Particula neutrino: definiție, proprietăți, o descriere. oscilațiile neutrinilor - ea ...

Neutrino - o particulă elementară, care este foarte similar cu electronul, dar nu are nici o sarcină electrică. Ea are o masă foarte mică, care poate fi chiar zero. Din masa neutrino depinde de viteza. Diferența de timp de sosire și fasciculul de particule este de 0,0006% (± 0,0012%). În 2011, a fost stabilit în timpul experimentului OPERA că viteza depășește viteza de neutrini de lumină, dar independent de această experiență nu a confirmat.

Particula evaziv

Aceasta este una dintre cele mai comune particule din univers. Din moment ce interacționează foarte puțin cu materia, este incredibil de dificil de detectat. Electronii și neutrinii nu participă la forța nucleară puternică, dar în egală măsură să participe la cei slabi. Particulele care au astfel de proprietăți sunt numite leptoni. În plus față de electroni (pozitroni și antiparticula), denumit muon încărcat leptonilor (200 masa de electroni), tau (3500 masa de electroni), și antiparticula lor. Acestea se numesc: electroni, miuonic si neutrinii tau. Fiecare dintre ele are componenta antimaterial, numită antineutrino.

Muon si tau, ca un electron, au particule însoțitoare. Ea miuonic și neutrino tau. Trei tipuri de particule diferite unele de altele. De exemplu, atunci când neutrinilor muonici interacționează cu ținta, ele produc mereu muonilor si nu Tau sau electroni. In reacția particulelor, deși electroni și neutrini de electroni sunt create și distruse, suma lor rămâne neschimbată. Acest fapt duce la o leptonilor de separare în trei tipuri, dintre care fiecare posedă o leptonilor practicate și neutrino însoțitoare.

Pentru a detecta această particulă, este necesar un detectoare foarte mari și extrem de sensibile. Ca o regulă, cu consum redus de energie neutrinii se va deplasa timp de mulți ani-lumină la interacțiunea cu materia. În consecință, toate experimentele la sol cu ei se bazează pe măsurarea unei fracții mici, care interacționează cu registratorii dimensiune rezonabilă. De exemplu, într-un observator neutrino Sudbury, care conține 1000 de tone de apă grea trece prin detectorul de aproximativ 1012 de neutrini solare pe secundă. Și a găsit doar 30 pe zi.

Istoria descoperirii

Wolfgang Pauli primul postulat existența unor particule în 1930. La acea vreme, a existat o problemă, deoarece se părea că energia și momentul cinetic nu sunt stocate în dezintegrarea beta. Dar Pauli a subliniat că , dacă nu este emis neutrini care interacționează particule neutră, cu legea de conservare a energiei vor fi respectate. fizicianul italian Enrico Fermi în anul 1934 a dezvoltat teoria dezintegrarea beta, și ia dat numele particulei.

In ciuda tuturor predicțiilor de 20 de ani, neutrinii nu poate fi detectată experimental datorită sale interacțiunii slabe cu materia. Deoarece particulele sunt încărcate electric, ele nu acționează forțe electromagnetice, și, prin urmare, ele nu provoacă ionizarea substanței. In plus, ele reacționează cu substanța numai prin interacțiuni slabe ușoară forță. De aceea, ele sunt particulele subatomice cele mai penetrante capabile de a trece printr-un număr foarte mare de atomi, fără a provoca nici o reacție. Numai 1-10000000000 acestor particule care călătoresc prin tesatura cu o distanță egală cu diametrul Pământului, reacționează cu protoni sau neutroni.

În cele din urmă, în 1956 un grup de fizicieni americani, condus de Frederick Reines a raportat descoperirea antineutrino de electroni. In experimente antineutrini reactor nuclear radiat, reacția cu un proton, formând neutroni și pozitroni. Unice (și rare) semnăturile energetice ale acesteia din urmă de produse secundare a fost o dovadă a existenței particulei.

Deschiderea leptoni muonilor încărcate a fost punctul de plecare pentru identificarea ulterioară a doua neutrinilor de tip - muon. Identificarea lor a fost realizată în 1962, pe baza rezultatelor experimentului într-un accelerator de particule. neutrini muonilor descompunere mare energie formate de mezoni pi și direcționate către detector astfel încât a fost posibil să se examineze reacția lor cu substanța. În ciuda faptului că acestea sunt non-reactive, precum și alte tipuri de particule, sa constatat că, în cazurile rare în care ele reacționează cu protoni sau neutroni, muoni, muoni neutrini, dar niciodată electroni. În 1998, fizicienii americani Leon Lederman, Melvin Schwartz si Dzhek Shteynberger au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru identificarea miuonici-neutrini.

