Neutrino partikel: definition, egenskaber, en beskrivelse. neutrino svingninger - det ...

Neutrino - en elementarpartikel, der er meget lig den elektron, men det har ingen elektrisk ladning. Den har en meget lille masse, der kan endda være nul. Fra massen af neutrinoen afhænger af hastigheden. Forskellen i ankomsttid og den partikelstråle er 0,0006% (± 0,0012%). I 2011 blev det fastslået under OPERA eksperiment at hastigheden overstiger lysets hastighed neutrinoer, men uafhængig af denne erfaring har ikke bekræftet.

Den undvigende partikel

Dette er en af de mest almindelige partikler i universet. Da det interagerer meget lidt med sagen, er det utroligt svært at opdage. Elektroner og neutrinoer ikke deltager i den stærke kernekraft, men deltage på lige fod i den svage. Partikler med sådanne egenskaber, kaldes leptoner. Foruden elektron (positron og antipartikel), henvist til den ladede leptoner myon (200 elektron masse), tau (3500 elektron masse), og deres antipartikel. De kaldes: elektron, muon og tau neutrinoer. Hver af dem har antimaterial komponent, der kaldes en antineutrino.

Myon og tau, som en elektron, har ledsagende partikler. Det Muon og tau neutrinoer. Tre typer partikler er forskellige fra hinanden. For eksempel, når muon neutrinoer interagere med målet, de altid producerer myoner og aldrig tau eller elektroner. Ved omsætningen af partiklerne, skønt elektroner og elektron neutrinoer skabes og destrueres, deres sum er uændret. Denne kendsgerning medfører en adskillelse leptoner i tre typer, som hver især besidder en ladet leptoner og ledsagende neutrino.

For at detektere denne partikel kræves en meget stor og meget følsomme detektorer. Som regel med lavenergi neutrinoer vil rejse i mange lysår til samspillet med sagen. Følgelig alle jorden forsøg med dem stole på målingen af en lille fraktion der interagerer med registratorer rimelig størrelse. For eksempel i en neutrino observatorium Sudbury, indeholdende 1.000 ton tungt vand passerer gennem detektoren omkring 1012 solar neutrinoer per sekund. Og findes kun 30 per dag.

Historien om opdagelsen

Wolfgang Pauli først postulerede eksistensen af partikler i 1930. På det tidspunkt, der var et problem, fordi det syntes, at den energi og impulsmoment ikke gemmes i betahenfald. Men Pauli påpegede, at hvis der ikke udsendes neutrinoer interagerende neutral partikel, den energibesparelse loven vil blive observeret. Italiensk fysiker Enrico Fermi i 1934 udviklede teorien om betahenfald, og gav hende navnet på partiklen.

På trods af alle forudsigelser for 20 år, kan neutrinoer ikke påvises eksperimentelt på grund af sin svage vekselvirkning med stof. Fordi partiklerne er elektrisk ladede, de ikke handle elektromagnetiske kræfter, og derfor ikke forårsager ionisering af stoffet. Derudover har de reagerer med stoffet kun gennem svage vekselvirkninger svag kraft. De er derfor de mest gennemtrængende subatomare partikler kan passere gennem et stort antal atomer uden at forårsage nogen reaktion. Kun 1 til hvoraf 10 mia disse partikler kører gennem stoffet ved en afstand lig med diameteren af jorden, reagerer med protoner eller neutron.

Endelig i 1956 en gruppe amerikanske fysikere, ledet af Frederick Reines rapporteret opdagelsen af elektron antineutrino. I eksperimenter det antineutrinos udstrålede atomreaktor, omsætning med en proton, der danner neutroner og positroner. Unikke (og sjældne) energi underskrifter fra sidstnævnte biprodukter var bevis for eksistensen af partiklen.

Åbning ladede leptoner myoner blev udgangspunktet for efterfølgende identifikation af den anden type neutrinoer - muon. Deres identifikation blev udført i 1962 på grundlag af resultaterne af forsøget i en partikelaccelerator. Højenergi myoner henfald neutrinoer dannet af pi-mesoner og rettet til detektoren, således at det var muligt at undersøge deres reaktion med stoffet. På trods af at de er ikke-reaktiv, såvel som andre typer af partikler, blev det konstateret, at i de sjældne tilfælde, hvor de reagerer med protoner eller neutroner, myoner, neutrinoer myoner, men aldrig elektroner. I 1998 blev amerikanske fysikere Leon Lederman, Melvin Schwartz og Dzhek Shteynberger tildelt Nobelprisen i fysik for at identificere muon-neutrinoer.

