Neutrino butil: kahulugan, katangian, isang paglalarawan. neutrino oscillations - ito ...

Neutrino - isang elementaryong partikulo na halos kapareho sa mga elektron, ngunit wala itong electric charge. Ito ay may isang napakaliit na masa, na maaaring kahit na maging zero. Mula sa masa ng neutrino ay depende sa bilis. Ang pagkakaiba sa oras ng pagdating at ang mga particle beam ay 0,0006% (± 0,0012%). Noong 2011, ito ay itinatag sa panahon ng OPERA eksperimento na ang bilis ay lumampas sa bilis ng liwanag neutrinos, ngunit independiyenteng ng karanasan na ito ay hindi nakumpirma.

Ang mailap tipik

Ito ay isa sa mga pinaka-karaniwang mga particle sa uniberso. Dahil ito ay nakikipag-ugnayan napakakaunting sa bagay, ito ay hindi kapani-paniwalang mahirap na matagpuan. Electron at neutrinos huwag sumali sa mga malakas na puwersang nuklear, ngunit pantay lumahok sa mga mahina. Particle pagkakaroon ng naturang mga katangian ay tinatawag na mga lepton. Bilang karagdagan sa electron (positron at antipartikulo), tinutukoy ang nasingil na lepton muon (200 electron mass), tau (3500 electron mass), at ang kanilang mga antipartikulo. Ang mga ito ay tinatawag na: electron, muon at tau neutrino. Ang bawat isa sa kanila ay may antimaterial bahagi, na tinatawag na isang antineutrino.

Muon at tau, tulad ng isang elektron, mayroon kasamang particle. Ito muon at tau neutrino. Tatlong uri ng mga particle naiiba mula sa bawat isa. Halimbawa, kapag muon neutrino makipag-ugnayan sa target, lagi silang makabuo ng muon at hindi tau o mga electron. Sa reaksyon ng mga particle, kahit na mga electron at elektron neutrino ay nilikha at nawasak, ang kanilang sum ay nananatiling hindi nabago. katunayan na ito ay humahantong sa isang paghihiwalay lepton sa tatlong mga uri, ang bawat isa nagtataglay ng isang sisingilin lepton at kasamang neutrino.

Upang tuklasin ang mga particle na ito ay nangangailangan ng isang napakalaking at lubos na sensitive detector. Bilang isang panuntunan, na may mababang enerhiya neutrinos ay paglalakbay para sa maraming mga light years sa pakikipag-ugnayan sa bagay na ito. Bilang resulta, ang lahat ng lupa eksperimento na may mga ito ay umaasa sa ang sukatan ng isang maliit na bahagi na nakikipag-ugnayan sa mga registrar makatwirang laki. Halimbawa, sa isang neutrino observatory Sudbury, na naglalaman ng 1,000 tonelada ng mabibigat na tubig ay ipinapasa sa pamamagitan ng mga detector tungkol sa 1012 solar neutrino bawat segundo. At natagpuan lamang 30 sa bawat araw.

Kasaysayan ng pagtuklas

Wolfgang Pauli unang postulated ang pagkakaroon ng mga particle sa 1930. Sa oras na iyon, nagkaroon ng isang problema, dahil ito ay tila na ang enerhiya at angular momentum ay hindi naka-imbak sa beta pagkabulok. Ngunit Pauli tulis out na kung mayroong ay hindi ipinapalabas neutrino nakikipag-ugnayan neutral tinga, ang mga batas sa pagtitipid ng enerhiya ay na-obserbahan. Italyano pisisista Enrico Fermi noong 1934 binuo ang teorya ng beta pagkabulok, at ibinigay sa kanya ang pangalan ng maliit na butil.

Sa kabila ng lahat ng mga hula para sa 20 taon, neutrinos ay hindi maaaring napansin pagtuklas dahil sa kanyang mahinang pakikipag-ugnayan na may bagay na ito. Dahil ang mga particle ay electrically sisingilin, hindi sila kumilos electromagnetic pwersa, at, samakatuwid, hindi sila maging sanhi ng ionization ng mga sangkap. Bukod pa rito, gumanti sila sa mga sangkap lamang sa pamamagitan ng interaksiyong mahina bahagyang force. Samakatuwid, ang mga ito ay ang pinaka-matalas subatomic particle na may kakayahang pagpasa sa pamamagitan ng isang malaking bilang ng mga atoms na walang nagiging sanhi ng anumang reaksyon. Tanging 1 sa 10 bilyon ng mga particle naglalakbay sa pamamagitan ng tela sa pamamagitan ng isang distance katumbas ng lapad ng Earth, reacts sa mga proton o neutron.

