Částice neutrinu: definice, vlastnosti, popis. Oscilace neutrin jsou ...

Neutrino je elementární částice, která se velmi podobá elektronu, ale nemá žádný elektrický náboj. Má velmi malou hmotnost, která může být dokonce nulová. Rychlost neutrinu také závisí na hmotnosti. Rozdíl v čase příchodu částic a světla je 0,0006% (± 0,0012%). V roce 2011, během experimentu OPERA, bylo zjištěno, že rychlost neutrin je rychlejší než světlo, ale nezávislá zkušenost tuto skutečnost nepotvrdila.

Nerozumná částice

To je jeden z nejběžnějších částic ve vesmíru. Vzhledem k tomu, že velmi málo ovlivňuje hmotu, je neuvěřitelně obtížné zjistit. Elektrony a neutriny se neúčastní silných jaderných interakcí, ale stejně se účastní slabých. Částice mající takové vlastnosti se nazývají leptony. Kromě elektronu (a jeho antičástice, pozitronu) obsahují nabité leptony mion (200 elektronových hmot), tau (3500 elektronových hmot) a jejich antipartikuly. Jsou nazývány tak: elektron, muon a tau neutrino. Každá z nich má antimateriální složku nazvanou antineutrinos.

Míon a tau, jako elektron, mají doprovázené částice. Je to muon a tau neutrino. Tři typy částic se navzájem liší. Například, když neutrony muonu interagují s cílem, vždy produkují muony a nikdy tau nebo elektrony. Při interakci částic, i když mohou být vytvořeny a zničeny elektrony a elektronové neutriny, jejich součet zůstává nezměněn. Tato skutečnost vede k oddělení leptonů do tří typů, z nichž každá má nabitý lepton a doprovodný neutrino.

Pro detekci této částice jsou zapotřebí velmi velké a extrémně citlivé detektory. Typicky budou nízkoenergetické neutriny cestovat po mnoho světelných let před interakcí s hmotou. V důsledku toho se všechny pozemní experimenty s nimi spoléhají na měření jejich malých frakcí v interakci s rekordéry s rozumnou velikostí. Například v observatoři Sudbury neutrino, která obsahuje 1000 tun těžké vody, kolem detektoru prochází asi 1012 solárních neutrin za sekundu. A pouze 30 denně.

Historie objevu

Wolfgang Pauli byl první, kdo postuloval existenci částice v roce 1930. V té době vznikl problém, protože se zdálo, že energie a úhlová hybnost nepřetrvávají v rozpadu beta. Pauli poznamenal, že pokud se uvolní neinteragovaná neutrální neutrinová částic, bude dodržen zákon zachování energie. Italský fyzik Enrico Fermi v roce 1934 vyvinul teorii beta rozkladu a dal částicku své jméno.

Navzdory všem předpovědím nebylo možné neutralizovat experimenty 20 let slabá interakce s látkou. Vzhledem k tomu, že částice jsou elektricky nabité, nepůsobí elektromagnetických sil, a tudíž nezpůsobují ionizaci látky. Kromě toho reagují s hmotou pouze slabými interakcemi zanedbatelné síly. Proto jsou nejpoutavějšími subatomickými částicemi schopnými procházet obrovským počtem atomů, aniž by způsobily jakoukoli reakci. Pouze 1 z 10 miliard těchto částic, které procházejí hmotou ve vzdálenosti rovnající se průměru Země, reaguje s protonem nebo neutronem.

Nakonec v roce 1956 uvedla skupina amerických fyziků pod vedením Frederika Reinese objev elektron-antineutrinos. Ve svých experimentech antineutrinos emitovaný jaderným reaktorem interagoval s protony, vytvářející neutrony a pozitrony. Jedinečné (a vzácné) energetické podpisy těchto vedlejších produktů se staly důkazem o existenci částice.

Objev nabitých muonových leptonů byl výchozím bodem pro následnou identifikaci druhého typu neutrino-muonu. Jejich identifikace byla provedena v roce 1962 na základě výsledků experimentu s urychlovačem částic. Vysokoenergetické muons rozpadu neutrin tvořené PI-mesons a směřující k detektoru tak, aby bylo možné posoudit jejich reakce s látkou. Ačkoli nejsou reaktivní, podobně jako jiné typy těchto částic, bylo zjištěno, že v těch vzácných případech, kdy reagují s protony nebo neutrony, vytvářejí muoni neutrony muony, nikoli však elektrony. V roce 1998 přijali americký fyzici Leon Lederman, Melvin Schwarz a Jack Steinberger Nobelovu cenu za fyziku pro identifikaci neutronů muonu.

