En nøytrino er en elementær partikkel som ligner veldig på et elektron, men som ikke har noen elektrisk ladning. Den har en veldig liten masse, som til og med kan være null. Hastigheten til nøytrinoen avhenger også av massen. Forskjellen i ankomsttiden til partikkelen og lyset er 0,0006 % (± 0,0012 %). I 2011, under OPERA-eksperimentet, ble det funnet at hastigheten til nøytrinoer overstiger lysets hastighet, men uavhengige erfaringer bekreftet ikke dette.
The Elusive Particle
Dette er en av de vanligste partiklene i universet. Siden det samhandler svært lite med materie, er det utrolig vanskelig å oppdage. Elektroner og nøytrinoer deltar ikke i sterke kjernefysiske interaksjoner, men deltar like mye i svake. Partikler med disse egenskapene kalles leptoner. I tillegg til elektronet (og dets antipartikkel, positronet), inkluderer ladede leptoner myon (200 elektronmasser), tau (3500 elektronmasser) og deres antipartikler. De kalles det: elektron-, myon- og tau-nøytrinoer. De har hver en antimaterialkomponent k alt en antinøytrino.
Muon og tau, som et elektron, har partikler med seg. Dette er myon- og tau-nøytrinoer. De tre typene partikler er forskjellige fra hverandre. For eksempel, når myonnøytrinoer samhandler med et mål, produserer de alltid myoner, aldri tau eller elektroner. I samspillet mellom partikler, selv om elektroner og elektron-nøytrinoer kan skapes og ødelegges, forblir summen deres uendret. Dette faktum fører til inndeling av leptoner i tre typer, som hver har et ladet lepton og et tilhørende nøytrino.
Veldig store og ekstremt følsomme detektorer er nødvendig for å oppdage denne partikkelen. Vanligvis vil nøytrinoer med lav energi reise mange lysår før de samhandler med materie. Følgelig er alle bakkebaserte eksperimenter med dem avhengige av å måle deres lille fraksjon i samspill med opptakere av rimelig størrelse. For eksempel, ved Sudbury Neutrino Observatory, som inneholder 1000 tonn tungtvann, passerer omtrent 1012 solnøytrinoer per sekund gjennom detektoren. Og bare 30 om dagen er funnet.
Oppdagelseshistorikk
Wolfgang Pauli postulerte først eksistensen av en partikkel i 1930. Det oppsto et problem på den tiden fordi det så ut til at energi og vinkelmomentum ikke ble bevart i beta-forfall. Men Pauli bemerket at hvis en ikke-samvirkende nøytral nøytrinopartikkel sendes ut, vil loven om bevaring av energi bli observert. Den italienske fysikeren Enrico Fermi utviklet teorien om beta-forfall i 1934 og ga partikkelen navnet.
Til tross for alle spådommene, kunne ikke nøytrinoer påvises eksperimentelt i 20 år på grunn av dens svake interaksjon med materie. Siden partiklene ikke er elektriskeladet, de påvirkes ikke av elektromagnetiske krefter, og derfor forårsaker de ikke ionisering av materie. I tillegg reagerer de med materie bare gjennom svake interaksjoner av ubetydelig styrke. Derfor er de de mest penetrerende subatomære partiklene, i stand til å passere gjennom et stort antall atomer uten å forårsake noen reaksjon. Bare 1 av 10 milliarder av disse partiklene, som beveger seg gjennom materie en avstand lik jordens diameter, reagerer med et proton eller nøytron.
Til slutt, i 1956, kunngjorde en gruppe amerikanske fysikere ledet av Frederick Reines oppdagelsen av elektron-antineutrino. I hennes eksperimenter interagerte antinøytrinoer som ble sendt ut fra en atomreaktor med protoner for å danne nøytroner og positroner. De unike (og sjeldne) energisignaturene til disse siste biproduktene gir bevis for eksistensen av partikkelen.
Funnet av ladede myonleptoner ble utgangspunktet for den påfølgende identifiseringen av den andre typen nøytrino - myon. Identifikasjonen deres ble utført i 1962 basert på resultatene av et eksperiment i en partikkelakselerator. Høyenergiske muoniske nøytrinoer ble produsert ved forfall av pi-mesoner og sendt til detektoren på en slik måte at deres reaksjoner med materie kunne studeres. Selv om de er ikke-reaktive, som andre typer av disse partiklene, har det blitt funnet at i de sjeldne tilfellene når de reagerer med protoner eller nøytroner, danner myonnøytrinoer myoner, men aldri elektroner. I 1998, amerikanske fysikere Leon Lederman, Melvin Schwartz og Jack Steinbergermottok Nobelprisen i fysikk for identifiseringen av muon-nøytrinoen.