La mijlocul anilor 1970, fizica neutrino a câștigat un alt fel de leptoni incarcate - tau. Tau-neutrino si tau-antineutrini au fost asociate cu acest al treilea leptoni încărcat. In anul 2000, fizicienii de la Laboratorul National Accelerator. Enrico Fermi a raportat primele dovezi experimentale ale existenței acestui tip de particule.

greutate

Toate tipurile de neutrini au masă, care este mult mai mică decât cea a partenerilor lor încărcate. De exemplu, experimentele arată că masa de electroni neutrino trebuie să fie mai mic de 0,002% din masa de electroni și suma maselor din cele trei soiuri trebuie să fie mai mică de 0,48 eV. Gândul de mai mulți ani că masa particulei este zero, cu toate că nu a existat nici o dovadă convingătoare teoretice, de ce ar trebui să fie în acest fel. Apoi, în 2002, Observatorul Sudbury Neutrino a fost obtinut prima dovada directa ca electroni neutrinii emise de reacții nucleare în miezul soarelui, atâta timp cât acestea trec prin ea, să schimbați tipul acesteia. O astfel de „oscilații“ neutrino posibile în cazul în care una sau mai multe dintre particule au o masă mică. Studiile lor interacțiunea razelor cosmice în atmosfera Pământului indică, de asemenea, prezența în masă, dar sunt necesare experimente suplimentare pentru a defini cu mai multă precizie.

surse

Sursele naturale de neutrini - o dezintegrare radioactivă a elementelor din pământ, care este emisă la un flux mare de electroni-antineutrino-consum redus de energie. Supernovele sunt de asemenea neutrin avantajos fenomen, deoarece aceste particule pot penetra doar materialul hiperdensă format într-o stea în colaps; doar o mică parte din energie este transformată în lumină. Calculele arată că aproximativ 2% din energia solară - neutrinii energiei formate în reacțiile termonucleare de fuziune. Este probabil ca cea mai mare parte materia întunecată a universului este format din neutrinii produse în timpul Big Bang-ului.

probleme de fizică

Zonele legate de neutrinul astrofizică, și diverse și evoluează rapid. Probleme actuale care atrag un număr mare de eforturi experimentale și teoretice, următoarele:

• Care sunt diferitele mase de neutrino?
• Cum afectează cosmologie, Big Bang?
• ei oscila?
• Poate un singur tip de neutrino se transformă într-o altă măsură ce călătoresc prin materie și spațiu?
• Sunt neutrinii fundamental diferit de antiparticule lor?
• Cum stelele colaps pentru a forma o supernovă?
• Care este rolul neutrini în cosmologie?

Una dintre problemele de lunga durata de interes special, este așa-numita problema neutronilor solari. Acest nume se referă la faptul că, în cursul mai multor experimente terestre realizate în ultimii 30 de ani, a observat în mod continuu particulele mai mici decât este necesar pentru a produce energia radiată de soare. O soluție posibilă este oscilație, adică. E. Transformarea neutrino electronic la miuonici sau tau în timpul călătoriei pe Pământ. Deci, cât de mult mai dificil de măsurat miuonic-consum redus de energie sau de neutrini tau, acest tip de transformare ar explica de ce nu vedem cantitatea potrivită de particule de pe Pământ.

În al patrulea rând Premiul Nobel

Premiul Nobel pentru Fizica 2015 a fost acordat Takaaki Kaji și Arthur MacDonald pentru detectarea masei neutrini. Acesta a fost al patrulea premiu similar cu asociat cu măsurătorile experimentale ale acestor particule. Cineva ar putea fi interesat de întrebarea de ce ar trebui să ne pese atât de mult despre ceva care abia dacă interacționează cu materia obișnuită.

Faptul că putem detecta aceste particule efemere, este o dovada a ingeniozitatii umane. Deoarece regulile mecanicii cuantice, probabilistice, știm că, în ciuda faptului că aproape toate neutrini trec prin Pământ, unele dintre ele vor interacționa cu ea. Detectorul este capabil suficient este înregistrat de mari dimensiuni.

Primul astfel de dispozitiv a fost construit în anii șaizeci, adânc într-o mină din Dakota de Sud. Arborele a fost umplut în 400 mii. Fluid L curățare. In medie neutrino o particula interactioneaza zilnic cu un atom de clor, convertindu-l în argon. Incredibil, Raymond Davis, care a fost responsabil pentru detector, a inventat o metodă de detectare a mai multor atomi de argon, iar patru decenii mai târziu, în 2002, pentru acest feat inginerie uimitor el a fost distins cu Premiul Nobel.

nouă astronomie

Deoarece neutrinii interacționează așa de slab, ei pot călători pe distanțe mari. Ele ne dau o privire în locurile pe care altfel nu s-ar fi văzut. Neutrinii detectat Davis, format ca urmare a reacțiilor nucleare care au avut loc în inima soarelui, și au fost în stare să părăsească acest scaun incredibil de dens și fierbinte pur și simplu pentru că nu interacționează cu alte materii. Puteți detecta chiar neutrini emise de centrul unei stele explodate la o distanță de mai mult de o sută de mii de ani lumină de Pământ.