I midten af 1970'erne, tjente den neutrino fysik anden slags ladede leptoner - tau. Tau-neutrino og tau-antineutrinos var forbundet med denne tredje ladet lepton. I 2000 fysikere på National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi rapporterede den første eksperimentelle beviser for eksistensen af denne type partikler.

vægt

Alle typer af neutrinoer har masse, hvilket er langt mindre end deres partnere ladede. For eksempel eksperimenter viser, at massen af elektron-neutrino skal være mindre end 0,002% af den elektron masse og summen af masserne af tre sorter bør være mindre end 0,48 eV. Tanken i mange år, at massen af partiklen er nul, selv om der ikke var nogen overbevisende teoretiske dokumentation, hvorfor det skulle være sådan. Derefter, i 2002 blev Observationsorganet Sudbury Neutrino opnået det første direkte bevis for, at elektron neutrinoer udsendes af kernereaktioner i kernen af solen, så længe de passerer gennem det, ændre dens type. Sådanne "svingninger" neutrino mulig, hvis en eller flere af partiklerne har en lille masse. Deres studier interaktionen af kosmiske stråler i jordens atmosfære også indikere tilstedeværelsen af masse, men er behov for yderligere eksperimenter for mere præcist at definere det.

kilder

Naturlige kilder til neutrinoer - et radioaktivt henfald af elementer inden i jorden, som udsendes ved en stor strøm af lavenergi-elektron-antineutrino. Supernovaer er også fordelagtigt neutrino fænomen, eftersom disse partikler kun kan trænge hypertætte materiale dannet i en kollapsende stjerne; kun en lille del af energien omsættes til lys. Beregninger viser, at ca. 2% af solenergi - energi neutrinoer dannet i reaktioner af termonuklear fusion. Det er sandsynligt, at de fleste af det mørke stof i universet består af neutrinoer produceret under Big Bang.

fysik problemer

Områder relateret til neutrino astrofysik, og forskelligartede og hurtigt udviklende. Aktuelle emner, der tiltrækker et stort antal af eksperimentelle og teoretiske indsats, følgende:

• Hvad er de forskellige neutrino masserne?
• Hvordan de påvirker kosmologi, Big Bang?
• de svinger?
• Kan en type neutrino bliver til en anden, som de rejser gennem stof og rum?
• Er neutrinoer fundamentalt forskellige fra deres antipartikler?
• Hvordan stars kollapse at danne en supernova?
• Hvad er den rolle neutrinoer i kosmologi?

Et af de langvarige problemer af særlig interesse er den såkaldte sol neutrino problem. Dette navn henviser til det faktum, at under flere terrestriske forsøg udført i løbet af de seneste 30 år, hele tiden observerede partikler mindre end nødvendigt for at producere den energi, der udstråles af solen. En mulig løsning er svingningerne, dvs.. E. Omdannelsen af elektron neutrinoer at muon eller tau under rejsen til Jorden. Så hvor meget mere vanskeligt at måle lavenergi-myon eller tau neutrinoer, ville denne form for transformation forklare, hvorfor vi ikke ser den rigtige mængde af partikler på Jorden.

Fjerde Nobelprisen

Nobelprisen i fysik 2015 blev tildelt Takaaki Kaji og Arthur MacDonald til påvisning af neutrinoens masse. Det var fjerde lignende tildeling forbundet med eksperimentelle målinger af disse partikler. Nogen kan være interesseret i spørgsmålet om, hvorfor skulle vi holder så meget om noget, der knap nok interagerer med almindeligt stof.

Det faktum, at vi kan detektere disse flygtige partikler, er et bevis på menneskelig opfindsomhed. Da reglerne for kvantemekanik, probabilistiske, ved vi, at på trods af, at næsten alle neutrinoer passerer gennem jorden, vil nogle af dem interagere med det. Detektoren er i stand til tilstrækkelig stor størrelse er registreret.

Den første enhed blev bygget i tresserne, dybt inde i en mine i South Dakota. Akslen blev fyldt i 400 tusind. L rensevæske. Gennemsnitligt en partikel neutrino dagligt interagerer med et atom af chlor, omdanner det til argon. Utroligt, Raymond Davis, der var ansvarlig for detektoren, opfundet en metode til påvisning af flere argon atomer, og fire årtier senere, i 2002, for denne fantastiske engineering feat han blev tildelt Nobelprisen.

ny astronomi

Fordi neutrinoer vekselvirker så svagt, kan de rejse store afstande. De giver os et indblik i de steder, der ellers ville vi aldrig har set. Neutrinoer opdaget Davis, dannet som et resultat af kernereaktioner, der fandt sted i hjertet af solen, og var i stand til at forlade denne utroligt tætte og varme stol, bare fordi de ikke interagerer med andre spørgsmål. Du kan endda opdage neutrinoer udsendes fra midten af en eksploderet stjerne i en afstand af mere end hundrede tusinde lysår fra Jorden.