På midten av 1970-tallet ble nøytrinofysikk fylt opp med en annen type ladede leptoner - tau. Tau-nøytrinoen og tau-antinøytrinoen viste seg å være assosiert med dette tredje ladede leptonet. I 2000, fysikere ved National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi rapporterte det første eksperimentelle beviset for eksistensen av denne typen partikler.
Messe
Alle typer nøytrinoer har en masse som er mye mindre enn massen til deres ladede motstykker. For eksempel viser eksperimenter at elektron-nøytrinomassen må være mindre enn 0,002 % av elektronmassen og at summen av massene til de tre artene må være mindre enn 0,48 eV. I mange år så det ut til at massen til en partikkel var null, selv om det ikke var noen overbevisende teoretiske bevis for hvorfor det skulle være slik. Så, i 2002, ga Sudbury Neutrino Observatory det første direkte beviset på at elektron-nøytrinoer som sendes ut av kjernefysiske reaksjoner i solens kjerne endrer type når de reiser gjennom den. Slike "oscillasjoner" av nøytrinoer er mulig hvis en eller flere typer partikler har en eller annen liten masse. Deres studier av samspillet mellom kosmiske stråler i jordens atmosfære indikerer også tilstedeværelsen av masse, men ytterligere eksperimenter er nødvendig for å bestemme den mer nøyaktig.
Kilder
Naturlige kilder til nøytrinoer er radioaktivt forfall av grunnstoffer i jordens tarmer, deren stor strøm av lavenergielektroner-antineutrinoer sendes ut. Supernovaer er også et overveiende nøytrinofenomen, siden bare disse partiklene kan trenge gjennom det supertette materialet som produseres i en kollapsende stjerne; bare en liten del av energien omdannes til lys. Beregninger viser at omtrent 2 % av solens energi er energien til nøytrinoer produsert i termonukleære fusjonsreaksjoner. Det er sannsynlig at det meste av mørk materie i universet består av nøytrinoer produsert under Big Bang.
Problems of physics
Feltene knyttet til nøytrinoer og astrofysikk er mangfoldige og i rask utvikling. De aktuelle spørsmålene som tiltrekker seg et stort antall eksperimentelle og teoretiske anstrengelser er som følger:
- Hva er massene til forskjellige nøytrinoer?
- Hvordan påvirker de Big Bang-kosmologien?
- Svinger de?
- Kan nøytrinoer av én type forvandles til en annen når de reiser gjennom materie og rom?
- Er nøytrinoer fundament alt forskjellige fra antipartiklene deres?
- Hvordan kollapser stjerner og danner supernovaer?
- Hva er rollen til nøytrinoer i kosmologi?
Et av de langvarige problemene av spesiell interesse er det såk alte solnøytrinoproblemet. Dette navnet refererer til det faktum at under flere bakkebaserte eksperimenter utført i løpet av de siste 30 årene, ble det konsekvent observert færre partikler enn nødvendig for å produsere energi som sendes ut av solen. En av dens mulige løsninger er oscillasjon, dvs. transformasjonen av elektronisknøytrinoer til myoner eller tau mens de reiser til jorden. Siden det er mye vanskeligere å måle lavenergi-myon- eller tau-nøytrinoer, kan denne typen transformasjon forklare hvorfor vi ikke observerer riktig antall partikler på jorden.
fjerde nobelpris
Nobelprisen i fysikk 2015 ble tildelt Takaaki Kajita og Arthur McDonald for deres oppdagelse av nøytrinomassen. Dette var den fjerde slike prisen knyttet til eksperimentelle målinger av disse partiklene. Noen lurer kanskje på hvorfor vi skal bry oss så mye om noe som knapt samhandler med vanlig materie.
Selve det faktum at vi kan oppdage disse flyktige partiklene er et vitnesbyrd om menneskelig oppfinnsomhet. Siden reglene for kvantemekanikk er sannsynlige, vet vi at selv om nesten alle nøytrinoer passerer gjennom jorden, vil noen av dem samhandle med den. En detektor som er stor nok til å oppdage dette.
Den første slike enheten ble bygget på sekstitallet, dypt inne i en gruve i South Dakota. Gruven ble fylt med 400 tusen liter rensevæske. I gjennomsnitt samhandler én nøytrinopartikkel hver dag med et kloratom, og gjør det til argon. Utrolig nok kom Raymond Davis, som hadde ansvaret for detektoren, på en måte å oppdage disse få argonatomene på, og fire tiår senere, i 2002, ble han tildelt Nobelprisen for denne fantastiske tekniske bragden.
Ny astronomi
Fordi nøytrinoer samhandler så svakt, kan de reise store avstander. De gir oss muligheten til å se på steder vi ellers aldri ville sett. Nøytrinoene Davis oppdaget ble produsert av kjernefysiske reaksjoner som fant sted i midten av solen, og var i stand til å unnslippe dette utrolig tette og varme stedet bare fordi de knapt samhandler med annen materie. Det er til og med mulig å oppdage en nøytrino som flyr fra sentrum av en eksploderende stjerne over hundre tusen lysår fra Jorden.
I tillegg gjør disse partiklene det mulig å observere universet i en veldig liten skala, mye mindre enn hva Large Hadron Collider i Genève, som oppdaget Higgs-bosonet, kan se inn i. Det er av denne grunn at Nobelkomiteen besluttet å tildele Nobelprisen for oppdagelsen av enda en type nøytrino.
Mystisk savnet
Da Ray Davis observerte solnøytrinoer, fant han bare en tredjedel av det forventede antallet. De fleste fysikere mente at årsaken til dette var dårlig kunnskap om solens astrofysikk: kanskje modeller av stjernens indre overvurderte antallet nøytrinoer produsert i den. Men i løpet av årene, selv om solcellemodellene ble bedre, vedvarte mangelen. Fysikere trakk oppmerksomheten til en annen mulighet: problemet kan være relatert til vår forståelse av disse partiklene. I følge den da rådende teorien hadde de ingen masse. Men noen fysikere har hevdet at partiklene faktisk hadde en uendelig litenmasse, og denne massen var årsaken til mangelen deres.
Partikkel med tre sider
I følge teorien om nøytrinoscillasjoner finnes det tre forskjellige typer nøytrinoer i naturen. Hvis en partikkel har masse, kan den endre seg fra en type til en annen når den beveger seg. Tre typer - elektron, muon og tau - når de interagerer med materie kan omdannes til den tilsvarende ladede partikkelen (elektron, muon eller taulepton). "Oscillasjon" oppstår på grunn av kvantemekanikk. Typen nøytrino er ikke konstant. Det endrer seg over tid. En nøytrino, som begynte sin eksistens som et elektron, kan bli til en myon, og deretter tilbake. Dermed kan en partikkel dannet i kjernen av solen, på vei til jorden, med jevne mellomrom bli til en myon-nøytrino og omvendt. Siden Davis-detektoren bare kunne oppdage elektronnøytrinoer som er i stand til å føre til kjernefysisk transmutasjon av klor til argon, virket det mulig at de manglende nøytrinoene hadde blitt til andre typer. (Som det viser seg, oscillerer nøytrinoer inne i solen, ikke på vei til jorden.)
kanadisk eksperiment
Den eneste måten å teste dette på var å bygge en detektor som fungerte for alle tre typer nøytrinoer. Siden 1990-tallet har Arthur McDonald fra Queen's Ontario University ledet teamet som gjorde dette i en gruve i Sudbury, Ontario. Anlegget inneholdt tonn tungtvann på lån fra den kanadiske regjeringen. Tungtvann er en sjelden, men naturlig forekommende form for vann der hydrogen, som inneholder ett proton,erstattet av dens tyngre isotop deuterium, som inneholder et proton og et nøytron. Den kanadiske regjeringen lagret tungtvann fordi det brukes som kjølevæske i atomreaktorer. Alle tre typer nøytrinoer kunne ødelegge deuterium for å danne et proton og et nøytron, og nøytronene ble deretter t alt. Detektoren registrerte omtrent tre ganger antallet partikler sammenlignet med Davis – akkurat det antallet som ble forutsagt av de beste solmodellene. Dette antydet at elektron-nøytrinoen kunne svinge inn i dens andre typer.
japansk eksperiment
Omtrent på samme tid gjorde Takaaki Kajita ved University of Tokyo nok et bemerkelsesverdig eksperiment. En detektor installert i en gruve i Japan registrerte nøytrinoer som ikke kom fra solens innvoller, men fra den øvre atmosfæren. Når kosmiske stråleprotoner kolliderer med atmosfæren, dannes det byger av andre partikler, inkludert myonnøytrinoer. I gruven gjorde de hydrogenkjerner til myoner. Kajita-detektoren kunne se partikler komme i to retninger. Noen f alt ovenfra og kom fra atmosfæren, mens andre beveget seg nedenfra. Antallet partikler var forskjellig, noe som indikerte deres forskjellige natur - de var på forskjellige punkter i svingningssyklusene.
Revolution in science
Det hele er eksotisk og fantastisk, men hvorfor tiltrekker oscillasjoner og nøytrinomasser så mye oppmerksomhet? Grunnen er enkel. I standardmodellen for partikkelfysikk utviklet i løpet av de siste femti årene av det tjuende århundre,som korrekt beskrev alle andre observasjoner i akseleratorer og andre eksperimenter, burde nøytrinoer ha vært masseløse. Oppdagelsen av nøytrinomassen tyder på at noe mangler. Standardmodellen er ikke komplett. De manglende elementene har ennå ikke blitt oppdaget, enten gjennom Large Hadron Collider eller en annen maskin som ennå ikke skal lages.
