab lisatermin (6) esimesel real:
Siis muutub võrrandisüsteem, mis kirjeldab lainefunktsiooni sõltuvust ajast:
kus = 2kV W ja see suurus on seotud elektronide neutriinode hajumisega elektronidele W vahetuse tõttu. Elektronõrga teooria annab lihtsa avaldise
|
(17) |
,Kus G F = (1.16637 + 0,00002) . 10 -5 GeV -2 on teadaolev Fermi konstant, mis iseloomustab nõrka interaktsiooni ja N e- elektroni tihedus aines. See tihedus on võrdeline elemendi aatomarvuga Z ja aine tavalise tihedusega p, mis kajastub seose (17) arvulises vormis. Siis saab väärtuse esitada kujul (A on vastava elemendi aatommass)
Arvestades avaldist (16) neutriino olekute masside ja (19) segunemisnurga jaoks aines, saame kõige huvitavama nähtuse neutriinode resonantsvõnkumisest aines. Olgu neutriinode segunemine vaakumis väga väike, st sin 2< 1. Представим себе, что нейтрино с некоторым импульсом k (первоначально электронное) проходит через вещество с переменной плотностью, меняющейся монотонно, например убывающей. Если при этом в каком-то слое плотность такова, что выполняется равенство
1.526. 10 -7 Zk/A = m 2 cos 2, |
(20) |
siis realiseerub resonants. Tõepoolest, patu eest 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.
Resonantsvõnkumise nähtus avaldub selgelt ka aine neutriino masside sõltuvuses tihedusest (16). Tõepoolest, alustame avaldisega (16) miinusmärgiga, mis vastavalt võrranditele (15) kirjeldab algset elektronneutriinot (kuna see sisaldab sellele iseloomulikku interaktsiooni elektronidega V W). Laske tihedusel resonantsi läbides muutuda. Siis on massi ruut enne resonantsi väikese nurga all m e 2 + V W ja pärast resonantsi -. Resonantsi läbimisel muutub neutriino tüüp täielikult.
Tuleb märkida, et kui neutriino asemel käsitleme antineutriinot, siis peamine erinevus seisneb termini märgis, mis kirjeldab interaktsiooni vahetusega W. V W märgid neutriinode ja antineutriinode puhul on vastupidised. See tähendab, et resonantstingimus saavutatakse sõltuvalt m 2 märgist kas ainult neutriinode või ainult antineutriinode puhul. Näiteks kui müoniline neutriino on raskem kui elektron, siis saab resonantsi täheldada ainult elektronneutriino algseisundi puhul, kuid mitte antineutriino puhul.
Seega annab neutriino (ja antineutriino) kiirte levik aines rikkalikku füüsilist teavet. Kui peamised parameetrid ehk m 2 ja , on teada, siis valgustades neutriinokiire väljundis neutriinokiire koostisest läbi teatud objekti, näiteks planeedi, tähe vms. saada pilt tiheduse jaotusest valgustatud objekti sees. Võite pöörata tähelepanu lähedasele analoogiale väikeste objektide (kaasa arvatud elusate) röntgenikiirguse edastamisega.
Näited võimalikest ilmingutest ja rakendustest
Neutriinode võnkumiste nähtust pole veel eksperimentaalselt registreeritud, kuid viiteid nende olemasolule on ja neid seostatakse täpselt võimalike resonantsnähtustega. Fakt on see, et registreerimismeetodid on tundlikud peamiselt elektronneutriinode (antineutriinode) suhtes, kuna müon- ja eriti tau-neutriinod, mille energia on mitu megaelektronvolti, ei suuda näiteks reageerida.
37 Cl + 37 Ar + e-.
mida kasutatakse kloor-argooni meetodil neutriinode tuvastamiseks. See on tingitud asjaolust, et müüoni sünniks on vaja kulutada energiat üle 100 MeV (ja tau sünniks veelgi rohkem). Samal ajal võib toimuda sarnane reaktsioon elektronneutriinoga. Päikesel toimuvad tuumareaktsioonid on elektron(anti)neutriinode allikaks, mistõttu kasutatav meetod tundus üsna adekvaatne. Kui aga teel sünnipunktist seadmeni tekib võnkumine ja neutriino muutub näiteks müüoniks, siis reaktsiooni ei toimu ja neutriino muutub “steriilseks”. See võib olla selgitus päikese neutriinode puudujäägile.
Algul püüdsid nad seletamiseks kasutada tavalisi (esimene sektsioon) võnkumisi Päikese ja Maa vahelises ruumis. Muuonneutriinode segunemise määrab segunemisnurk. Viidates valemile (14), võime järeldada, et selliste steriilsete neutriinode osa Maal
kus kasutame keskmise väärtuse tähistamiseks nurksulgusid. Keskmistamine on vajalik, kuna kaugus L Maa ja Päikese vahel muutub mõõtmisprotsessi käigus oluliselt selle orbiidi liikumise tõttu. Funktsiooni sin 2x keskmine väärtus suurel intervallil on 1/2, seega steriilsete neutriinode osa on
Seega on üldiselt võimalik Päikeselt lähtuvat neutriinovoogu poole võrra alla suruda, kuid selleks on vaja maksimaalset segunemissinu 2 = 1. Võnkumiste otsingud näitavad, et paljude neutriinode masside puhul on selline suur segunemine kogemuse järgi välistatud. Lisaks annab see selgitus neutriinovoo sama allasurumise kõigi neutriinoenergiate puhul, samas kui katsetulemused näitavad efekti energiasõltuvust.
Adekvaatsemaks seletuseks osutub resonantsvõnkumiste kasutamine Päikese aines. Selleks, et toimuks neutriinode resonantsüleminek steriilsesse olekusse, peab teatud päikeseainekihil olema täidetud tingimus (20). Olgu segamisnurk väga väike, nii et cos on 21. Võtame näiteks parameetrite väärtused
Z/A = 1,05, = 10 g/cm2, E = 1 MeV,
kus esimene number peegeldab tõsiasja, et Päike koosneb peamiselt vesinikust koos heeliumi ja muude elementide seguga. Seejärel annab tingimus (20) neutriino masside ruudu erinevuse
Just sellist neutriinode masside järjekorda on vaja, et kasutada aines esinevate neutriinovõnkumiste resonantsmehhanismi, et selgitada päikeseneutriinode defitsiidi, sealhulgas selle efekti energiasõltuvust. Siin on olukord järgmine: kui olemasolevad katseandmed saavad lõpliku kinnituse, siis peale resonantsvõnkumise muud seletust pakkuda ei saa. See on kõige olulisem tulemus, mis avab tee füüsilise maailma struktuuri edasisele mõistmisele. Lisaks saame uue võimaluse taevakehade, sealhulgas meie Maa röntgenskaneerimiseks. Tõepoolest, pidades silmas, et maiste kivimite tihedus on vahevöös 3-6 g/cm 3 ja südamikus 9-12 g/cm 3, oleme veendunud, et neutriino massiga (22) saavutatakse resonantsitingimused. neutriinodele, mille energia suurus on mitu megaelektronvolti. Moodustades selliseid kiiri ja viies läbi Maa läbivalgustamise programmi koos efekti salvestamisega neutriinojaamade võrgustikus, on võimalik saada Maa paksuse tomogramme. Edaspidi võib see kaasa tuua nii Maa ehituse üksikasjade selgitamise kui ka praktiliste tulemusteni, näiteks sügavamal asuvate mineraalide otsimisel rakendamisel.
Teisipäeval, 6. oktoobril sai teatavaks, et jaapanlane Takaaki Kajita ja kanadalane Arthur MacDonald pälvisid 2015. aasta Nobeli füüsikaauhinna neutriinovõnkumiste avastamise eest.
See on neljas "Nobel" füüsikas, mis antakse nende salapäraste osakeste uurimisel tehtud töö eest. Mis on neutriinode mõistatus, miks neid on nii raske tuvastada ja mis on neutriinode võnkumised, selgitame selles artiklis lihtsas ja ligipääsetavas keeles.
Neutroni sünd
19. sajandi lõpus avastas prantsuse füüsik Henri Becquerel luminestsentsi ja röntgenikiirguse seost uurides kogemata radioaktiivsust. Selgus, et üks uraanisooladest ise kiirgab nähtamatut ja salapärast kiirgust, mis ei ole röntgenikiirgus. Siis selgus, et radioaktiivsus on omane just uraanile, mitte ühenditele, milles see sisaldub, mille järel avastati teiste elementide radioaktiivsus - näiteks toorium, raadium jne.
Mõni aasta hiljem otsustas Briti füüsik Ernest Rutherford lasta seni uurimata radioaktiivse kiirguse läbi magnetvälja ja avastas, et seda saab jagada kolmeks osaks. Mõned kiired kaldusid magnetväljas kõrvale nii, nagu koosneksid positiivselt laetud osakestest, teised justkui negatiivsetest ja kolmandad ei olnud üldse kõrvale kaldunud.
Selle tulemusena otsustati nimetada esimesi alfa-, teisi beeta- ja kolmandaid gammakiirte. Seejärel selgus, et gammakiired on kõrgsageduslik elektromagnetkiirgus (või suure energiaga footonite voog), alfakiired on heeliumi aatomite tuumade voog, st kahest prootonist ja kahest neutronist koosnevad osakesed ning beeta. kiired on elektronide voog, kuigi on olemas ka positrone beetakiired (see sõltub beeta-lagunemise tüübist).