Sa wakas, noong 1956 isang grupo ng American physicists, na pinangunahan ng Frederick Reines iniulat ang pagtuklas ng mga elektron antineutrino. Sa mga eksperimento ito antineutrinos radiated nuclear reactor, reacting sa isang proton, na bumubuo ng neutrons at positrons. Mga natatanging (at bihirang) enerhiya lagda ng sa huli by-produkto ay patunay ng pagkakaroon ng maliit na butil.

Pagbukas sisingilin lepton muon ay ang panimulang punto para sa kasunod na pagkakakilanlan ng ikalawang uri neutrino - muon. Ang kanilang pagkakakilanlan ay natupad sa 1962 sa batayan ng ang mga resulta ng eksperimento sa isang tinga accelerator. Mataas na enerhiya muon pagkabulok neutrino nabuo sa pamamagitan ng pi-meson at direct sa detector upang ito ay posible upang suriin ang kanilang mga reaksyon sa substansiya. Sa kabila ng ang katunayan na ang mga ito ay di-reaktibo, pati na rin ang iba pang mga uri ng mga particle, ito ay natagpuan na sa mga bihirang kaso kapag sila umepekto sa protons o neutrons, muons, neutrinos muons, ngunit hindi kailanman ang electron. Noong 1998, American physicists Leon Lederman, Melvin Schwartz at Dzhek Shteynberger ay iginawad ang Nobel Prize sa physics para sa pagkilala ng muon-neutrinos.

Sa kalagitnaan ng 1970s, ang mga neutrino pisika ay nagkamit ng isa pang uri ng sisingilin lepton - tau. Tau-neutrino at tau-antineutrinos nauugnay sa third sisingilin lepton. Sa 2000, physicists sa National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi iniulat ang unang pang-eksperimentong katibayan ng pag-iral ng ganitong uri ng particle.

timbang

Lahat ng uri ng mga neutrino ay may masa, na kung saan ay higit na mas mababa kaysa sa kanilang mga kasosyo sisingilin. Halimbawa, mga eksperimento ipakita na ang mga masa ng elektron-neutrino ay dapat na mas mababa sa 0.002% ng mga electron mass at ang kabuuan ng masa ng tatlong varieties dapat mas mababa sa 0.48 EV. Ang pag-iisip para sa maraming mga taon na ang mass ng maliit na butil ay zero, kahit na walang nag-uudyok na panteorya katibayan, kung bakit dapat itong maging na paraan. Pagkatapos, noong 2002, ang Sudbury neutrino Observatory ay natamo ang unang direktang ebidensiya na elektron neutrino na ibinubuga ng nuclear reaksyon sa core ng araw, hangga't sila pumasa sa pamamagitan ng ito, baguhin ang uri nito. Ang nasabing "oscillations" neutrino posible kung ang isa o higit pa sa mga particle magkaroon ng isang maliit na mass. Ang kanilang mga pag-aaral ng pakikipag-ugnayan ng cosmic rays sa atmospera ng Daigdig ring nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mass, ngunit sa karagdagang mga eksperimento ay kinakailangan upang mas wastong tukuyin ito.

pinagmumulan

Natural na pinagkukunan ng mga neutrino - isang radioactive pagkabulok ng mga elemento sa loob ng lupa, na kung saan ay napalabas sa isang malaking daloy ng mga mababang-enerhiya ng elektron-antineutrino. Supernovae ding advantageously neutrino hindi pangkaraniwang bagay, dahil ang mga particle ay maaari lamang tumagos hyperdense materyal nabuo sa isang collapsing star; lamang ng isang maliit na bahagi ng enerhiya ay convert sa liwanag. Kalkulasyon ipakita na ang tungkol sa 2% ng solar enerhiya - ang enerhiya neutrinos nabuo sa reaksyon ng thermonuclear fusion. Ito ay malamang na ang karamihan sa mga dark matter ng uniberso ay binubuo ng mga neutrino na ginawa sa panahon ng Big Bang.

problema physics

Mga lugar na may kaugnayan sa neutrino Astrophysics, at magkakaibang at mabilis na umuusbong. Kasalukuyang mga isyu na maakit ang isang malaking bilang ng mga pang-eksperimentong at panteorya mga pagsisikap, ang mga sumusunod:

• Ano ang iba't ibang neutrino masa?
• Paano nila makakaapekto sa kosmolohiya, ang Big Bang?
• sila ay mag-atubili?
• Maaari isang uri ng neutrino ay lumiliko sa isa pang paglalakbay nila sa pamamagitan bagay at espasyo?
• Sigurado neutrino sa panimula naiiba mula sa kanilang mga antipartikulo?
• Paano ang mga bituin tiklupin upang bumuo ng isang supernova?
• Ano ang papel na ginagampanan ng mga neutrino sa cosmology?