În plus, aceste particule fac posibilă observarea universului în scară sale foarte mici, mult mai mici decât cele în care pot privi în Large Hadron Collider de la Geneva, a descoperit bosonul Higgs. Acesta este motivul pentru care Comitetul Nobel a decis să acorde Premiul Nobel pentru descoperirea neutrinului de alt tip.

lipsa misterios

Când a observat Ray Davis neutrini solare, el a găsit doar o treime din cantitatea de așteptat. Cei mai mulți fizicieni cred că motivul pentru aceasta este slaba cunoaștere a astrofizică a Soarelui: probabil a strălucit model de subsol supraestimat cantitatea produsă în neutrino său. Cu toate acestea, timp de mai mulți ani, chiar și după modelele solare s-au îmbunătățit, deficitul a rămas. Fizicienii au acordat o atenție la o altă posibilitate: problema ar putea fi legată de percepția noastră a acestor particule. Conform teoriei, atunci predominat ei nu au avut greutatea. Dar unii fizicieni au susținut că, de fapt, particulele au o masă infinitezimal, iar această masă a fost motivul pentru lipsa lor.

particulă Trei-faced

Conform teoriei oscilațiile neutrinilor, în natură, există trei tipuri diferite de ele. În cazul în care o particulă are o masă, că așa cum se mișcă poate trece de la un tip la altul. Trei tipuri - electroni, muoni și tau - în interacțiunea cu substanța poate fi transformată în particula încărcată corespunzător (electroni și tau muoni leptoni). „Oscilația“ se datorează mecanicii cuantice. Tipul de neutrino nu este constantă. Se schimbă în timp. Neutrinii, care a început existența ca un e-mail, se poate transforma într-un muon, și apoi înapoi. Astfel, o particulă, formată în miezul soarelui, pe drumul spre Pământ poate fi convertit periodic în neutrini muonici și vice-versa. Deoarece Davis detector ar putea detecta doar de electroni-neutrini, care ar putea duce la o transmutare nucleară de clor în argon, se pare posibil ca neutrino lipsă transformat în alte tipuri. (Se pare că neutrinii oscila în interiorul Soarelui, și nu pe drumul spre Pământ).

Experimentul canadian

Singura modalitate de a testa acest lucru a fost de a crea un detector care a lucrat pentru toate cele trei tipuri de neutrini. Pornind de la '90 Arthur McDonald de la Universitatea Queen din Ontario, el a condus echipa, care se desfășoară într-o mină din Sudbury, Ontario. Instalarea conține tone de apă grea, a oferit un împrumut de Guvernul Canadei. Apa grea este rara, dar forma în mod natural de apă, în care hidrogenul conținând un proton este înlocuit cu deuteriu izotopul mai greu, care cuprinde un proton și un neutron. Guvernul canadian depozitat apa grea, m. K. Este folosit ca agent de răcire într-un reactor nuclear. Toate cele trei tipuri de neutrini ar putea distruge deuteriu, pentru a forma protoni și neutroni, neutroni și apoi numărate. Detector înregistrat aproximativ de trei ori mai mare comparativ cu numărul de Davis - exact suma pe care a prezis cel mai bine modelele Sun. Acest lucru sugerează că electroni-neutrinii pot oscila în alte tipuri sale.

experiment japonez

Aproximativ în același timp, Takaaki Kadzita de la Universitatea din Tokyo, a efectuat un alt experiment remarcabil. Un detector montat în arborele din Japonia a înregistrat neutrinii nu provin din interiorul soarelui, și din atmosfera superioară. In ciocnirile de protoni ale razelor cosmice cu atmosfera sunt formate dusuri alte particule, inclusiv neutrini miuonici. In mina acestea sunt transformate în nuclee de hidrogen din muonilor. Detector Kadzity ar putea vedea particule care vine în două direcții. Unii au căzut de sus, venind din atmosferă, în timp ce altele se deplasează de jos. Numărul de particule a fost diferită, care a vorbit despre natura lor diferite - au fost la diferite puncte din ciclul său oscilatorie.

Revoluția în știință

Este toate oscilații exotice și surprinzătoare, dar de ce neutrini și masa atrag atenția atât de mult? Motivul este simplu. În modelul standard al fizicii particulelor elementare, dezvoltat în ultimii cincizeci de ani ai secolului XX, care descrie în mod corect toate celelalte observații în acceleratoare și alte experimente, neutrinii urmau să fie lipsite de masă. Descoperirea masei neutrino indică faptul că lipsește ceva. Modelul Standard nu este completă. elemente încă să fie descoperite lipsă - cu ajutorul acceleratorului Large Hadron Collider sau alta, nu a creat încă mașină virtuală.