Kui mõõta vastavat tüüpi radioaktiivsest lagunemisest tekkivate alfaosakeste ja gammaosakeste energiat, siis selgub, et see võib võtta vaid mõned diskreetsed väärtused. See on hästi kooskõlas kvantmehaanika seadustega. Beeta-lagunemise ajal emiteeritud elektronidega oli aga olukord teine – nende energiaspekter oli pidev. Teisisõnu, elektron võib kanda absoluutselt igasugust energiat, mida piirab ainult laguneva isotoobi tüüp. Veelgi enam, enamikul juhtudel selgus, et elektronide energia oli väiksem kui teooria ennustas. Lisaks osutus prognoositust väiksemaks ka radioaktiivse lagunemise järel tekkinud tuuma energia.
Selgus, et beeta-lagunemise ajal kadus energia sõna otseses mõttes, rikkudes põhilist füüsikalist põhimõtet - energia jäävuse seadust. Mõned teadlased, kelle hulgas oli ka Niels Bohr ise, olid juba valmis tunnistama, et seadus ei pruugi mikrokosmoses töötada, kuid saksa füüsik Wolfgang Pauli pakkus välja selle probleemi lahendamise lihtsal ja üsna riskantsel viisil – eeldada, et puuduv energia on mille kannab ära mõni osake, millel puudub elektrilaeng, mis interakteerub ainega ülimalt nõrgalt ja seetõttu pole seda veel avastatud.
Mõni aasta hiljem võttis selle hüpoteesi omaks itaalia füüsik Enrico Fermi beeta-lagunemise teoreetiliseks selgituseks. Selleks ajaks oli neutron juba avastatud ja füüsikud teadsid, et aatomituum koosneb enamast kui ainult prootonitest. Teada oli, et prootoneid ja neutroneid tuumas hoiab koos nn tugev vastastikmõju. Siiski jäi endiselt ebaselgeks, miks beetalagunemise ajal kiirgab tuum elektroni, mida seal põhimõtteliselt pole.
Fermi väitis, et beetalagunemine sarnaneb ergastatud aatomi footoni emissiooniga ja elektron ilmub tuumasse just lagunemisprotsessi käigus. Tuuma üks neutronitest laguneb kolmeks osakeseks: prootoniks, elektroniks ja seesama Pauli ennustatud nähtamatu osake, mida Fermi itaalia keeles nimetas “neutriinoks”, see tähendab “neutroniks” või väikeseks neutroniks. Nagu neutronil, pole ka neutriinol elektrilaengut ja ta ei osale ka tugevas tuuma vastasmõjus.
Fermi teooria oli edukas. Avastati, et beeta-lagunemise eest vastutab teine senitundmatu interaktsioon, nõrk tuumainteraktsioon. See on just see interaktsioon, milles lisaks gravitatsioonilisele osalevad ka neutriinod. Kuid kuna selle interaktsiooni intensiivsus ja raadius on nii väikesed, jääb neutriino mateeriale suures osas nähtamatuks.
Võite ette kujutada mitte liiga kõrge energiaga neutriinot lendamas läbi raualehe. Et seda osakest leht sajaprotsendilise tõenäosusega kinni hoiaks, peaks selle paksus olema ligikaudu 10^15 kilomeetrit. Võrdluseks: kaugus Päikese ja meie galaktika keskpunkti vahel on vaid ühe suurusjärgu võrra suurem – umbes 10 16 kilomeetrit.
See neutriino tabamatus muudab selle praktikas jälgimise väga keeruliseks. Seetõttu kinnitati neutriinode olemasolu eksperimentaalselt alles 20 aastat pärast teoreetilist ennustust – 1953. aastal.
Kolm põlvkonda neutriinosid
Beeta-lagunemine võib toimuda kahel viisil: elektroni või positroni emissiooniga. Antineutriino kiirgub alati koos elektroniga ja neutriino kiirgub alati koos positroniga. Kahekümnenda sajandi keskel seisid füüsikud silmitsi küsimusega: kas neutriinodel ja antineutriinodel on vahet? Näiteks footon on iseenda antiosake. Kuid elektron pole sugugi identne oma antiosakesega – positroniga.
Neutriinode ja antineutriinode identiteeti näitas osakesel elektrilaengu puudumine. Hoolikate katsete abil õnnestus aga välja selgitada, et neutriinod ja antineutriinod on siiski erinevad. Seejärel oli osakeste eristamiseks vaja kasutusele võtta oma laengumärk – leptoniarv. Teadlaste kokkuleppel omistatakse leptonitele (osakesed, mis ei osale tugevas vastasmõjus), mille hulka kuuluvad elektronid ja neutriinod, leptoni number +1. Ja antileptonitele, mille hulgas on antineutriinod, omistatakse number -1. Sel juhul tuleb leptoniarv alati säilida – see seletab asjaolu, et neutriino esineb alati ainult paaris positroniga ja antineutriino elektroniga. Tundub, et need tasakaalustavad üksteist, jättes muutumatuks kogu süsteemi iga osakese leptoniarvude summa.
Kahekümnenda sajandi keskel koges osakeste füüsika tõeline buum – teadlased avastasid järjest uusi osakesi. Selgus, et leptoneid on arvatust rohkem – lisaks elektronile ja neutriinole avastati ka muuon (raske elektron), samuti müüonneutriino. Seejärel avastasid teadlased kolmanda põlvkonna leptoneid – veelgi raskema tau leptoni ja tau neutriino. Selgus, et kõik leptonid ja kvargid moodustavad kolme põlvkonda fundamentaalseid fermione (pooltäisarvulise spinniga osakesi, millest moodustub aine).
Kolme põlvkonna leptonite eristamiseks oli vaja kasutusele võtta nn maitse-leptonilaeng. Kõigil kolmel leptonite põlvkonnal (elektron ja neutriino, müüon ja müüonneutriino, tau lepton ja tau neutriino) on oma maitse-leptonilaeng ning laengute summa moodustab süsteemi kogu leptonite arvu. Pikka aega arvati, et ka leptonilaeng tuleb alati säilitada. Selgus, et neutriinode puhul seda ei juhtu.
Parem ja vasak neutriinod
Igal elementaarosakel on kvantmehaaniline omadus, mida nimetatakse spinniks. Spinni võib pidada osakese pöörleva liikumise suuruseks, kuigi see kirjeldus on väga meelevaldne. Spinni saab suunata osakese impulsi suhtes teatud suunas – sellega paralleelselt või risti. Teisel juhul on tavaks rääkida osakese põikpolarisatsioonist, esimesel – pikisuunalisest. Pikisuunalise polarisatsiooni puhul eristatakse ka kahte olekut: kui spinn on suunatud koos impulsiga ja kui see on suunatud sellele vastupidi. Esimesel juhul öeldakse, et osakesel on parempoolne polarisatsioon, teisel juhul vasakpoolne polarisatsioon.
Pikka aega peeti füüsikas vaieldamatuks pariteedi jäävuse seadust, mis ütleb, et looduses tuleb järgida ranget peegelsümmeetriat ja parempoolse polarisatsiooniga osakesed peavad olema täiesti samaväärsed vasakpoolse polarisatsiooniga osakestega. Selle seaduse kohaselt võib igas neutriinokiires leida sama palju parem- ja vasakukäelisi polariseeritud osakesi.
Teadlaste üllatus ei tundnud piire, kui selgus, et neutriinode paarsusseadust ei järgita – paremakäelisi ja vasakukäelisi antineutriinosid looduses ei eksisteeri. Kõigil neutriinodel on vasakukäeline polarisatsioon ja antineutriinodel on parempoolne polarisatsioon. See tõestab hämmastavat tõsiasja, et beetalagunemise eest vastutav nõrk tuuma interaktsioon, milles neutriinod sünnivad, on kiraalne - peegelpeegeldumise korral selle seadused muutuvad (sellest oleme juba eraldi kirjutanud).
Kahekümnenda sajandi keskpaiga elementaarosakeste füüsika seisukohalt näitas olukord range polarisatsiooniga, et neutriino on massita osake, sest vastasel juhul tuleks tunnistada, et leptoni laengu jäävuse seadust ei järgitud. Selle põhjal arvati pikka aega, et neutriinodel tõesti pole massi. Kuid täna teame, et see pole nii.
Tabamatu mass
Neutriinod tormavad tohutul hulgal läbi Maa paksuse ja otse läbi meie keha. Need sünnivad termotuumareaktsioonides Päikesel ja teistel tähtedel, atmosfääris, tuumareaktorites, isegi meis endis teatud isotoopide radioaktiivse lagunemise tulemusena. Pärast Suurt Pauku sündinud reliikvianeutriinod lendavad siiani läbi Universumi. Kuid nende äärmiselt nõrk interaktsioon mateeriaga tähendab, et me ei märka neid üldse.
Kuid neutriinode uurimise aastate jooksul on füüsikud õppinud neid nutikate meetoditega registreerima. Ja Päikesel sündinud neutriinode voolu jälgides avastasid teadlased kummalise tõsiasja: Päikesest saabub neid osakesi ligikaudu kolm korda vähem, kui teooria ennustab. Siin on vaja selgitada, et jutt on täpselt ühest neutriinotüübist – elektronneutriinodest.
Selle fakti selgitamiseks püüdsid nad kaasata erinevaid hüpoteese Päikese sisestruktuuri kohta, mis on võimeline puuduvaid neutriinosid kinni püüdma, kuid need katsed ebaõnnestusid. Faktile oli jäänud vaid üks teoreetiline seletus: teel Päikeselt Maale muutuvad osakesed üht tüüpi neutriinodest teiseks. Elektronneutriinona sündinud osake kogeb oma teel võnkumisi, mis avalduvad teatud perioodilisusega müüoni või tau neutriinona. Seetõttu ei lenda Päikeselt Maale mitte ainult elektronneutriinod, vaid ka müon- ja tau-neutriinod. Neutriinode võnkumiste hüpoteesi esitas Nõukogude-Itaalia füüsik Bruno Pontecorvo juba 1957. aastal. Sellised neutriinode muundumised ühest tüübist teise eeldasid üht vajalikku tingimust – neutriino massi olemasolu. Kõik neutriinodega läbiviidud katsed näitasid, et selle osakese mass on tühiselt väike, kuid kindlat tõestust selle kohta, et see on null, ei saadud. See tähendab, et neutriinovõnkumiste võimalus tõesti säilis.