Isa sa mga longstanding problema ng mga partikular na interes ay ang tinatawag na solar neutrino problema. Ang pangalan na ito ay tumutukoy sa ang katunayan na sa panahon ang ilang mga pang-lupang mga eksperimento na isinasagawa sa loob ng nakaraang 30 taon, patuloy na obserbahan ang mga particle na mas maliit kaysa sa kinakailangan upang makabuo ng enerhiya radiated sa pamamagitan ng araw. Ang isang posibleng solusyon ay ang imbayog, ie. E. Ang pagbabago ng elektron neutrino na muon o tau sa panahon ng paglalakbay sa Earth. Kaya kung magkano ang mas mahirap na masukat mababang-enerhiya muon o tau neutrino, ito uri ng pagbabago ang magpapaliwanag kung bakit hindi namin makita ang tamang halaga ng mga particle sa Earth.

Ika-apat Nobel Prize

Nobel Prize sa Physics 2015 ay iginawad sa Takaaki Kaji at Arthur MacDonald para sa detection ng neutrino masa. Ito ay ang ika-apat na mga katulad na award na nauugnay sa pang-eksperimentong mga sukat ng mga particle. May isang taong maaaring maging interesado sa ang tanong ng kung bakit dapat namin pakialam kaya magkano ang tungkol sa isang bagay na halos hindi nakikipag-ugnayan sa mga ordinaryong bagay.

Ang katotohanan na maaari naming makita ang mga ephemeral particle, ay isang testamento sa pantao talino sa paglikha. Dahil ang mga patakaran ng kabuuan mekanika, probabilistic, alam namin na, sa kabila ng ang katunayan na ang halos lahat ng mga neutrino dadaan sa Earth, ang ilan sa kanila ay nakikipag-ugnayan sa mga ito. detector ay may kakayahang sapat na malaki na sukat ay nakarehistro.

Ang unang tulad ng aparato ay itinayo sa ikaanimnapung taon, malalim sa isang minahan sa South Dakota. katawan ng poste ay napuno sa 400 libo. L paglilinis tuluy-tuloy. Sa average ang isang katiting na neutrino araw-araw na nakikipag-ugnayan sa isang atom ng murang luntian, pag-convert ito sa argon. Incredibly, Raymond Davis, na naging responsable para sa mga detektor, imbento ng isang paraan para sa detection ng maramihang mga atom argon, at apat na dekada mamaya, sa 2002, para sa mga kamangha-manghang engineering feat siya ay iginawad sa Nobel Prize.

bagong astronomy

Dahil neutrino interact kaya mahina, maaari silang maglakbay mahusay na mga distansya. Nagbibigay ang mga ito sa amin ng isang sulyap sa mga lugar na kung hindi man ay hindi kailanman namin ay may nakita. Neutrino nakita Davis, nabuo bilang isang resulta ng nuclear reaksyon na naganap sa gitna ng araw, at ay able sa iwanan ang hindi kapani-paniwalang siksik at hot seat dahil lang sa hindi nila makipag-ugnayan sa iba pang mga bagay na ito. Maaari mo ring tuklasin ang mga neutrino ibinubuga mula sa sentro ng isang sumabog na bituin sa layo ng higit sa isang daang libong light years mula sa Daigdig.

Sa karagdagan, ang mga particle gawing posible upang obserbahan ang daigdig sa kanyang napakaliit na sukat, mas maliit kaysa sa mga kung saan ay maaaring tumingin sa ang Large Hadron Collider sa Geneva, natuklasan ang Higgs boson. Ito ay para sa kadahilanang ito na ang Nobel Committee nagpasya na award ng Nobel Prize para sa pagtuklas ng neutrino ng isa pang uri.

mahiwagang kakulangan

Kapag sinusunod Ray Davis solar neutrino, natagpuan niya lamang ng isang ikatlo ng ang inaasahang dami. Karamihan sa mga physicists naniniwala na ang dahilan para sa ito ay ang mahihirap na kaalaman ng astropisika ng Araw: marahil ay nagliwanag sa ilalim ng lupa modelong overestimated ang halaga na ginawa sa kanyang neutrino. Gayunpaman, para sa maraming mga taon, kahit na matapos ang solar modelo ay may pinabuting, ang deficit ay nanatili. Physicists nagbayad pansin sa isa pang posibilidad: ang problema ay maaaring may kaugnayan sa aming pang-unawa ng mga particle. Ayon sa teorya, pagkatapos ay hindi sila nanganalo nila mayroon ang timbang. Ngunit ang ilang mga physicists ay may argued na sa katunayan ang mga particle ay may isang katiting na katiting mass, at ito mass ay ang dahilan para sa kanilang mga kakulangan.

