Частица-призрак: нейтрино

      Комментарии к записи Частица-призрак: нейтрино отключены

Частица-призрак: нейтрино

    Нейтрино пришло в физику практически на год раньше дираковского антиэлектрона и совсем вторым методом. Поль Дирак сделал вывод о существовании электрона с хорошим зарядом, пробуя отыскать разумную интерпретацию парадоксальных ответов собственного уравнения.
    А нейтрино как чисто теоретическое допущение было придумано вторым великим физиком без всякого формально-математического обоснования, в каком-то смысле — легко от отчаяния Опыт Minos (Main Injector Neutrino Oscillation Search) рекомендован для наблюдения нейтринных осцилляций. По разнице числом зарегистрированных мюонных нейтрино с двух детекторов (один в Fermilab, второй — в 720 км от него, в Миннесоте) возможно будет сделать вывод о наличии осцилляций Подледная рыбалка Ученые опускают в отверстие глубиной около двух километров в ледяном панцире Антарктиды трос с прикрепленными к нему чувствительными фотодетекторами, каковые образуют нейтринный телескоп AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array). Земной шар является защитным фильтром для этого телескопа, регистрирующего нейтрино из глубин космоса

Приблизительно сто лет назад физиков начало беспокоить необычное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные эти показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в достаточно широких пределах. Одновременно с этим оказалось все больше оснований вычислять, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями.

Но в этом случае любой конкретный вид бета-распада помой-му обязан генерировать электроны однообразной энергии, а этого не происходило. Подобно смотрелось и сравнение угловых моментов, каковые, по всей видимости, также не сохранялись.

В принципе, эту аномалию возможно растолковать несоблюдением основных законов сохранения, но практически все физики вычисляли это чрезмерной жертвой. Обстановку спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже известный доктор наук теоретической физики швейцарского Федерального технологического университета (ETH) в Цюрихе.

В качестве «крайнего средства» (его личные слова) спасения углового сохранения момента и законов энергии Паули допустил, что в ядра прячутся электрически нейтральные легкие частицы с половинным поясницей. Эти гипотетические лептоны он внес предложение именовать нейтронами. В соответствии с его догадке, как раз они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, исходя из этого в каждом акте бета-распада сумма энергий данной электрона и частицы должна быть постоянной.

Паули осознавал, что его мысль весьма уязвима для критики. В первый раз он сказал о ней в письме от 4 декабря 1930 года, направленном экспертам по радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, очень выделив, что не счел вероятным публиковать собственную догадку в научном издании. Неформальный темперамент этого послания выражен кроме того в обращении «Дорогие господа и радиоактивные дамы!».

Признавая, что его предположение выглядит «практически немыслимым», Паули все же попросил сотрудников поразмыслить, как найти гипотетическую частицу в опыте.

Лингвистическое новшество Паули не так долго осталось ждать поменяло адресата — нейтроном назвали нейтральный аналог протона, открытый в первой половине 30-ых годов двадцатого века Джеймсом Чедвиком. А вот сама мысль была только плодотворной. В 1933—1934 годах итальянец Энрико Ферми создал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми назвал нейтрино. Наряду с этим он совсем по-новому растолковал ее появление.

В случае если Паули думал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми высказал предположение, что нейтрино рождается в один момент с превращением одного из внутриядерных нейтронов в электрон и протон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу ядерным номером, а электрон и нейтрино вылетают в окружающее пространство. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю (откуда направляться, что оно владеет световой скоростью) и что для его происхождения не необходимы посредники в виде каких-либо запасных частиц.

Теория Ферми обрисовывает еще один тип бета-распада, при котором появляются ядра с уменьшенным на единицу ядерным номером. Она растолковывает данный распад превращением протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его существование.

Потому, что позитрон — античастица электрона, конечно высказать предположение, что нейтрино также владеет античастицей. Принято вычислять, что при электронном бета-распаде появляются антинейтрино, а при позитронном — нейтрино (в соответствии с положением теории Дирака, в соответствии с которому античастицы и частицы постоянно рождаются парами). В начале 1950-х была сформулирована концепция, которая приписывает каждому лептону число 1, а антилептону число -1.

При обоих типах бета-распада эти числа (их именуют кроме этого лептонными зарядами) сохраняются: сперва лептонов нет вовсе, а после этого рождаются лептон и антилептон (электрон и антинейтрино либо позитрон и нейтрино), и исходя из этого лептонное число и до, и по окончании распада остается нулевым.

Нейтрино владеют замечательной проникающей свойством. Ганс Рудольф и Бетя Пайерлс в том же 1934 году посредством теории Ферми вычислили, что нейтрино с энергиями порядка нескольких МэВ взаимодействуют с веществом так слабо, что смогут свободно преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет! Определив об этом, Паули на протяжении визита в Калифорнийский технологический объявил, что совершил страшную вещь — предсказал существование частицы, которую по большому счету нереально найти!