Võnkumiste avastamine
Kinnitus neutriinode võnkumiste olemasolule saadi päikese- ja atmosfäärineutriinode vaatlustega Jaapanis Superkamiokande katserajatises ja Kanadas Sudbury neutriinoobservatooriumis.
Jaapanlased ehitasid neutriinode registreerimiseks muljetavaldava konstruktsiooni – tohutu roostevabast terasest paagi (40 x 40 meetrit), mis oli täidetud 50 tuhande tonni puhta veega. Reservuaari ümbritses enam kui 11 tuhat fotokordisti toru, mis pidid jäädvustama väikseimaid Tšerenkovi kiirguse sähvatusi, mis tekivad siis, kui mingi neutriino elektronid aatomitest välja lööb. Arvestades, et neutriinod interakteeruvad ainega ülimalt nõrgalt, registreeritakse miljarditest läbi paagi lendavatest osakestest vaid vähesed. Arvestades ka seda, et teadlased peavad neid sündmusi suurest taustast välja sõeluma (läbi tohutu veehoidla lendab ju ikkagi palju täiesti erinevaid osakesi), tegid nad ära kolossaalse hulga tööd.
Jaapani detektor suutis eristada elektron- ja müüonneutriinosid nende tekitatud kiirguse olemuse järgi. Lisaks teadsid teadlased, et enamik müüonneutriinosid tekib atmosfääris õhuosakeste kokkupõrkel kosmiliste kiirtega. Tänu sellele avastasid nad järgmise mustri: mida pikemad neutriinokiirte vahemaad, seda vähem on nende seas müüonneutriinosid. See tähendas, et teel muutusid mõned müüonneutriinodest teised neutriinod.
Lõplik tõend neutriinode võnkumiste olemasolu kohta saadi 1993. aastal Sudburys tehtud katses. Sisuliselt sarnanes Kanada installatsioon Jaapani omaga - tohutu ja mitte vähem muljetavaldav maa-alune veepaak ja palju Tšerenkovi kiirgusdetektoreid. Kuid ta suutis juba eristada kõiki kolme tüüpi neutriinosid: elektron-, müon- ja tau-neutriino. Selle tulemusena leiti, et Päikeselt saabuvate neutriinode koguarv ei muutu ja on teooriaga hästi kooskõlas ning elektronneutriinode vähesuse põhjustab just nende võnkumine. Veelgi enam, statistiliste andmete kohaselt kogevad neutriinod ainest läbides võnkumisi suuremal määral kui läbi vaakumi, kuna päeval saabus detektorisse suurem hulk elektronneutriinosid kui öösel, mil Päikesel sündinud osakesed pidid ületama kogu Maa paksus.
Tänapäeva arusaamade kohaselt on neutriinode võnkumised tõendid selle kohta, et neil osakestel on mass, kuigi massi täpne väärtus pole veel teada. Füüsikud teavad ainult selle ülemist piiri – neutriino on vähemalt tuhat korda kergem kui elektron. Neutriinode täpse massi väljaselgitamine on selles suunas tegutsevate füüsikute järgmine suur ülesanne ja võimalik, et selle saavutuse eest antakse välja järgmine neutriinode Nobel.
Neutriinod – täpselt nagu laetud leptonid (elektron, müüon, tau), ülakvarke (üles, võlu, tõsi) ja alla kvarke (alla, kummaline, võlu) – on kolme tüüpi. Kuid neid saab erineval viisil jagada tüüpideks. Veelgi enam, meie maailma kvantloomuse tõttu saab neist korraga kasutada ainult ühte. Selles artiklis selgitan, miks see nii juhtub ja kuidas see asjaolu viib sellise huvitava ja teaduslikult olulise faktini nagu neutriinode võnkumine.
Võib arvata, et igal osakesel on teatud mass – näiteks elektronide massienergia on (E = mc 2) 0,000511 GeV – ja ühest võimalikust vaatepunktist ei ole kolm neutriinotüüpi erandid. Me saame klassifitseerida kolm neutriinot nende massi järgi (mis pole veel täpselt teada) ja nimetada neid kõige kergemast raskemini neutriino-1, neutriino-2 ja neutriino-3 järgi. Nimetame seda jaotust massiklassifikatsiooniks ja seda tüüpi neutriinosid massitüüpideks.
