Neutrino zarah: definisi, ciri-ciri, keterangan. ayunan neutrino - ia ...

Neutrino - satu zarah asas yang hampir sama dengan elektron, tetapi ia tidak mempunyai cas elektrik. Ia mempunyai jisim yang sangat kecil, yang mungkin menjadi sifar. Dari jisim neutrino bergantung kepada kelajuan. Perbezaan dalam masa ketibaan dan rasuk zarah adalah 0,0006% (± 0,0012%). Pada tahun 2011, ia telah ditubuhkan semasa eksperimen OPERA bahawa halaju melebihi kelajuan neutrino cahaya, dan tidak bergantung kepada pengalaman ini masih belum disahkan.

Zarah sukar difahami

Ini adalah salah satu daripada zarah yang paling biasa di alam semesta. Sejak ia berinteraksi sangat sedikit dengan perkara, ia adalah amat sukar untuk dikesan. Elektron dan neutrino tidak mengambil bahagian dalam daya nuklear kuat, tetapi sama-sama mengambil bahagian dalam yang lemah. Zarah mempunyai sifat-sifat itu dipanggil lepton. Selain elektron (positron dan antiparticle), dirujuk kepada lepton muon dikenakan (200 elektron jisim), tau (3500 elektron jisim), dan antiparticle mereka. Mereka dipanggil: elektron, muon dan neutrino tau. Setiap daripada mereka mempunyai komponen antimaterial, yang dipanggil antineutrino yang.

Muon dan tau, seperti elektron, mempunyai zarah yang disertakan. Ia Muon dan tau neutrino. Tiga jenis zarah yang berbeza antara satu sama lain. Sebagai contoh, apabila neutrino muon berinteraksi dengan sasaran, mereka sentiasa menghasilkan muons dan tidak pernah tau atau elektron. Dalam reaksi zarah, walaupun elektron dan neutrino elektron yang dicipta dan dimusnahkan, jumlah mereka masih tidak berubah. Fakta ini membawa kepada lepton pemisahan kepada tiga jenis, setiap yang memiliki lepton dikenakan dan neutrino yang disertakan.

Untuk mengesan zarah ini memerlukan Pengesan sangat besar dan sangat sensitif. Sebagai peraturan, dengan neutrino tenaga yang rendah akan melakukan perjalanan selama bertahun-tahun cahaya untuk interaksi dengan jirim. Akibatnya, semua uji kaji tanah dengan mereka bergantung kepada pengukuran sebahagian kecil yang berinteraksi dengan pendaftar saiz yang munasabah. Sebagai contoh, di sebuah balai cerap neutrino Sudbury, mengandungi 1,000 tan air berat melalui pengesan mengenai 1012 neutrino solar sesaat. Dan mendapati hanya 30 setiap hari.

Sejarah penemuan

Wolfgang Pauli pertama mengandaikan kewujudan zarah pada tahun 1930. Pada masa itu, terdapat masalah, kerana ia seolah-olah bahawa tenaga dan momentum sudut tidak disimpan dalam pereputan beta. Tetapi Pauli menegaskan bahawa jika ada tidak mengeluarkan neutrino berinteraksi zarah neutral, yang undang-undang pemuliharaan tenaga akan dipatuhi. ahli fizik Itali Enrico Fermi pada tahun 1934 membangunkan teori pereputan beta, dan memberikannya nama zarah.

Walaupun semua ramalan-ramalan untuk 20 tahun, neutrino tidak dapat dikesan secara eksperimen kerana kedudukannya interaksi lemah dengan jirim. Kerana zarah dikenakan bayaran elektrik, mereka tidak bertindak daya elektromagnet, dan, dengan itu, mereka tidak menyebabkan pengionan bahan. Selain itu, mereka bertindak balas dengan bahan hanya melalui interaksi lemah tenaga sedikit. Oleh itu, mereka zarah subatom yang paling menembusi mampu melalui yang besar atom tanpa menyebabkan apa-apa tindak balas. Hanya 1 hingga 10 bilion zarah ini perjalanan melalui kain dengan jarak yang sama dengan diameter Bumi, bertindak balas dengan proton atau neutron.

Akhirnya, pada tahun 1956 sekumpulan ahli fizik Amerika, yang diketuai oleh Frederick Reines melaporkan penemuan antineutrino elektron. Dalam eksperimen ia antineutrinos reaktor nuklear radiasi, bertindak balas dengan proton, membentuk neutron dan positron. Unik (dan jarang berlaku) tandatangan tenaga yang kedua oleh-produk adalah bukti kewujudan zarah.

Tingkap boleh dikenakan lepton muons telah titik permulaan bagi pengenalan seterusnya jenis neutrino kedua - muon. pengenalan mereka telah dijalankan pada tahun 1962 berdasarkan keputusan eksperimen dalam pemecut zarah. Bertenaga tinggi neutrino muon pereputan dibentuk oleh pi-meson dan diarahkan untuk pengesan supaya ia adalah mungkin untuk memeriksa tindak balas mereka dengan bahan. Walaupun pada hakikatnya mereka bukan reaktif, serta lain-lain jenis zarah, ia telah mendapati bahawa dalam kes-kes yang jarang berlaku apabila mereka bertindak balas dengan proton atau neutron, muon, muon neutrino, tetapi tidak pernah elektron. Pada tahun 1998, ahli fizik Amerika Leon Lederman, Melvin Schwartz dan Dzhek Shteynberger telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam fizik untuk mengenal pasti muon-neutrino.

Pada pertengahan tahun 1970-an, seorang ahli fizik neutrino mendapat satu lagi jenis lepton dikenakan - tau. Tau-neutrino dan tau-antineutrinos dikaitkan dengan lepton ini dikenakan ketiga. Pada tahun 2000, ahli fizik di Accelerator National Laboratory. Enrico Fermi dilaporkan bukti eksperimen pertama kewujudan jenis ini zarah.

berat badan

Semua jenis neutrino mempunyai jisim, yang jauh lebih kurang berbanding dengan rakan-rakan mereka dikenakan. Sebagai contoh, kajian menunjukkan bahawa jisim elektron-neutrino mesti kurang daripada 0.002% daripada jisim elektron dan jumlah ramai daripada tiga jenis hendaklah tidak kurang daripada 0.48 eV. Pemikiran selama bertahun-tahun bahawa jisim zarah adalah sifar, walaupun tidak ada bukti teori menarik, mengapa ia harus menjadi cara itu. Kemudian, pada tahun 2002, Balai Cerap Sudbury Neutrino telah mendapat bukti langsung yang pertama bahawa elektron neutrino dipancarkan oleh tindak balas nuklear dalam teras matahari, selagi mereka melaluinya, menukar jenisnya. Seperti "ayunan" neutrino boleh dilakukan jika satu atau lebih daripada zarah mempunyai jisim kecil. Pengajian mereka interaksi sinaran kosmik dalam atmosfera Bumi juga menunjukkan kehadiran besar-besaran, tetapi eksperimen lanjut diperlukan untuk menentukan ia lebih tepat.

sumber

Sumber semula jadi neutrino - pereputan radioaktif satu elemen dalam bumi, yang dipancarkan pada aliran besar rendah tenaga elektron-antineutrino. Supernova juga advantageously Neutrino fenomena, kerana zarah ini hanya boleh menembusi bahan hyperdense ditubuhkan pada bintang runtuh; hanya sebahagian kecil daripada tenaga yang ditukarkan kepada cahaya. Pengiraan menunjukkan bahawa kira-kira 2% daripada tenaga solar - yang neutrino tenaga terbentuk dalam tindak balas termonuklear fusion. Ia mungkin bahawa kebanyakan bahan gelap alam semesta terdiri daripada neutrino yang dikemukakan semasa Big Bang.

masalah fizik

Bidang yang berkaitan dengan Neutrino astrofizik, dan pelbagai dan pesat berubah. isu-isu semasa yang menarik sebilangan besar usaha eksperimen dan teori, yang berikut:

• Apakah orang ramai neutrino yang berbeza?
• Bagaimana mereka mempengaruhi kosmologi, Letupan Besar?
• mereka berayun?
• Boleh satu jenis neutrino bertukar kepada yang lain kerana mereka perjalanan melalui perkara dan ruang?
• Adakah neutrino berbeza daripada antiparticles mereka?
• Bagaimana bintang runtuh untuk membentuk supernova?
• Apakah peranan neutrino dalam kosmologi?

Salah satu masalah yang telah lama wujud kepentingan tertentu adalah apa yang dipanggil masalah neutrino solar. Nama ini merujuk kepada hakikat bahawa dalam beberapa percubaan daratan yang dijalankan sejak 30 tahun yang lalu, terus memerhatikan zarah yang lebih kecil daripada yang diperlukan untuk menghasilkan tenaga yang dipancarkan oleh matahari. Satu penyelesaian yang mungkin adalah ayunan, iaitu. E. Transformasi neutrino elektron Muon atau tau semasa perjalanan ke Bumi. Jadi berapa banyak lebih sukar untuk mengukur muon-tenaga yang rendah atau tau neutrino, ini jenis transformasi akan menjelaskan mengapa kita tidak melihat jumlah yang tepat zarah di bumi.

Keempat Hadiah Nobel

Hadiah Nobel dalam Fizik 2015 telah dianugerahkan kepada Takaaki Kaji dan Arthur MacDonald untuk mengesan jisim neutrino yang. Ini merupakan anugerah sama keempat berkaitan dengan ukuran eksperimen zarah ini. Seseorang yang mungkin berminat dengan persoalan mengapa kita harus mengambil berat tentang sesuatu yang hampir tidak berinteraksi dengan perkara biasa.

Hakikat bahawa kita boleh mengesan zarah tidak kekal, adalah bukti kepada kebijaksanaan manusia. Sejak peraturan mekanik kuantum, kebarangkalian, kita tahu bahawa, walaupun pada hakikatnya bahawa hampir semua neutrino melalui Bumi, sebahagian daripada mereka akan berinteraksi dengannya. Pengesan yang mampu cukup saiz besar didaftarkan.

Peranti itu yang pertama telah dibina pada tahun enam puluhan, jauh di dalam sebuah lombong di South Dakota. aci itu dipenuhi di 400 ribu. L pembersihan cecair. Rata-rata neutrino satu zarah setiap hari berinteraksi dengan atom klorin, menukarkan ia menjadi argon. Sangat, Raymond Davis, yang bertanggungjawab bagi pengesan itu, mencipta kaedah untuk mengesan pelbagai atom argon, dan empat dekad kemudian, pada tahun 2002, untuk ini, kejuruteraan feat ajaib yang telah dianugerahkan Hadiah Nobel.

astronomi baru

Kerana neutrino berinteraksi supaya lemah, mereka boleh melakukan perjalanan jarak yang jauh. Mereka memberi kita melihat ke dalam tempat-tempat yang jika tidak, kita tidak akan lihat. Neutrino dikesan Davis, yang terbentuk hasil daripada tindak balas nuklear yang berlaku di tengah-tengah matahari, dan dapat meninggalkan kerusi sangat tumpat dan panas ini hanya kerana mereka tidak berinteraksi dengan perkara lain. Anda juga boleh mengesan neutrino dipancarkan dari pusat bintang yang meletup pada jarak lebih daripada satu ratus ribu tahun cahaya dari Bumi.

Di samping itu, zarah ini membuat ia mungkin untuk memerhatikan alam semesta dalam skala yang sangat kecil, lebih kecil daripada yang di mana boleh melihat ke dalam Large Hadron Collider di Geneva, menemui Higgs boson. Ia adalah untuk sebab ini bahawa Jawatankuasa Nobel telah memilih untuk memberikan Hadiah Nobel untuk penemuan neutrino jenis lain.

kekurangan misteri

Apabila Ray Davis diperhatikan neutrino solar, dia mendapati hanya satu pertiga daripada kuantiti yang dijangka. Kebanyakan ahli fizik percaya bahawa sebab untuk ini adalah pengetahuan yang miskin astrofizik Matahari: mungkin bersinar model tanah bawah tafsiran jumlah yang dihasilkan di neutrino itu. Walau bagaimanapun, selama bertahun-tahun, walaupun selepas model solar telah meningkat, defisit kekal. Ahli fizik telah memberi perhatian kepada kemungkinan yang lain: masalah itu boleh berkaitan dengan persepsi kita zarah ini. Menurut teori, kemudian menang mereka tidak mempunyai berat. Tetapi beberapa ahli fizik telah berhujah bahawa sebenarnya zarah mempunyai jisim yang sangat kecil, dan besar-besaran ini adalah sebab kerana kekurangan mereka.

Tiga Berhadapan zarah

Menurut teori ayunan neutrino, di alam, terdapat tiga jenis yang berbeza daripada mereka. Jika zarah mempunyai jisim, yang kerana ia bergerak ia boleh lulus dari satu jenis yang lain. Tiga jenis - elektron, muons dan tau - dalam interaksi dengan bahan yang boleh ditukar kepada zarah yang sama dikenakan (elektron dan muon tau lepton). "Ayunan" adalah disebabkan oleh mekanik kuantum. jenis neutrino tidak malar. Ia berubah dari masa ke masa. Neutrino, yang bermula kewujudannya sebagai e-mel, boleh bertukar menjadi muon, dan kemudian kembali. Oleh itu, zarah, terbentuk di dalam teras matahari, dalam perjalanan ke Bumi boleh secara berkala ditukar kepada neutrino muon dan sebaliknya. Sejak Davis pengesan boleh mengesan hanya elektron neutrino, yang boleh membawa kepada transmutasi nuklear klorin dalam argon, ia seolah-olah mungkin bahawa neutrino yang hilang bertukar menjadi jenis yang lain. (Ia ternyata bahawa neutrino berayun dalam Matahari, dan tidak dalam perjalanan ke Bumi).

Percubaan Kanada

Satu-satunya cara untuk menguji ini adalah untuk mewujudkan satu pengesan yang bekerja untuk ketiga-tiga jenis neutrino. Bermula dari 90-an Arthur McDonald dari Universiti Queen di Ontario, beliau mengetuai pasukan, yang dijalankan di dalam sebuah lombong di Sudbury, Ontario. Pemasangan mengandungi tan air berat, dengan syarat pinjaman oleh Kerajaan Kanada. air berat jarang berlaku, tetapi bentuk yang berlaku secara semula jadi air, di mana hidrogen yang mengandungi satu proton digantikan dengan deuterium isotop yang lebih berat, yang terdiri daripada proton dan neutron. kerajaan Kanada dalam simpanan air berat, m. K. Ia digunakan sebagai bahan pendingin dalam reaktor nuklear. Ketiga-tiga jenis neutrino boleh memusnahkan deuterium untuk membentuk proton dan neutron, neutron dan kemudian dikira. Pengesan berdaftar kira-kira tiga kali ganda bilangan berbanding dengan Davis - tepat jumlah yang paling meramalkan model Matahari. Ini menunjukkan bahawa elektron-neutrino boleh berayun dalam jenis yang lain.

eksperimen jepun

Pada masa yang sama, Takaaki Kadzita dari Universiti Tokyo dijalankan satu lagi percubaan yang luar biasa. A pengesan dipasang dalam aci di Jepun dicatatkan neutrino datang bukan dari kawasan pedalaman di matahari, dan dari atmosfera atas. Dalam perlanggaran proton sinar kosmik dengan suasana yang terbentuk pancuran zarah lain, termasuk neutrino muon. Di lombong mereka ditukar kepada nukleus hidrogen dalam muons. Pengesan Kadzity dapat melihat zarah datang dalam dua arah. Ada yang jatuh dari atas, yang datang dari atmosfera, manakala yang lain sedang bergerak dari bawah. Bilangan zarah adalah berbeza, yang bercakap mengenai sifat mereka yang berbeza - mereka di tempat-tempat yang berbeza dalam kitaran ayunan itu.

Revolusi Sains

Itu semua ayunan eksotik dan mengejutkan, tetapi mengapa neutrino dan jisim menarik perhatian yang begitu banyak? Sebabnya mudah. Dalam model standard fizik zarah asas, yang dibangunkan sejak lima puluh tahun terakhir abad kedua puluh, yang betul menerangkan semua pemerhatian lain dalam pemecut dan eksperimen lain, neutrino harus menjadi tanpa jisim. Penemuan jisim neutrino menunjukkan bahawa ada sesuatu yang hilang. The Standard Model tidak lengkap. Hilang elemen belum ditemui - dengan bantuan daripada Hadron Collider besar atau yang lain, belum lagi dicipta mesin maya.