V polovině sedmdesátých let byla fyzika neutrinu doplněna jiným typem nabitých leptonů - tau. Tau neutrinos a tau antineutrinos byly spojeny s tímto třetím nabitým leptonem. V roce 2000 fyzici v Národním akcelerátorském laboratoři. Enrico Fermi uvedl první experimentální důkazy o existenci tohoto typu částic.

Hmotnost

Všechny typy neutrin mají hmotu, která je mnohem menší než u jejich účtovaných partnerů. Například experimenty ukazují, že hmotnost elektron-neutrinu by měla být menší než 0,002% hmotnosti elektronů a součet hmotností těchto tří druhů by měl být menší než 0,48 eV. Po mnoho let se zdálo, že hmotnost částice byla nulová, i když neexistovaly žádné přesvědčivé teoretické důkazy, proč by to mělo být. Poté v roce 2002 na observatoři Neutrino v Sudbury se získaly první přímé důkazy, že elektronový neutrino vyzařované jadernou reakcí v jádru Slunce, když projíždějí, mění svůj typ. Takové "oscilace" neutrin jsou možné, pokud jeden nebo více druhů částic má určitou malou hmotnost. Jejich studie o interakci kosmických paprsků v zemské atmosféře také naznačují přítomnost hmoty, ale pro přesnější určení je zapotřebí další experimenty.

Zdroje informací

Přírodními zdroji neutrin jsou radioaktivní rozklad prvků ve vnitrozemí Země, pod nimiž je vydáván velký proud nízkoenergetických elektronů - antineutrinos. Supernovy jsou také převážně neutrinovým jevem, neboť pouze tyto částice mohou proniknout do superdense materiálu vytvořeného ve zhroucení hvězdy - jen malá část energie se přemění na světlo. Výpočty ukazují, že asi 2% energie Slunce je energie neutriny vyrobené v roce reakce termonukleárních syntéza. Je pravděpodobné, že většina temné hmoty vesmíru se skládá z neutrin vzniklých během Velkého třesku.

Problémy fyziky

Oblasti spojené s neutriny a astrofyzikou jsou různé a rychle se vyvíjejí. Současné problémy zahrnující velké množství experimentálních a teoretických snah jsou následující:

• Jaké jsou hmoty různých neutrin?
• Jak ovlivňují kosmologii Velkého třesku?
• Oni oscilují?
• Mohou se neutrína jednoho druhu přeměnit na jiný, pokud projíždí hmotou a prostorem?
• Jsou neutriny zásadně odlišné od jejich antipartikel?
• Jak se hvězdy rozpadají a tvoří supernovy?
• Jaká je úloha neutrin v kosmologii?

Jedním z dlouhodobých problémů zvláštního zájmu je tzv. Problém solárních neutrin. Tento název se týká skutečnosti, že během několika pozemních experimentů prováděných během posledních 30 let bylo stále méně pozorováno méně částic, než je zapotřebí pro výrobu energie vyžarované sluncem. Jedním z možných řešení je oscilace, tj. Přeměna elektronických neutrinů na muoni nebo tau při cestování na Zemi. Vzhledem k tomu, že je mnohem obtížnější měřit nízkoenergetické muon- nebo tau-neutrinové, tento druh transformace by mohl vysvětlit, proč nevidíme správný počet částic na Zemi.

Čtvrtá cena Nobelovy ceny

Nobelovu cenu za fyziku za rok 2015 získala Takaaki Kadziteová a Arthur MacDonald za zjištění množství neutrin. Toto bylo čtvrté takové ocenění spojené s experimentálními měřeními těchto částic. Někdo by mohl mít zájem o otázku, proč bychom se měli tolik starat o něco, co se s běžnou hmotou téměř nesetkává.

Pouhá skutečnost, že dokážeme detekovat tyto efemérní částice, je důkazem lidské vynalézavosti. Vzhledem k tomu, že pravidla kvantové mechaniky jsou pravděpodobné, víme, že navzdory skutečnosti, že téměř všechny neutriny procházejí Zemí, některé z nich budou s ní komunikovat. Detektor s dostatečně velkou velikostí ji může zaregistrovat.

První takové zařízení bylo postaveno v šedesátých letech hluboko v dolu v Jižní Dakotě. Důl byl naplněn 400 tisíci litry čistící kapaliny. V průměru jedna část neutrin interaguje s atomem chloru každý den a přeměňuje ho na argon. Neuvěřitelně Raymond Davis, zodpovědný za detektor, přišel s cestou detekce těchto několika atomů argonu a čtyři desetiletí později v roce 2002 za tento úžasný technický výkon získal Nobelovu cenu.