Пессимистический прогноз Паули опровергли в 1955—1956 годах, по окончании того как американские физики под управлением Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса экспериментально подтвердили существование нейтрино (за что в 1995 году Рейнес взял Нобелевскую премию, до которой не дожил Коуэн).

Источником нейтрино для их опыта стал один из реакторов ядерного комплекса Savannah River в штате Южная Каролина. Замечательные потоки антинейтрино (10 трлн частиц на 1 см2 в секунду!) генерировались бета-распадами плутония и ядер урана. В соответствии с теории Ферми, антинейтрино при столкновении с протоном порождает нейтрон и позитрон (это так называемый обратный бета-распад).

Эти превращения регистрировали посредством обвешанного датчиками контейнера, заполненного водным раствором хлорида кадмия. Фактически все антинейтрино проходили через него свободно, но в отдельных случаях все же взаимодействовали с ядрами водорода. Появляющиеся позитроны аннигилировали с электронами, порождая несколько гамма-квантов с энергиями порядка 0,5 МэВ. Новорожденные нейтроны поглощались ядрами кадмия, каковые испускали гамма-кванты второй частоты.

Долгая регистрация для того чтобы гамма-излучения разрешила надежно доказать действительность нейтрино, о чем в июне 1956 года экспериментаторы известили Паули особой весточкой.

В то время, когда несколько Коуэна и Рейнеса завершила собственный опыт, физики полагали, что все нейтрино однообразны. Но во второй половине пятидесятых годов теоретики из СССР, США и Японии высказали предположение, что нейтрино, сопровождающие рождение мюонов, отличаются от тех, что сопутствуют позитронам и электронам (эта мысль в первый раз была высказана десятилетием раньше, но позже о ней забыли). Так появилась догадка нового, мюонного нейтрино (конечно, и антинейтрино).

В 1961—1962 годах ее подтвердили в Брукхейвенской национальной лаборатории, и во второй половине 80-ых годов двадцатого века Леон Ледерман, Мелвин Джек и Шварц Штейнбергер взяли за это Нобелевскую премию. Позднее теоретики осознали, а экспериментаторы удостоверили, что третий и самый массивный заряженный лептон, тау-частица, также владеет собственным нейтрино. Так что сейчас физика имеет дело с нейтральными лептонами трех видов — это электронные, мюонные и тау-нейтрино.

Каждой лептонной паре соответствует пара кварков (в этом же порядке перечисления) — u-кварк и d-кварк, c-кварк и s-кварк, t-кварк и b-кварк.

Существованием трех видов нейтрино разъясняются парадоксальные результаты определения плотности потока достигших Почвы нейтрино, рожденных в термоядерных реакциях в центре Солнца. Первый детектор солнечных нейтрино Рэй его коллеги и Дэвис установили в золотодобывающей шахте в штате Южная Дакота на глубине полутора километров в конце 60-х годов.

Результаты их работы были неожиданными — плотность потока солнечных нейтрино была как минимум в два раза меньше величины, соответствующей модели внутрисолнечных процессов (уже прекрасно созданной и считавшейся в полной мере надежной). Со временем нейтринные обсерватории в Италии, СССР и Японии подтвердили эти американцев и с различной степенью убедительности продемонстрировали, что плотность потока солнечных нейтрино приблизительно в три раза меньше расчетной. направляться подчернуть, что использованный группой Дэвиса способ детектирования, основанный на нейтринном превращении хлора-37 в аргон-37, первым внес предложение эмигрировавший в СССР сотрудник Ферми, итальянский физик Бруно Понтекорво.

Полученные результаты пробовали трактовать самыми различными дорогами, но наконец-то восторжествовало объяснение, предложенное более 40 лет назад Понтекорво и Владимиром Грибовым. В соответствии с их догадке, рождающиеся в недрах Солнца электронные нейтрино по пути к Почва частично изменяют собственную природу и преобразовываются в нейтрино мюонного типа. Детекторы, о которых шла обращение, их не регистрировали (либо практически не регистрировали), исходя из этого результаты и были заниженными.

В то время, когда стало известно, что существуют три различных нейтрино, стало понятным, из-за чего измеренные показатели были в три раза меньше ожидаемых.

Непростой темперамент нейтрино надежней всего доказали сотрудники канадской нейтринной обсерватории Сэд-бери (Sudbury Neutrino Observatory). Детектором у них служил установленный в действующей шахте (на глубине 2 км) контейнер из оргстекла, заполненный тысячей тысячь киллограм тяжелой воды. Данный нейтринный телескоп создавал детектирование двумя разными способами — один регистрировал только электронные нейтрино, второй — каждые.