Riis. 1
Teine viis neutriinode klassifitseerimiseks on nende seos laetud leptonitega (elektron, müon ja tau). Seda mainitakse artiklis, mis räägib sellest, millised osakesed näeksid välja, kui Higgsi väli oleks null. Parim viis sellest aru saada on keskenduda sellele, kuidas neutriinodele mõjub nõrk tuumajõud, mis kajastub nende vastasmõjus W-osakesega. W-osake on väga raske ja kui te seda tekitate, võib see laguneda (joonis 1 ) üheks kolmest laetud antileptonist ja üheks kolmest neutriinost. Kui W laguneb anti-tau-ks, ilmub tau neutriino. Samamoodi, kui W laguneb antimüüniks, ilmub müüonneutriino. (Neutriinokiire loomise seisukohalt kriitilise tähtsusega pioon laguneb nõrga interaktsiooni tõttu ja positiivselt laetud pionid toodavad antimüüni ja müüonneutriino). Ja kui W laguneb positroniks, ilmub elektronneutriino. Nimetagem seda nõrgaks klassifikatsiooniks ja need neutriinod on nõrka tüüpi neutriinod, kuna need on määratud nõrga interaktsiooniga.
No mis siin probleem on? Inimestele kohaldamiseks kasutame pidevalt erinevaid klassifikatsioone. Me räägime sellest, et inimesed on noored, täiskasvanud ja vanad; nad on pikad, keskmist kasvu ja lühikesed. Aga inimesi saab soovi korral veel jagada näiteks üheksasse kategooriasse: noored ja pikad, noored ja keskmise pikkusega, täiskasvanud ja lühikesed, eakad ja lühikesed jne. Kuid kvantmehaanika keelab meil teha sama neutriinode klassifikatsiooniga. Pole olemas neutriinosid, mis oleksid nii müüonneutriinod kui ka neutriino-1; Tau neutriino-3 pole olemas. Kui ma ütlen teile neutriino massi (ja seega selle, kas see kuulub neutriinorühma 1, 2 või 3), ei saa ma lihtsalt öelda, kas see on elektron, müüon või tau neutriino. Teatud massitüüpi neutriino on kolme nõrka tüüpi neutriino segu või "superpositsioon". Iga massiline neutriino – neutriino 1, neutriino 2 ja neutriino 3 – on täpne, kuid eristatav segu elektronidest, müüonidest ja tau neutriinodest.
Tõsi on ka vastupidine. Kui ma näen, et pion laguneb antimüüniks ja neutriinoks, siis tean kohe, et saadud neutriino on müüonneutriino, kuid ma ei saa teada selle massi, kuna see on neutriino 1 ja neutriino 2 segu. ja neutriino 3 . Elektronneutriino ja tau neutriino on samuti täpsed, kuid erinevad segud kolmest teatud massiga neutriinost.
Nende massiivsete ja nõrkade tüüpide vaheline suhe on rohkem sarnane (kuid mitte täpselt samaväärne) Ameerika kiirteede "põhja-lõuna" ja "lääne-ida" klassifikatsiooni vahelise suhtega (USA valitsus jagab need nii, määrates paaritu) numbrid kiirteedele C/S ja isegi lihtsatele W/E teedele) ning jagades need teedeks, mis kulgevad „kirdest edelasse“ ja „kagust loodesse“. Mõlema klassifikatsiooni kasutamisel on eelised: N/S – W/E klassifikatsioon sobib, kui keskendute laius- ja pikkuskraadile, samas kui NE/SW – SE/NW klassifikatsioon on kasulikum ranniku lähedal, kuna see algab alates edelast loodesse. Kuid mõlemat klassifikatsiooni ei saa korraga kasutada. Kirdesuunaline tee on osaliselt põhja- ja osaliselt idasuunaline; Ei saa öelda, et ta on see või too. Ja põhjatee on segu kirdest ja loodest. Sama on neutriinodega: massitüüpi neutriinot on segu nõrka tüüpi neutriinodest ja nõrka tüüpi neutriinodest on segu massilistest. (Analoogia katkeb, kui otsustate kasutada täiustatud teede klassifikatsiooni N/S – NE/SW – E/W – SE/NW; neutriinode puhul sellist võimalust pole).
Suutmatus liigitada neutriinosid teatud massitüübiks ja teatud nõrgaks tüübiks on näide määramatuse printsiibist, mis sarnaneb kummalisusega, mis keelab üheaegselt teada osakese täpset asukohta ja täpset kiirust. Kui teate täpselt ühte neist omadustest, pole teil teisest aimugi. Või võite mõlema omaduse kohta midagi õppida, kuid mitte kõike. Kvantmehaanika ütleb teile täpselt, kuidas oma teadmisi ja teadmatust tasakaalustada. Muide, need probleemid ei kehti ainult neutriinode kohta. Neid seostatakse ka teiste osakestega, kuid need on eriti olulised neutriinode käitumise kontekstis.
Mõnikümmend aastat tagasi oli kõik lihtsam. Sel ajal arvati, et neutriinodel puudub mass, mistõttu piisas nõrga klassifikatsiooni kasutamisest. Kui vaatate tavainimestele vanu pabereid või vanu raamatuid, näete ainult selliseid nimesid nagu elektronneutriino, muuonneutriino ja tau neutriino. Pärast 1990. aastate avastusi sellest aga enam ei piisa.
Ja nüüd algab lõbus. Oletame, et teil on suure energiaga elektron-tüüpi neutriinod, see tähendab teatud segu neutriino-1, neutriino-2 ja neutriino-3-st. Neutriinod liiguvad läbi ruumi, kuid nende kolm erinevat massitüüpi liiguvad veidi erineva kiirusega, väga lähedal valguse kiirusele. Miks? Sest objekti kiirus sõltub selle energiast ja massist ning kolmel massitüübil on kolm erinevat massi. Nende kiiruste erinevus on üliväike iga neutriino puhul, mida saame mõõta – seda pole kunagi täheldatud –, kuid selle mõju on üllatavalt suur!
Neutriino kiiruste erinevus – mõned valemid
Osakese v kiiruse Einsteini relatiivsusteoorias saab kirjutada läbi osakese massi m ja energia E (see on koguenergia ehk liikumisenergia pluss massi energia E=mc 2) ning valguse kiirus c, nagu:
Kui osakesel on väga suur kiirus ja selle koguenergia E on palju suurem massienergiast mc 2, siis
Tuletage meelde, et tõstetud 1/2 tähendab "võta ruutjuur". Kui osakesel on väga suur kiirus ja selle koguenergia E on palju-palju suurem kui tema massienergia mc2, siis
Kus punktid tuletavad meelde, et see valem ei ole täpne, vaid hea lähendus suurele E-le. Teisisõnu, peaaegu valguse kiirusel liikuva osakese kiirus erineb valguse kiirusest poole võrra osakese massienergia ja koguenergia suhte ruut. Sellest valemist on selge, et kui kahel neutriinol on erinev mass m 1 ja m 2, kuid sama suur energia E, siis nende kiirused erinevad väga vähe.
Vaatame, mida see tähendab. Kõik 1987. aastal plahvatanud supernoova mõõdetud neutriinod jõudsid Maale 10-sekundilise intervalliga. Oletame, et elektronneutriino kiirgas supernoova energiaga 10 MeV. See neutriino oli neutriino 1, neutriino 2 ja neutriino 3 segu, millest igaüks liikus veidi erineva kiirusega! Kas me märkaksime seda? Me ei tea neutriinode täpset massi, kuid oletame, et neutriino-2 massienergia on 0,01 eV ja neutriino-1 massienergia 0,001 eV. Siis erinevad nende kaks kiirust, arvestades, et nende energiad on võrdsed, valguse kiirusest ja üksteisest vähem kui ühe osa sajast tuhandest triljonist:
(kõikide võrrandite viga ei ületa 1%). See kiiruse erinevus tähendab, et algse elektronneutriino Neutrino-2 ja Neutrino-1 osad jõuaksid Maale üksteisest millisekundi jooksul – erinevust, mida erinevatel tehnilistel põhjustel on võimatu tuvastada.
Ja nüüd liigume huvitavate asjade juurest tõeliselt kummaliste asjade juurde.
See väike kiiruse erinevus põhjustab neutriino-1, neutriino-2 ja neutriino-3 täpse segu, millest moodustub elektronneutriino, kosmoses liikudes järk-järgult muutuma. See tähendab, et elektronneutriino, millega me alustasime, lakkab aja jooksul olemast tema ise ja vastab ühele konkreetsele neutriino-1, neutriino-2 ja neutriino-3 segule. Kolme massitüübi neutriinode erinevad massid muudavad algse elektronneutriino liikumise käigus elektronneutriinode, muuonneutriinode ja tau-neutriinode seguks. Segu protsendid sõltuvad kiiruste erinevusest ja seega ka algse neutriino energiast, samuti neutriino masside erinevusest (täpsemalt masside ruutude erinevusest).
Riis. 2
Alguses mõju suureneb. Kuid huvitaval kombel, nagu on näidatud joonisel fig. 2, see mõju ei kasva ainult pidevalt. See kasvab, ja siis jälle väheneb, ja siis kasvab uuesti, väheneb uuesti, ikka ja jälle, kui neutriino liigub. Seda nimetatakse neutriinovõnkudeks. Kuidas need täpselt tekivad, sõltub sellest, mis massiga neutriinodel on ja kuidas massineutriino ja nõrk neutriino seal seguneb.
Võnkumiste mõju saab mõõta tänu sellele, et elektronneutriino võib tuumaga kokkupõrkel (ja nii saab neutriinot tuvastada) muutuda elektroniks, kuid mitte müüoniks või tau-ks, samas kui müoonseks. elektroon võib muutuda müüoniks, kuid mitte elektroniks ega tauks. Niisiis, kui alustasime müüonneutriinode kiirest ja pärast teatud vahemaa läbimist põrkasid mõned neutriinod tuumadega kokku ja muutusid elektronideks, tähendab see, et kiires toimuvad võnked ja müüonneutriinodest saavad elektronneutriinod.
Üks väga oluline mõju muudab selle loo keerulisemaks ja rikastab. Kuna tavaline aine koosneb elektronidest, kuid mitte müüonidest ega tau-st, interakteeruvad elektronneutriinod sellega teisiti kui müüonid või tau. Need vastasmõjud, mis tekivad nõrga jõu kaudu, on äärmiselt väikesed. Kuid kui neutriino läbib suure paksuse aine (näiteks Maa või Päikese märgatava osa), võivad need väikesed mõjud koguneda ja võnkumisi oluliselt mõjutada. Õnneks teame tuuma nõrgast interaktsioonist piisavalt, et neid mõjusid üksikasjalikult ennustada ja kogu ahelat tagurpidi arvutada, alates eksperimentaalsetest mõõtmistest kuni neutriinode omaduste selgitamiseni.
Kõik see tehakse kvantmehaanika abil. Kui see pole teie jaoks intuitiivne, lõdvestuge; See pole ka minu jaoks intuitiivne. Sain võrranditest kogu intuitsiooni, mis mul oli.
Selgub, et neutriinode võnkumiste hoolikas mõõtmine on kiireim viis neutriinode omaduste uurimiseks! See teos on juba saanud Nobeli preemia. Kogu see lugu tuleneb klassikalisest eksperimendi ja teooria vastasmõjust, mis ulatub 1960. aastatest tänapäevani. Mainin ära olulisemad tehtud mõõtmised.
Alustuseks saame uurida Päikese keskpunktis selle hästi uuritud tuumaahjus toodetud elektronneutriinosid. Need neutriinod liiguvad läbi Päikese ja läbi tühja ruumi Maale. On avastatud, et kui nad Maale saabuvad, on nad sama suure tõenäosusega müüoni või tau tüüpi kui elektronneutriino tüüpi. See iseenesest on tõend neutriinode võnkumisest ja täpne jaotus annab meile üksikasjalikku teavet neutriino kohta.
Meil on ka müüonneutriinosid, mis tekivad kosmilistes kiirtes tekkivate pioonide lagunemisel. Kosmilised kiired on kosmosest tulevad suure energiaga osakesed, mis põrkuvad atmosfääri ülemistes kihtides olevate aatomituumadega. Saadud osakeste kaskaadid sisaldavad sageli pione, millest paljud lagunevad müüonneutriinodeks ja antimuoonideks või müüoni antineutriinodeks ja müüoniteks. Me tuvastame mõned neist neutriinodest (ja antineutriinodest) oma detektorites ning saame mõõta, kui suur osa neist on elektronneutriinosid (ja antineutriinosid), olenevalt sellest, kui suure osa Maast nad enne detektori tabamist läbisid. See annab meile jällegi olulist teavet neutriinode käitumise kohta.
Need "päikese" ja "atmosfääri" neutriinod on meile viimase kahekümne aasta jooksul palju õpetanud neutriinode omaduste kohta (ja esimene vihje millegi huvitava kohta juhtus peaaegu 50 aastat tagasi). Ja nendele looduslikele energiaallikatele lisanduvad mitmesugused uuringud, mis on tehtud neutriinokiirte abil, nagu need, mida kasutati OPERA eksperimendis, aga ka tavaliste tuumareaktorite neutriinode abil. Kõik mõõtmised on suures osas kooskõlas päikese- ja atmosfäärineutriinode standardse tõlgendusega ning võimaldavad täpsemini mõõta massi- ja nõrka tüüpi neutriinode segusid ning massi-tüüpi neutriinode ruudukujuliste masside erinevusi.
Nagu arvata võis, on katsetes väikesed lahknevused teoreetiliste ootustega, kuid ükski neist pole kinnitust leidnud ja enamik, kui mitte kõik, on pelgalt statistilised juhud või probleemid katsetasandil. Siiani pole mitmete katsetega kinnitust leidnud vastuolu neutriinode ja nende käitumise mõistmisega. Teisest küljest on see kogu pilt üsna uus ja halvasti testitud, mistõttu on täiesti võimalik, kuigi ebatõenäoline, et tõlgendusi võib olla täiesti erinevaid. Tõepoolest, üsna tõsiseid alternatiive on juba pakutud. Seega on neutriinode omaduste üksikasjade selgitamine aktiivselt arenev uurimisvaldkond, milles enamasti ollakse üksmeelel, kuid mõned küsimused jäävad endiselt lahtiseks - sealhulgas neutriinode masside täielik ja pöördumatu kindlaksmääramine.