Desuden er disse partikler gør det muligt at observere universet i sin meget lille skala, meget mindre end dem, hvor kan se ind i Large Hadron Collider i Geneve, opdagede Higgs-partikel. Det er grunden til, at Nobelkomiteen besluttet at tildele Nobelprisen for opdagelsen af neutrinoens af en anden type.

mystisk mangel

Da Ray Davis observerede sol neutrinoer, fandt han kun en tredjedel af den forventede mængde. De fleste fysikere mener, at grunden til dette er den ringe kendskab astrofysik af Solen: måske skinnede undergrunden model overvurderet mængden der produceres på dens neutrino. Ikke desto mindre, i mange år, selv efter sol modeller har forbedret, underskuddet tilbage. Fysikere har været opmærksom på en anden mulighed: problemet kunne være relateret til vores opfattelse af disse partikler. Ifølge teorien, så sejrede de ikke havde vægten. Men nogle fysikere har hævdet, at i virkeligheden partiklerne har en uendelig lille masse, og denne masse var årsagen til deres manglende.

Tre-Faced partikel

Ifølge teorien om neutrino svingninger, i naturen, er der tre forskellige typer af dem. Hvis en partikel har en masse, der som den bevæger den kan passere fra en type til en anden. Tre typer - elektroner, muoner og tau - i samspillet med stoffet kan omdannes til den tilsvarende ladet partikel (elektron og muon tau leptoner). "Oscillation" skyldes kvantemekanikken. neutrino type er ikke konstant. Det ændrer sig over tid. Neutrinoer, som begyndte sin eksistens som en e-mail, kan blive til en myon, og derefter tilbage. Således kan en partikel, der er dannet i kernen af solen, på vej til jorden periodisk omdannes til muon neutrinoer og omvendt. Da Davis detektor kunne detektere kun elektron-neutrinoer, hvilket kunne føre til en transmutation af chlor i argon, syntes det muligt, at de manglende neutrino forvandlet til andre typer. (Det viser sig, at neutrinoer svinger inde i Solen, og ikke på vej til Jorden).

Den canadiske eksperiment

Den eneste måde at teste dette var at skabe en detektor, der arbejdede for alle tre typer af neutrinoer. Startende fra 90'erne Arthur McDonald af Dronningens University i Ontario, han førte holdet, der udføres i en mine i Sudbury, Ontario. Installationen indeholder tonsvis af tungt vand, forudsat et lån fra den canadiske regering. Tungt vand er sjældne, men den naturligt forekommende form af vand, hvor hydrogen indeholder ét proton erstattes med dets tungere isotop deuterium, som omfatter en proton og en neutron. Canadiske regering oplagret tungt vand, m. K. Det anvendes som et kølemiddel i en atomreaktor. Alle tre typer af neutrinoer kunne ødelægge deuterium at danne protoner og neutroner, neutroner og derefter tælles. Detektor registreret omkring tre gange så mange i forhold til Davis - præcis det beløb, der bedst forudsagde Sun-modeller. Dette antyder, at elektron-neutrinoer kan svinge i sine andre typer.

japanske eksperiment

Omkring samme tid, Takaaki Kadzita fra University of Tokyo gennemført en anden bemærkelsesværdig eksperiment. En detektor monteret i skakten i Japan indspillede neutrinoer kommer ikke fra det indre af solen, og fra den øvre atmosfære. I proton kollisioner af kosmiske stråler med atmosfæren dannes byger af andre partikler, herunder muon neutrinoer. I minen de konverteres til brintkerner i myoner. Detektor Kadzity kunne se partikler kommer i to retninger. Nogle faldt fra oven, der kommer fra atmosfæren, mens andre bevæger sig fra bunden. Antallet af partikler var anderledes, der talte om deres forskellige karakter - de var på forskellige tidspunkter i sin oscillerende cyklus.

Revolution i Science

Det er alle eksotiske og overraskende, men hvorfor neutrinoen svingninger og massen tiltrække så meget opmærksomhed? Grunden er simpel. I standardmodellen af elementær partikelfysik, udviklet over de sidste halvtreds år af det tyvende århundrede, som korrekt beskriver alle de andre observationer i acceleratorer og andre eksperimenter, neutrinoerne skulle være masseløse. Opdagelsen af neutrino massen angiver, at der mangler noget. Standardmodellen er ikke komplet. Manglende elementer endnu at blive opdaget - med hjælp fra Large Hadron Collider eller det andet, endnu ikke har skabt virtuelle maskine.