Nová astronomie

Protože neutriny interagují tak slabě, mohou cestovat na velkou vzdálenost. Dávají nám příležitost podívat se na místa, která by jinak nebyla nikdy viděna. Neutriny, objevené Davisem, vznikly v důsledku jaderných reakcí, které se odehrávaly v samém středu Slunce, a mohly by opustit toto neuvěřitelně husté a horké místo jen proto, že sotva komunikují s jinou hmotou. Jeden může dokonce detekovat neutrino létání ze středu vybuchující hvězdy ve vzdálenosti více než sto tisíc světelných let od Země.

Navíc tyto částice nám umožňují pozorovat vesmír ve velmi malých měřítcích, mnohem menší než ty, které velkoadronský kolíček v Ženevě vidí, Higgsův boson. Právě z tohoto důvodu se Nobelův výbor rozhodl udělit Nobelovu cenu za objev jiného typu neutrinu.

Tajemný nedostatek

Když Ray Davis pozoroval sluneční neutrino, našel jen třetinu očekávaného počtu neutrin. Většina fyziků věřila, že důvodem je špatná znalost sluneční astrofyziky: snad modely slunečních střev přehodnotily počet neutrin, které se v ní vyráběly. Nicméně po mnoho let, dokonce i po zlepšení solárních modelů, schodek přetrvával. Fyzici upozornili na další možnost: problém by mohl být spojen s našimi představami o těchto částicích. Podle tehdejší teorie neměli hromadu. Ale někteří fyzici tvrdili, že ve skutečnosti měly částice nekonečnou hmotu a tato masa byla důvodem jejich nedostatku.

Třístranné částice

Podle teorie neutrinových kmitů existuje v přírodě tři různé typy neutrin. Má-li částic hmotnost, pak se při pohybu pohybuje z jednoho druhu do druhého. Tři typy - elektronické, muonové a tauové - mohou interagovat s hmotou na odpovídající nabitou částku (elektron, muon nebo tau lepton). "Oscilace" je způsobena kvantovou mechanikou. Typ neutrinu není konstantní. Časem se mění. Neutrin, který začal svou existenci elektronickou, se může změnit na muon a pak zpět. Část tvořená v jádru Slunce, na cestě k Zemi, se tedy může periodicky přeměňovat na neutronový muon a naopak. Vzhledem k tomu, že detektor Davis mohl detekovat pouze elektronový neutrino schopné vést k jaderné přeměně chloru na argon, bylo zřejmě možné, že chybějící neutriny se změnily na jiné typy. (Jak se ukázalo, neutriny oscilají uvnitř Slunce a ne na cestě k Zemi).

Kanadský experiment

Jediný způsob, jak to ověřit, bylo vytvořit detektor, který pracoval pro všechny tři typy neutrin. Od 90. let vedl Arthur MacDonald z Královské univerzity v Ontariu tým, který provedl tuto operaci v dolu v Sudbury v Ontariu. Instalace obsahovala tuny těžké vody poskytované vládou Kanady. Těžká voda je vzácná, ale přirozeně se vyskytující forma vody, ve které je vodík obsahující jeden protón nahrazen těžším izotopem deuteria, který obsahuje proton a neutron. Kanadská vláda ukládá těžkou vodu, protože je používána jako chladicí kapalina v jaderných reaktorech. Všechny tři typy neutrin by mohly zničit deuterium s tvorbou protonu a neutronu a neutrony pak byly počítány. Detektor zaznamenal přibližně trojnásobek počtu částic ve srovnání s Davisem - přesně to, co předpovídali nejlepší modely Slunce. To nám umožnilo předpokládat, že elektronový neutrino může oscilovat na jiné typy.

Japonský experiment

Takaaki Kajita z univerzity v Tokiu provedla další pozoruhodný experiment. Detektor namontován na hřídeli v Japonsku zaznamenán neutrin nepřichází z vnitřku slunce, a z horních vrstev atmosféry. V protonových srážek kosmického záření s atmosférou jsou tvořeny sprchy jiných částic, včetně mionových neutrin. V dolu se jádro vodíku změnilo na muony. Detektor Kajita mohl sledovat částice přicházející ve dvou směrech. Někteří spadli shora z atmosféry, zatímco jiní se posunuli zespodu. Počet částic byl jiný, což naznačovalo jinou povahu - byly v různých bodech oscilujících cyklů.

Zápas ve vědě

Je to všechno exotické a úžasné, ale proč oscilace a neutrinové hmoty přitahují tolik pozornosti k sobě? Důvod je jednoduchý. Ve standardním modelu fyziky elementárních částic, vyvinutém během posledních padesát let dvacátého století, který správně popsal všechny ostatní pozorování urychlovačů a jiných experimentů, neutriny musely být bez hromady. Objev neutrino hmoty naznačuje, že něco chybí. Standardní model není kompletní. Chybějící prvky ještě nebyly objeveny - s pomocí Large Hadron Collider nebo jiného stroje, které ještě nebyly vytvořeny.