Three-Faced na butil

Ayon sa teorya ng neutrino oscillations, sa kalikasan, mayroong tatlong iba't ibang mga uri ng mga ito. Kung ang isang maliit na butil ay may isang masa, na habang gumagalaw ito maaari itong pumasa mula sa isang uri sa isa pa. Tatlong uri - mga electron, muon at tau - sa pakikipag-ugnayan sa mga sangkap ay maaaring ma-convert sa ang katumbas na sisingilin particle (elektron at muon tau lepton). "Oscillation" ay dahil sa quantum mechanics. neutrino type ay hindi pare-pareho. Ito ay nagbabago sa paglipas ng panahon. Mga neutrino, na nagsimula nito pag-iral bilang isang e-mail, maaari maging isang muon, at pagkatapos ay bumalik. Samakatuwid, ang isang maliit na butil, nabuo sa core ng araw, sa paraan na ang Earth ay maaaring pana-panahon-convert sa muon neutrino at vice versa. Dahil Davis detector ay maaaring tuklasin lamang elektron-neutrino, na maaaring humantong sa isang nuclear pagpapabagu-bago ng murang luntian sa argon, tila posible na ang nawawala neutrino naging mga iba pang mga uri. (Ito ay lumiliko out na neutrinos umugoy sa loob ng Sun, at hindi sa paraan sa Earth).

Ang Canadian eksperimento

Ang tanging paraan upang subukan ito ay upang lumikha ng isang detector na nagtrabaho para sa lahat ng tatlong mga uri ng mga neutrino. Simula mula sa 90s Arthur McDonald ng Reyna University sa Ontario, pinangunahan niya ang koponan, na kung saan ay isinasagawa sa isang minahan sa Sudbury, Ontario. Pag-install ay naglalaman ng tons ng mabigat na tubig, na ibinigay ng isang loan ng Gobyerno ng Canada. Malakas na tubig ay bihirang, ngunit ang natural na nagaganap anyo ng tubig, kung saan ang hydrogen na naglalaman ng isang proton ay napalitan ng kanyang mas mabibigat na isotope deuterium, na binubuo ng isang proton at neutron. Canadian government itinambak mabigat na tubig, m. K. Ito ay ginagamit bilang isang coolant sa isang nuclear reactor. Ang lahat ng tatlong mga uri ng mga neutrino ay maaaring sirain ang deuterium upang bumuo ng proton at neutron, ang neutrons at pagkatapos ay binibilang. Detector nakarehistro tungkol sa tatlong beses ang bilang kumpara sa Davis - eksaktong halaga na pinakamahusay na hinulaang ang mga modelo Araw. Ito ay nagmumungkahi na ang mga elektron-neutrino ay maaaring mag-atubili sa kanyang iba pang mga uri.

Hapon eksperimento

Around sa parehong panahon, Takaaki Kadzita mula sa University of Tokyo na isinasagawa ng isa pang kapansin-pansin na eksperimento. Ang isang detector naka-mount sa katawan ng poste sa Japan naitala neutrinos pagdating hindi mula sa interior ng araw, at mula sa itaas na kapaligiran. Sa proton banggaan ng cosmic rays na may ang kapaligiran ay binuo showers ng iba pang mga particle, kabilang ang muon neutrino. Sa minahan ng mga ito ay nai-convert sa hydrogen nuclei sa muon. Detector Kadzity maaaring makita particle na nagmumula sa dalawang direksyon. Ang ilan ay nahulog mula sa itaas, na nagmumula sa kapaligiran, habang ang iba ay gumagalaw mula sa ibaba. Ang bilang ng mga particle ay naiiba, na nagsalita tungkol sa kanilang iba't ibang mga likas na katangian - sila ay sa iba't ibang mga punto sa kanyang oscillatory cycle.

Rebolusyon sa Agham

Ang lahat ng ito exotic at nakakagulat, ngunit bakit neutrino oscillations at ang mass maakit kaya marami ng pansin? Ang dahilan dito ay simple. Sa karaniwang modelo ng elementarya particle physics, na binuo sa nakaraang limampung taon ng ikadalawampu siglo, na kung saan tama naglalarawan ng lahat ng iba pang mga obserbasyon sa accelerators at iba pang mga eksperimento, ang mga neutrino ay upang maging walang masang. Ang pagkatuklas ng neutrino masa ay nagpapahiwatig na ang isang bagay ay nawawala. Ang Pamantayang Modelo ay hindi kumpleto. Nawawalang elemento pa na natuklasan - sa tulong ng Large Hadron Collider o ang iba pang, hindi pa lumilikha ng virtual machine.