Dramatis personae
Oscilarea neutrinilor este motivul pentru care. Un neutrino de un anumit tip, de exemplu electronic, nu are o masă fixă. Este o suprapunere a stărilor neutrinilor cu mase definite și diferite: ν1. v2. v3. Neutrinul muon este, de asemenea, o suprapunere cuantică a aceluiași v1. v2. și ν3. dar numai aceasta este o altă suprapunere. Născuți în reacții cu particule elementare, neutrinii de un anumit tip pot. și un neutrino de o anumită masă se poate propaga în spațiu. Când se naște un neutrino pur electronic, cele trei componente ale sale de masă sunt foarte clar sincronizate între ele. Dar, pe măsură ce avansăm acest echilibru devine off, iar neutrinul electronic curat dobândește o anumită cantitate de „myuonnosti“. Toate acestea - un efect cuantic pur în toată splendoarea sa, demonstrarea mecanicii cuantice pe scara km.
Fig. 1. Ilustrație a transformării pe teren a unui neutrino de o varietate muonică într-un neutrino electronic și apoi înapoi la unul muonic. Imagine de la physicsworld.com
Al doilea grup de actori este Soarele, Pamantul si atmosfera sa, adica locurile unde se nasc neutrinii. Există un flux uriaș de neutrini care zboară din centrul Soarelui, din regiunea cursurilor de reacții ale fuziunii termonucleare. Există, de asemenea, un flux mare de neutrini produsi în atmosferă atunci când Pământul este bombardat cu raze cosmice. Ambele fluxuri sunt bine măsurate în detectoarele de neutrino, și ambele, la sfârșitul secolului XX, au fost puternic dezacordate cu predicțiile teoretice. Aceste două anomalii neutrinice, solare și atmosferice, au devenit apoi o sursă de dureri de cap constante pentru fizicieni.
Și, în sfârșit, principalii actori - colaborari, Super-Kamiokande în Japonia și SNO (Sudbury Neutrino Observatory) în Canada, două echipe de fizicieni experimentale în primul rând, care s-au dovedit fără echivoc realitatea oscilațiile neutrinilor și mișcare elegant permis puzzle două neutrino. Subliniem faptul că liderii de atribuire și inspiratori acestor grupuri, Takaaki Kaji (Takaaki Kajita) și Arthur Macdonald (Arthur B. McDonald), - un tribut adus tradiției Nobel; Meritul real științific, marcat de acest premiu, aparține în totalitate colaborărilor.
Acțiune Arena
Primul act: problema cu neutrinii atmosferici
Pământul este bombardat în mod constant de un flux de raze cosmice de diferite energii, mai ales de protoni (figura 2). Confruntate cu nucleele moleculelor ridicate în atmosferă, ele generează fluxuri de particule secundare, inclusiv pi-mezone. Dacă p-mezonul nu se blochează într-un alt nucleu de-a lungul drumului, el, la rândul său, se rupe într-un muon și un antineutrino muon. Mai mult, muonul se descompune într-un electron, un neutrino muon și un antineutrino de electroni. Ca urmare a acestui lanț de decăderi, neutrina ajunge la Pământ în raportul νμ: νe = 2: 1. (Pentru a fi mai precis: fluxul neutrinilor atmosferici implică un flux total de neutrini și antineutrinos.)
Aceasta este o situație puțin idealizată; presupune că muonii se pot deforma înainte de a se ciocni cu Pământul. Acest lucru este valabil și pentru muonii cu o energie suficient de mică, sub 1 GeV. Pentru muoni de energie mai mare, decăderea este atât de lentă încât reușesc să ajungă la Pământ și să interacționeze acolo. Apoi nu vor produce o pereche de neutrino, ceea ce înseamnă că rata νμ: νe va crește, în medie, chiar mai mult. Cu toate acestea, din anii 1980, experimentele au arătat o proporție mult mai mică decât râvna râvnă - și acesta a fost misterul.
În 1983, în Japonia, a fost lansat un experiment Kamiokande, al cărui scop inițial era de a căuta decăderea unui proton. Detectorul este o cisternă subterană amplasată într-o mină veche din interiorul muntelui și umplută cu apă ultrapură. Pereții interiori ai detectorului sunt complet acoperite cu fotomultiplicatori sensibili, care detectează un blitz de lumină de la un eveniment din interiorul substanței de lucru. electroni de energie sau de neutrinice miuonic specii Suficiente ciocnirea cu nucleul atomic, este convertit într-un electron sau muon care zboara înainte cu mare viteză și emite lumină datorită efectului Cerenkov. Datorită acestui fapt, detectorul nu detectează numai neutrini, dar, de asemenea, determină gradul de energie și de direcția de sosire - și acest lucru îl diferențiază de o simplă acumulare de experimente care pur și simplu a numărat neutrinii. Cu toate acestea, această metodă de înregistrare este declanșată numai la energii de mai sus cu privire la sute de MeV, dar pentru neutrini atmosferice ajunge la astfel de energii - nu este o problemă.
De asemenea, trebuie spus că, din moment ce Pământul este transparent pentru neutrini, ei pot zbura de oriunde, inclusiv din partea opusă a Pământului, și nu doar din atmosfera direct deasupra detectorului. Pentru a măsura direcția de sosire a neutrinilor, puteți afla unde sa născut. Prin urmare, cercetătorii pot construi distribuții nu numai din punctul de vedere al energiei, ci și din punctul de vedere al unghiului de sosire a neutrinilor.
Fig. 4. Un diapozitiv din prezentarea Takaaka Kajita cu o indicație clară că neutrinii oscilează. Imagine de la symmetrymagazine.org
Pentru neutrinii electronici, nu a fost observată o astfel de regularitate (Figura 5). Dacă nu ar exista oscilații, fluxurile de jos și de sus ar fi aproximativ egale. "Dispariția" neutrinilor mion îndepărtați înseamnă că, pe parcursul lor de mii de kilometri spre detector, o mare parte din ei s-au transformat în alte neutrinuri. Mai mult decât atât, este chiar clar ce: acestea nu sunt neutrinii electronici, deoarece fluxul lor nu sa schimbat prea mult; atunci e un neutrino tau, pe care detectorul nu la urmărit.
Fig. 5. Fluxurile neutrinilor electronici și muonici ai energiilor joase și înalte, provenind din direcții diferite. Unghiul θ este măsurat din zenit; valoarea cos θ = 1 corespunde unui neutrino care se deplasează de sus în jos, cos θ = -1 - merge de jos în sus, cos θ = 0 - merge orizontal. Barele albastre arată fluxul așteptat, presupunând că neutrinii nu oscilează, histograma roșie este un flux cu toleranță la oscilații. Graficul din articolul oscilații Neutrino, pregătit la ordinul Comitetului Nobel de către departamentul fizic al Academiei de Științe din Suedia
Trebuie adăugat că toate aceste dovezi inițiale în favoarea oscilațiilor neutrinice au fost obținute în "experimentele de dispariție". Aceste experimente sunt de tip atunci când măsuram fluxul, vedem că acesta este mai slab decât se aștepta și ghici că neutrinii căutați s-au transformat într-un alt fel. Pentru o mai mare persuasivitate, trebuie să vedeți același proces direct, prin "experimentul privind apariția" neutrinilor. Astfel de experimente se desfășoară și în prezent, iar rezultatele lor sunt în concordanță cu experimentele privind dispariția. De exemplu, CERN are o linie specială de accelerare care "împușcă" un fascicul puternic de neutroni muon către laboratorul italian Gran Sasso, situat la 732 km de acesta. Instalat în Italia, detectorul OPERA caută acest flux tau neutrino. Timp de cinci ani, OPERA a prins deja cinci neutrinos tau, astfel încât în cele din urmă dovedește realitatea oscilațiilor descoperite anterior.
Al doilea act: o anomalie solară
Cel de-al doilea mister al fizicii neutrinilor, care necesita rezolvare, a vizat neutrinii solari. Neutrinii se nasc în centrul Soarelui în timpul fuziunii termonucleare, însoțesc aceste reacții, datorită cărora Soarele strălucește. Datorită astrofizicii moderne, suntem conștienți de ceea ce ar trebui să se întâmple în centrul Soarelui și, prin urmare, putem calcula rata de producție a neutrinilor și a fluxului lor, care cade pe Pământ. După măsurarea acestui flux în experiment (figura 6), putem astfel să privim pentru prima dată direct în centrul Soarelui și să verificăm cât de bine înțelegem structura și locul de muncă.
Fig. 6. Fluxul neutrinilor solari, exprimat în unități neutrin solari, conform rezultatelor experimentului Homestake. Linia roșie punctată arată previziunile modelului standard solar. Imagine de la lappweb.in2p3.fr
Încrederea că detectorul funcționează corespunzător, a fost atât de mare, încât mulți fizicieni sunt înclinați să creadă că predicțiile teoretice astrofizice undeva eșuează - este prea complicat procese merge în centrul soarelui. Cu toate acestea, astrofizicii au rafinat modelul și au insistat asupra fiabilității predicțiilor. Astfel, problema nu a dispărut și a necesitat o explicație.
Desigur, chiar și aici, teoreticienii s-au gândit mult timp la oscilațiile neutrinilor. Sa presupus că calea interiorului solar al neutrinul electronic se transformă în muoni sau Tau. Din moment ce experimente, cum ar fi Homestake și GALLEX din cauza dispozitivului său de captură numai de electroni neutrini, ele sunt ei și-au găsit noi înșine scurt. Mai mult decât atât, în teoreticienii a prezis că neutrinii 70-80 se propagă în interiorul Soarelui, ar trebui să oscileze ușor diferit decât într-un vid (acest fenomen este numit Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein), care, de asemenea s-ar putea ajuta cu explicație anomalie solară .
Pentru a rezolva problema de neutrini solare, a fost necesar pentru a face un simplu, aparent lucru: a construi un detector care ar fi capabil de a capta fluxul complet al tuturor tipurilor de neutrini, precum și, separat, flux de neutrino electronic. Atunci poți fi sigur că neutrinii produse în soare, nu dispar, ci pur și simplu schimba gradul lor. Dar, din cauza micimea energiei neutrino a fost problematică: pentru că nu se poate transforma într-un muon sau leptoni tau. Deci, trebuie să le căutați într-un fel diferit.
Detectorul Super-Kamiokande a încercat să facă față acestei sarcini, folosind o dispersie eterică a neutrinilor pe electronii atomului și înregistrând revenirea pe care o primește electronul. Un astfel de proces, în principiu, este sensibil la neutrinii de tot felul, dar datorită caracteristicilor interacțiunii slabe, contribuția supresivă la acesta este furnizată de neutrino-ul de electroni. Prin urmare, sensibilitatea la fluxul neutrin total sa dovedit a fi slabă.
Și aici cuvântul decisiv a fost spus de un alt detector de neutrini, SNO. În ea, spre deosebire de Super-Kamiokande, nu se folosea apă obișnuită, dar grea, conținând deuteriu. Nucleul deuteriului, deuteronul, este un sistem slab legat de un proton și un neutron. Energiile blow neutrinice mai multor deuteron MeV se poate prăbuși într-un proton și un neutron: ν + d + p → ν + n. Acest proces, numit component neutru slab interacțiune (purtător - Z-boson) are o sensibilitate egală cu toate cele trei tipuri de neutrini, și este ușor de înregistrat prin captarea și afișarea deuteriului nuclee gamma cuantic cu neutroni. În plus, SNO poate detecta separat neutrinii pur electronici de la divizarea lui deuteron în două protoni, ν e + d → e + p + p. care apare datorită componentei încărcate a interacțiunilor slabe (purtător - W-boson).
Fig. 7. fluxurile de neutroni electronici (orizontali) și muon plus tau (vertical) provenind din Soare. Banda gri este rezultatul Super-Kamiokande, barele de culoare sunt rezultatele experimentului SNO obținute în moduri diferite. Banda este limitată de linii punctate. - predicțiile modelului solar. Notație: CC - partea încărcată a interacțiunilor slabe, NC - partea neutră, ES - dispersia elastică de către electroni. Graficul din articolul oscilații Neutrino, pregătit la ordinul Comitetului Nobel de către departamentul fizic al Academiei de Științe din Suedia
Actul al treilea, în curs de desfășurare
Apoi, la începutul secolului, s-au efectuat alte experimente cu neutrini. Desi fizicienii au suspectat de mult ca neutrinii oscileze, este super-Kamiokande și SNO au prezentat argumente convingătoare - acesta este meritul lor științifică. După rezultatele lor în fizica neutrinilor, din nou, a existat o fază de tranziție: efuziune vulcanică toate problemele au dispărut, iar oscilațiile au devenit un fapt, obiectul unor cercetări experimentale, nu numai considerații teoretice. Fizica Neutrino a trecut printr-o etapă de creștere explozivă, iar acum este una dintre cele mai active zone ale fizicii particulare elementare. Se face noi descoperiri regulate din întreaga lume, a lansat un nou set experimental - detectoare atmosferic, spațiu, reactor, neutrinii accelera - și mii de teoreticieni încearcă să găsească în parametrii măsurați de indicii ale neutrinilor de noi fizica.
Este posibil ca avea succes, mai devreme sau mai târziu, în această căutare a găsi o teorie care ar înlocui modelul standard, acesta va lega împreună mai multe observații și să permită în mod natural de a explica maselor cu neutrino și oscilații, iar materia întunecată și originea asimetria dintre materie și antimaterie în lumea noastră și alte ghicitori. Faptul că sectorul neutrin a devenit un jucător-cheie în această căutare se datorează în mare parte Super-Kamiokande și SNO.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: