Neutrín častíc: definícia, vlastnosti, popis. neutrína oscilácie - je ...

Neutrino - elementárne častice, ktorá je veľmi podobná elektrón, ale to nemá žiadny elektrický náboj. To má veľmi malú hmotnosť, ktorá môže byť aj nulový. Z hmotnosti neutrína závisí na rýchlosti. Rozdiel v čase príchodu a lúča častíc je 0,0006% (± 0,0012%). V roku 2011 bolo zistené v priebehu experimentu OPERA, že rýchlosť prekročí rýchlosť ľahkých neutrín, ale nezávisle od tejto skúsenosti nepotvrdil.

prchavé častice

To je jeden z najčastejších častíc vo vesmíre. Vzhľadom k tomu, že ovplyvňuje veľmi málo s hmotou, je neuveriteľne ťažké odhaliť. Elektróny a neutrína nezúčastňujú silnú nukleárnu silu, ale rovnako tak podieľať na slabé. Častice, ktoré majú také vlastnosti, sa nazývajú leptóny. Okrem elektrón (pozitrón a antičastice), vztiahnuté na nabité leptóny mión (200 hmotnosť elektrónu), tau (3500 hmotnosť elektrónu), a ich antičastice. Nazývajú sa: elektrón, mión a tau neutrína. Každý z nich má antimaterial zložku s názvom antineutríno.

Muon a tau, ako elektrón, majú sprievodné častice. To mión a tau neutrína. Tri typy častíc sa líši od seba navzájom. Napríklad, keď mionového neutrín interakciu s cieľom, vždy produkujú Mióny a nikdy tau alebo elektróny. Pri reakcii častíc, aj keď elektróny a elektrónové neutrína vznikajú a zanikajú, ich súčet zostáva nezmenený. Táto skutočnosť vedie k oddeleniu leptóny do troch typov, z ktorých každý disponuje nabité leptóny a sprievodný neutríno.

Pre detekciu tejto častice vyžaduje veľmi veľké a veľmi citlivé detektory. Spravidla s nízkymi energetickými neutrín bude cestovať mnoho svetelných rokov do interakcie s látkou. V dôsledku toho, všetky pozemné experimenty s nimi sa spoliehajú na meranie malú časť, ktorá spolupracuje s registrátormi primeranej veľkosti. Napríklad, v neutrinový observatórium Sudbury, obsahujúci 1.000 ton ťažkej vody prechádza detektorom asi 1012 slnečných neutrín za sekundu. A našiel iba 30 za deň.

História objavu

Wolfgang Pauli najprv nastolila existenciu častíc v roku 1930. V tej dobe, tam bol problém, pretože sa zdalo, že energia a hybnosti nie sú uložené v beta rozpad. Ale Pauli poukázal na to, že v prípade, že nie je vyžarované neutrína interagujúce neutrálne častice je úspora energie zákon budú sledované. Taliansky fyzik Enrico Fermi v roku 1934 vyvinul teóriu rozpadu beta, a dal jej názov častice.

Cez všetky predikcie 20 rokov, neutrína nemožno zistiť experimentálne vďaka slabej interakcie s látkou. Vzhľadom k tomu, že častice sú elektricky nabité, nepôsobí elektromagnetických síl, a teda nespôsobujú ionizáciu látky. Navyše, reagujú s látkou len pomocou slabých interakcií miernu silou. Preto sú najviac preniká elementárne častice, ktoré sú schopné prechádzať veľkým počtom atómov, bez toho aby došlo k reakcii. 1 až 10 miliárd týchto častíc prechádzajúce tkaniny o vzdialenosť, ktorá sa rovná priemeru Zeme, reaguje s protóny alebo neutróny.

A konečne, v roku 1956 skupina amerických fyzikov vedená Frederick Reines ohlásil objav elektrónu antineutríno. Pri pokusoch sa antineutríno spôsobovaný jadrový reaktor, sa nechá reagovať s protónom, vytvárajúci neutróny a pozitróny. Unikátny (a vzácne) energetické podpisy druhej vedľajších produktov bol dôkaz o existencii častice.

Otvorenie nabité leptóny mióny bola východiskovým bodom pre následnú identifikáciu druhých neutrín typu - mión. Ich identifikácia bola vykonaná v roku 1962 na základe výsledkov experimentu v urýchľovači častíc. Vysokoenergetické muons rozpadu neutrín tvorené PI-mesons a smerujúce k detektoru tak, aby bolo možné posúdiť ich reakcie s látkou. Napriek skutočnosti, že sú nereaktívna, ako aj iné typy častíc, bolo zistené, že v zriedkavých prípadoch, keď reagujú s protónmi alebo neutrónmi, mióny, neutrín mióny, ale nikdy elektróny. V roku 1998 americkí fyzici Leon Lederman, Melvin Schwartz a Dzhek Shteynberger bola udelená Nobelova cena za fyziku pre identifikáciu miónové neutrín.

V polovici 1970, neutríno fyzike získal iný druh nabitých leptónov - tau. Tau-neutríno a tau-antineutríno boli spojené s týmto tretím nabitý leptón. V roku 2000 fyzici v Národnom Accelerator Laboratory. Enrico Fermi ohlásil prvý experimentálny dôkaz o existencii tohto druhu častíc.

závažia

Všetky typy neutrín má hmotnosť, ktorá je oveľa menšia ako u svojich partnerov nabité. Napríklad, experimenty ukazujú, že hmotnosť elektrónu neutríno musí byť menší ako 0,002% elektrónového hmoty a súčet hmotností všetkých troch druhov by mal byť menší ako 0,48 eV. Predstava, že po mnoho rokov, že hmotnosť častíc je nula, aj keď neexistuje žiadny závažný teoretický dôkaz, prečo by malo byť týmto spôsobom. Potom, v roku 2002, Sudbury Neutrino observatórium bola získaná prvý priamy dôkaz, že elektrón neutrín emitovaného jadrových reakcií v jadre slnko, tak dlho, kým sa prejsť, zmeniť jeho typ. Takéto "kmitanie" neutrín možné, ak jeden alebo viac z častíc má malú hmotnosť. Ich štúdie interakcií kozmického žiarenia v zemskej atmosfére tiež ukazujú na prítomnosť hmoty, je však potrebné ďalšie pokusy, aby presnejšie definovať.

zdroje

Prírodné zdroje neutrín - rádioaktívny rozpad z prvkov v krajine, ktoré je vyžarované vo veľkom prietoku nízkoenergetické elektrónové antineutríno. Supernovae sú tiež s výhodou neutrín jav, pretože tieto častice môžu prenikať iba hyperdenzné materiál vytvorený v kolabujúcej hviezdy; iba malá časť energie sa premení na svetlo. Výpočty ukazujú, že asi 2% slnečnej energie - energia neutrín vytvorené v reakciách termonukleárnej fúzie. Je pravdepodobné, že väčšina z temnej hmoty vo vesmíre sa skladá z neutrín produkovaných pri Veľkom tresku.

problémy fyzika

Oblasti súvisiace s neutríno astrofyziku a rozmanité a rýchlo vyvíja. Aktuálne problémy, ktoré priťahujú veľký počet experimentálnych a teoretických úsilie, nasledujúce:

• Aké sú rôzne neutrín masy?
• Ako sa majú vplyv na kozmológii, veľký tresk?
• oni oscilovať?
• Môže jeden typ neutrína otočí do druhého, zatiaľ čo oni cestujú cez hmoty a vesmíru?
• Sú neutrína zásadne líši od ich antičastíc?
• Ako hviezdy kolaps tvoriť supernova?
• Aká je úloha neutrín v kozmológii?

Jedným z dlhodobých problémov osobitného záujmu je takzvaný slnečné neutríno problém. Toto meno sa odvoláva na skutočnosť, že v priebehu niekoľkých pozemných experimentoch vykonávaných v priebehu posledných 30 rokov neustále pozorované častice menšie, ako je potrebné na výrobu energie, vyžarované slnkom. Jedným z možných riešení je kmitanie, tj. E. Transformácia elektrónových neutrín na mión alebo tau počas cesty k Zemi. Tak, ako oveľa ťažšie merať nízkoenergetického mión alebo tau neutrína, tento druh transformácie by vysvetľovalo, prečo nevidíme správne množstvo častíc na Zemi.

Štvrtý Nobelova cena

Nobelova cena za fyziku 2015 bola udelená Takaaki Kaji a Arthur MacDonald pre detekciu neutrína. Jednalo sa o štvrtej podobný cena spojená s experimentálnymi meraniami týchto častíc. Niekto môže mať záujem na otázku, prečo by sme sa mali starať toľko o niečom, čo ťažko komunikovať s bežnou hmotou.

Skutočnosť, že sme schopní detekovať tieto prchavé častice, je dôkazom ľudskej vynaliezavosti. Vzhľadom k tomu, pravidiel kvantovej mechaniky, pravdepodobnostné, vieme, že aj napriek skutočnosti, že takmer všetky neutrín prechádza Zemou, niektoré z nich budú komunikovať s ním. Detektor je schopný dostatočne veľké veľkosti je registrovaný.

Prvé takéto zariadenie bola postavená v šesťdesiatych rokoch, hlboko v bani v Južnej Dakote. Šachta bola naplnená 400 tisíc. Čistiace L tekutiny. V priemere neutrín jeden častíc denne interaguje s atómom chlóru, premenou argónom. Je neuveriteľné, že Raymond Davis, ktorý bol zodpovedný za detektora, vynašiel metódu na detekciu viac atómov argónu, a štyri desiatky rokov neskôr, v roku 2002, tento úžasný inžinierske čin mu bola udelená Nobelova cena.

nová astronómie

Vzhľadom k tomu, neutrína interagujú tak slabo, môžu cestovať na veľké vzdialenosti. Dávajú nám nahliadnuť do miest, ktoré inak by sme nikdy nevidel. Neutrína detekovať Davisa, sa tvoril v dôsledku jadrových reakcií, ktoré sa konali v srdci Slnko, a boli schopní opustiť tento neuveriteľne husté a horúce sedadlo len preto, že nemajú komunikovať s inou záležitosť. Môžete dokonca detekovať neutrína emitované zo stredu explodujúcej hviezdy vo vzdialenosti viac ako sto tisíc svetelných rokov od Zeme.

Okrem toho, tieto častice, aby bolo možné pozorovať vesmír v jeho veľmi malom meradle, oveľa menšie, než v ktorých sa pozrieť do Veľkého hadrónového urýchľovača v Ženeve, objavili Higgsov bozón. Je to z toho dôvodu, že Nobelov výbor rozhodol udeliť Nobelovu cenu za objav neutrína iného typu.

tajomný nedostatok

Keď Ray Davis poznamenal slnečných neutrín, našiel len tretinu predpokladaného množstva. Väčšina fyzikov verí, že dôvodom je neznalosť astrofyziky Slnko: možná svietilo modelu podložia precenili množstvo produkovaného v jeho neutríno. Avšak, na mnoho rokov, a to aj potom, čo solárne modely zlepšila, deficit zostal. Fyzici venovaná pozornosť iné možnosti: problém by mohla súvisieť s naším vnímaním týchto častíc. Podľa teórie, potom prevažovali nemali váhu. Ale niektorí fyzici tvrdili, že v skutočnosti častice majú nekonečne hmotu a táto hmota bola dôvodom pre ich nedostatok.

Three-Faced častíc

Podľa teórie neutrín osciláciami, v prírode, existujú tri rôzne druhy z nich. Ak častice má hmotnosť, ktorá, ako sa pohybuje môže prechádzať z jedného druhu do iného. Tri typy - elektróny, mióny a tau - v interakcii s látkou môžu byť prevedené na zodpovedajúce nabité častice (elektrón a muon tau leptóny). "Oscilácia" je kvôli kvantovej mechaniky. typ neutrín nie je konštantná. To sa mení v priebehu času. Neutrína, ktorá začala svoju existenciu ako e-mailu, môže premeniť v mión, a potom späť. Teda častice, vytvorené v jadre Slnka, na ceste k Zemi možno periodicky previesť na mionových neutrín a naopak. Vzhľadom k tomu, detektor Davis mohol objaviť iba elektróny, neutrín, ktoré by mohli viesť k jadrovej transmutácie chlóru v argónu, sa zdalo možné, že chýba neutrín otočil do iných typov. (Ukazuje sa, že neutrína oscilujú vnútri Slnka, a nie na ceste k Zemi).

kanadský experiment

Jediným spôsobom, ako tento test bolo vytvoriť detektor, ktorý pracoval pre všetky tri typy neutrín. Počnúc 90. Arthur McDonald z Kráľovskej univerzity v Ontáriu, viedol tím, ktorý sa vykonáva v bane v Sudbury, Ontario. Inštalácia obsahuje ton ťažkej vody, poskytla pôžičku od vlády Kanady. Ťažká voda je vzácna, ale prirodzene sa vyskytujúce forma vody, v ktorom je atóm vodíka, obsahujúci jeden protón nahradený svojim ťažším izotopom deutérium, ktorá obsahuje protón a neutrón. Kanadská vláda zásoby ťažkej vody, m. K. Používa sa ako chladivo v jadrovom reaktore. Všetky tri typy neutrín môže zničiť deutérium tvoriť protóny a neutróny, neutróny a spočítané. Detektor registrované zhruba trojnásobok počtu v porovnaní s Davisom - presne také, ktoré najlepšie predpovedal modely slnka. To naznačuje, že elektrón-neutrína sa môže pohybovať vo svojich ďalších typov.

japonský experiment

Približne v rovnakom čase, Takaaki Kadzita z University of Tokyo vykonané ďalší pozoruhodný experiment. Detektor namontovaný na hriadeli v Japonsku zaznamenaný neutrín neprichádza z vnútra slnko, a z horných vrstiev atmosféry. V protónových zrážok kozmického žiarenia s atmosférou sú tvorené sprchy iných častíc, vrátane mionových neutrín. V bani, ktoré sú prevedené na jadier vodíka v mióny. Detektor Kadzity videl častice prichádzajú v dvoch smeroch. Niektoré spadol z výšky, vychádzajúce z atmosféry, zatiaľ čo iní sa pohybujú od dna. Počet častíc bol odlišný, že hovorí o ich odlišné povahy - boli na rôznych miestach v oscilujúceho cyklu.

Revolúcia vo vede

Je to všetko exotické a prekvapivé, ale prečo neutríno oscilácie a hmota priťahovať toľko pozornosti? Dôvod je jednoduchý. V štandardnom modeli fyziky elementárnych častíc, ktorý bol vyvinutý v posledných päťdesiatich rokoch dvadsiateho storočia, ktorý správne popisuje všetky ostatné pozorovanie v urýchľovači a ďalších experimentoch neutrína mali byť nehmotné. Objav neutrína naznačuje, že niečo chýba. Štandardný model nie je kompletný. Chýbajúce prvky doteraz neobjavené - pomocou Large Hadron Collider alebo iný, doteraz nevytvoril virtuálny stroj.