Весной 2002 года экспериментаторы заявили, что второй показатель в три раза больше первого. Это означало, что на Солнце рождается необходимое количество электронных нейтрино, но по пути к Почва треть из них преобразовывается в мюонные, и вдобавок треть — в тау-нейтрино (данный процесс именуется нейтринной осцилляцией).

Наличие осцилляций имеет воистину фундаментальное значение. Они вероятны только в том случае, если нейтрино во всех собственных ипостасях владеют не нулевой массой. Ее величина еще точно не измерена; вероятнее, она образовывает доли электрон-вольта, что как минимум в миллион раз меньше массы электрона.

Но сам факт, что она все-таки существует, разрешает растолковать асимметрию между антиматерией и материей.

Рассказ о космических нейтрино окажется неполным, если не упомянуть, что кроме нейтрино высоких энергий, рожденных в недрах звезд и при взрывах сверхновых, в космосе имеются весьма низкоэнергетические нейтрино, сохранившиеся от эры Громадного взрыва. Расчетная плотность этих реликтовых частиц сходится с плотностью реликтовых фотонов, но найти их до тех пор пока нереально (не существует устройств).

Во второй половине 30-ых годов XX века рано ушедший из судьбы феноменально одаренный итальянский физик Этторе Майорана разместил статью «Симметричная теория позитрона и электрона». В соответствии с его теорией электрически античастицы и нейтральные частицы всецело однообразны и потому неотличимы друг от друга. Нейтрино с этими особенностями делают важную роль в теории, растолковывающей космическую асимметрию между антиматерией и материей.

«В случае если нейтрино владеет нулевой массой, вопрос о том, отличается оно от собственной античастицы либо сходится с ней, не имеет смысла. А вот наличие массы свидетельствует, что вероятны оба варианта. В первом случае нейтрино именуется дираковским, во втором — майорановским.

И как на данный счет распорядилась природа, пока не известно, — поведал «Популярной механике» доктор наук теоретической физики Северо-западного университета Андре де Гувеа. — До сих пор опыты показывали, что лептонные числа строго сохраняются во всех ядерных реакциях. В случае если нейтрино есть дираковской частицей, данный закон по большому счету ни при каких обстоятельствах не должен нарушаться. А вот для майорановских нейтрино он может соблюдаться только приближенно и, следовательно, допускать нарушения.

Экспериментаторы знают кроме того, где их искать. Имеется таковой внутриядерный процесс, двойной бета-распад: сходу два нейтрона преобразовываются в протоны, испуская пару и пару электронов антинейтрино. Эти превращения происходят очень редко, но все же случаются.

на данный момент большое количество где пробуют найти двойной безнейтринный бета-распад — перескок ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием только одних электронов. И в случае если его отыщут, нужно будет согласиться, что лептонное число может не сберигаться и что нейтрино нужно считать майорановской частицей».

Во всех опытах наблюдаются нейтрино, у которых спин противоположен импульсу, — такие частицы именуют левовинтовыми. У антинейтрино спин наблюдает в ту же сторону, что и импульс, — это правовинтовые частицы. Но в случае если нейтрино подчиняется уравнению Майорана, оно может показать себя в не сильный сотрудничествах и как частица с правой ориентацией.

Действительно, в опыте подобные нейтринные разновидности не найдены, но это не фатально. Возможно высказать предположение, что из-за огромной массы порядка 1014-1016 ГэВ они рождались только в составе сверхгорячей материи, существовавшей в первые мгновения по окончании космологической инфляции. Будучи очень нестабильными, они практически мгновенно распадались и из-за прогрессирующего охлаждения Вселенной больше не появлялись.

И вот тут-то начинается самое занимательное. Сверхмассивные майорановские нейтрино, либо легко майораны, преобразовываются в бозоны Хиггса и лептоны. Коль не так долго осталось ждать в этих распадах не сохраняются лептонные числа, они смогут порождать больше электронов, нежели позитронов. Подобно, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с числом антинейтрино.

В следствии у Вселенной появляется ненулевое лептонное число, которое по окончании полного распада всех майоранов фактически не изменяется. Данный процесс именуется лептогенезом.

Этим дело не кончается. Сотрудничество между оставшимися по окончании распада майоранов лептонами очень высоких энергий может привести к появлению антикварков и кварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез — происхождение барионов, частиц, принимающих участие в сильном сотрудничестве. Существуют похожие на правду сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов оборачивается избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами.

А позже произошла Великая Аннигиляция со всеми ее последствиями. на данный момент бариогенез через лептогенез — самая популярная интерпретация недостатка антиматерии в отечественной Вселенной.

«Само собой разумеется, это всего лишь теория, — поясняет доктор наук де Гувеа. — Мы не знаем кроме того, возможно ли вычислять нейтрино майорановской частицей. В случае если эта догадка возьмёт экспериментальное подтверждение, то позиции модели лептогенеза существенно укрепятся».

На сегодня модель с участием майорановских нейтрино оптимальнее растолковывает тайну безотносительного преобладания материи над антиматерией в отечественной Вселенной, считает бывший президент Американского физического общества, физик Xелен Квигг из Стэнфордского университета. Она отмечает, что рождение нейтрино при распаде майоранов разрешает растолковать их ничтожную массу — для этого придумана прекрасная теория, так называемый механизм see-saw.

Но, врач Квигг выделила, что эта мысль не может быть проверена опытом обозримой перспективе. Она утвержает, что нельзя исключать кроме того, что эта модель так и останется прекрасной догадкой.

Чувствительные глаза

Нейтринные обсерватории стремятся упрятать глубоко под почву, под воду либо под лед. крыша и Километровые стены прекрасно отсеивают разные помехи, но для всепроникающих нейтрино кроме того тысячи километров породы не создают серьёзного препятствия. Японская обсерватория Super kamiokande расположена на глубине 1000 м в ветхой цинковой шахте моцуми в 180 км от Токио.

Детектор обсерватории — металлической «стакан» с 50 000 т сверхчистой воды и комплектом из практически 13 000 вот таких сверхчувствительных фотоэлектронных умножителей, отслеживающих черенковское излучение от торможения порожденных нейтрино мюонов в воде.

Земное происхождение

    Кольца света Свет, что смогут видеть чувствительные электронные фотоумножители, — это черенковское излучение. Оно порождается торможением частиц, появившихся при сотрудничестве нейтрино с веществом в сферическом резервуаре диаметром 12 м, наполненном 800 т масла

Осцилляции ищут не только в потоках нейтрино внеземного происхождения, но и в искусственно создаваемых нейтринных пучках. Таковой опыт, Booster neutrino experiment (boone), идет с 2002 года в Fermilab, где нейтрино приобретают посредством ускорителя протонов с энергией 8 гэв. Нейтрино генерируется импульсами длительностью в 1,5 мс пять раз в секунду.

Пучок направляется в детектор — сферическую емкость со сверхчистым минеральным маслом, содержащую 1520 сверхчувствительных электронных фотоумножителей, каковые и засекают сотрудничество нейтрино с веществом по характерному следу — конусу черенковского излучения. Такие события происходят приблизительно раз в 20 с (1 млн событий в год).

Разбирая положение фотоумножителей, на каковые попадает свет, физики смогут выяснить появившуюся частицу — лептон (электрон, мюон либо тау), соответственно, и тип породившего ее нейтрино. Сравнивая изначальное количество нейтрино одного типа с числом, оставшимся по окончании прохождения определенной автострады, возможно сделать выводы о наличии либо отсутствии нейтринных осцилляций.

Великая Аннигиляция

В соответствии с общепринятым космологическим теориям, по окончании выхода из фазы инфляционного расширения Вселенная (ее возраст составлял тогда 10-34 с) содержала совсем антиматерии и одинаковые количества материи. После этого имели место процессы, каковые всецело высвободили ее от антиматерии, но сохранили часть материи. Так появилась популяция протонов, электронов и нейтронов, которая в будущем стала сырьем для изготовления всех атомов отечественного мира.

На данный момент на каждые 5 м³ космического пространства приходится в среднем по миллиарду квантов реликтового электромагнитного излучения, одному электрону и одному протону, складывающемуся из трех кварков. Число нейтронов в семеро меньше, и в свободном состоянии они не видятся. А вот позитроны, антинейтроны и антипротоны хоть кое-где и рождаются, но в таком малом количестве, что в космологических масштабах ими возможно пренебречь. Но так было отнюдь не всегда.

В то время, когда возраст Вселенной приблизился к миллионной доле секунды, на любой миллиард квантов приходилось приблизительно 3 млрд и млрд 3 антикварков и 3 кварка. Они вступили в аннигиляцию, «съевшую» все антикварки, но покинувшую в живых ничтожную часть кварков, каковые не нашли антипартнеров. Сохранившиеся кварки объединились в нейтроны и протоны, на что потребовалось не больше четырех-пяти микросекунд.

В то время, когда возраст мироздания достиг одной секунды, аннигилировали и провалились сквозь землю позитроны, пребывавшие в таком же ничтожном дисбалансе с электронами. Вот так и появилась Вселенная, в которой плотность антиматерии фактически не отличается от нуля.

Но в случае если дисбаланса по античастицам и частицам сперва не было, то как же он появился? Физики и космологи спорят об этом вот уже пара десятков лет, но до сих пор не пришли к единому точке зрения. Но сейчас была предложена теория, которая помой-му более убедительна, чем соперничающие модели.

В качестве объяснения она завлекает квантовые превращения, происходящие с участием нейтрино высоких энергий.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№89, март 2010).

русский космос — нейтрино, частица призрак (№26)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: