De partícules de neutrins: definició, propietats, una descripció. les oscil·lacions de neutrins - ET ...

Neutrins - una partícula elemental que és molt similar a la de l'electró, però no té càrrega elèctrica. Té una massa molt petita, que fins i tot pot ser zero. De la massa del neutrí depèn de la velocitat. La diferència en el temps d'arribada i el feix de partícules és 0,0006% (± 0,0012%). El 2011, es va establir durant l'experiment OPERA que la velocitat supera la velocitat dels neutrins lleugers, però independent d'aquesta experiència no ha confirmat.

La partícula difícil d'assolir

Aquesta és una de les partícules més comuns en l'univers. Ja que interactua molt poc amb la matèria, és molt difícil de detectar. Els electrons i els neutrins no participen en la força nuclear forta, però igualment participen en els febles. Les partícules que tenen aquestes propietats es diuen leptons. A més d'electrons (de positrons i antipartícula), referit a la leptons muó carregat (massa 200 d'electrons), tau (3500 massa de l'electró) i la seva antipartícula. Es diuen: electró, muó i neutrins tau. Cadascun d'ells té component antimaterial, trucat un antineutrí.

Muó i tau, com un electró, tenen partícules que s'acompanyen. Es muó i neutrins tau. Tres tipus de partícules diferents uns dels altres. Per exemple, quan els neutrins muó interactuen amb la diana, sempre produeixen muons i mai es tau o electrons. En la reacció de les partícules, encara que són creats i destruïts els electrons i els neutrins d'electrons, la seva suma es manté sense canvis. Aquest fet condueix a una leptons de separació en tres tipus, cadascun dels quals posseeix una leptons carregats i els neutrins adjunt.

Per detectar aquesta partícula necessària una molt grans i altament sensibles detectors. Com a regla general, amb els neutrins de baixa energia viatjarà des de fa molts anys llum a la interacció amb la matèria. En conseqüència, tots els experiments de terra amb ells es basen en el mesurament d'una petita fracció que interactua amb els registradors mida raonable. Per exemple, en un observatori de neutrins Sudbury, que conté 1,000 tones d'aigua pesada passa a través del detector sobre 1012 neutrins solars per segon. I només el 30 per dia trobat.

Història del descobriment

Wolfgang Pauli va postular per primera vegada l'existència de partícules en 1930. En aquell moment, hi havia un problema, perquè semblava que l'energia i el moment angular no s'emmagatzemen a la desintegració beta. Però Pauli va assenyalar que si no s'emet neutrins interactuen partícula neutra, la llei de conservació de l'energia serà observat. físic italià Enrico Fermi en 1934 va desenvolupar la teoria de la desintegració beta, i li va donar el nom de la partícula.

Malgrat totes les prediccions de 20 anys, els neutrins no es pot detectar experimentalment causa de la seva feble interacció amb la matèria. A causa de que les partícules estan carregades elèctricament, no actuen forces electromagnètiques, i, per tant, no causen ionització de la substància. A més, reaccionen amb la substància només a través de les interaccions febles lleugera força. Per tant, són les partícules subatòmiques més penetrants capaços de passar a través d'un gran nombre d'àtoms sense causar cap reacció. Només d'1 a 10 mil milions d'aquests partícules que viatgen a través del teixit per una distància igual al diàmetre de la Terra, reacciona amb protons o neutrons.

Finalment, el 1956 un grup de físics nord-americans, dirigida per Frederick Reines va informar del descobriment de l'electró antineutrí. En els experiments que antineutrins reactor nuclear irradiat, reaccionar amb un protó, formant neutrons i positrons. firmes d'energia únics (i rares) d'aquest últim subproductes era una prova de l'existència de la partícula.

L'obertura leptons carregats muons va ser el punt de partida per a la posterior identificació dels segons neutrins de tipus - muó. La seva identificació es va dur a terme el 1962 sobre la base dels resultats de l'experiment en un accelerador de partícules. neutrins muons decaïment d'alta energia formats per pi-fondes i dirigits al detector de manera que era possible examinar la seva reacció amb la substància. Malgrat el fet que són no reactius, així com altres tipus de partícules, es va trobar que en els rars casos quan reaccionen amb protons o neutrons, muons, muons neutrins, però mai electrons. El 1998, els físics nord-americans Leon Lederman, Melvin Schwartz i Dzhek Shteynberger van ser guardonats amb el Premi Nobel de Física per la identificació de muó neutrins.

A mitjans de la dècada de 1970, la física de neutrins va guanyar un altre tipus de leptons carregats - tau. Tau-neutrí i tau-antineutrins es van associar amb aquesta tercera lepton carregat. En 2000, els físics del Laboratori Nacional de l'Accelerador. Enrico Fermi va informar la primera evidència experimental de l'existència d'aquest tipus de partícules.

pes

Tots els tipus de neutrins tenen massa, que és molt menor que la de les seves parelles carregades. Per exemple, els experiments mostren que la massa del neutrí electrònic ha de ser inferior a 0,002% de la massa de l'electró i la suma de les masses de les tres varietats ha de ser inferior a 0,48 eV. El pensament fa molts anys que la massa de la partícula és zero, encara que no hi va haver evidència teòrica convincent, per què hauria de ser així. Després, en 2002, es va obtenir l'Observatori de Neutrins de Sudbury la primera evidència directa que els neutrins electró emès per les reaccions nuclears en el nucli del sol, sempre que passen a través d'ell, canviar el seu tipus. Tal "oscil·lacions" neutrí possible si un o més de les partícules tenen una massa petita. Els seus estudis de la interacció dels raigs còsmics en l'atmosfera de la Terra també indiquen la presència de la massa, però es necessiten més experiments per definir amb major precisió la mateixa.

fonts

Les fonts naturals de neutrins - una desintegració radioactiva dels elements dins de la terra, que s'emet en un gran flux de baixa energia d'electrons antineutrí. Les supernoves són també neutrins avantatjosament fenomen, ja que aquestes partícules només poden penetrar en el material hiperdens format en un estel en col·lapse; només una petita part de l'energia es converteix en llum. Els càlculs mostren que aproximadament el 2% de l'energia solar - els neutrins d'energia formats en reaccions de termonuclear de fusió. És probable que la major part de la matèria fosca de l'univers es compon dels neutrins produïts durant el Big Bang.

problemes de física

Àrees relacionades amb neutrins astrofísica, i diversos i en ràpida evolució. temes d'actualitat que atrauen un gran nombre d'esforços experimentals i teòrics, el següent:

• Quines són les diferents masses dels neutrins?
• Com afecten a la cosmologia, el Big Bang?
• oscil·len?
• Pot un tipus de neutrí es transforma en una altra mesura que viatgen a través de la matèria i l'espai?
• Neutrins són fonamentalment diferents de les seves antipartícules?
• Com les estrelles col·lapsen per formar una supernova?
• Quin és el paper dels neutrins en la cosmologia?

Un dels problemes de llarga data de particular interès és l'anomenat problema dels neutrins solars. Aquest nom es refereix al fet que durant diversos experiments terrestres realitzats durant els últims 30 anys, contínuament va observar les partícules més petites del que és necessari per produir l'energia irradiada pel sol. Una possible solució és l'oscil·lació, és a dir. E. La transformació de neutrins electrons a muó o tau durant el viatge a la Terra. Llavors, quant més difícil de mesurar muó de baixa energia o els neutrins tau, aquest tipus de transformació es podria explicar per què no veiem la quantitat de partícules a la Terra.

Quart Premi Nobel

Premi Nobel de Física 2015 va ser atorgat a Takaaki Kaji i Arthur MacDonald per a la detecció de la massa dels neutrins. Aquest va ser el quart premi similar associada amb els mesuraments experimentals d'aquestes partícules. Algú pot estar interessat en la qüestió de per què hauríem de preocupar tant per una cosa que tot just interactuen amb la matèria ordinària.

El fet que podem detectar aquestes partícules efímeres, és un testimoni de la inventiva humana. Atès que les regles de la mecànica quàntica, probabilístics, sabem que, malgrat el fet que gairebé la totalitat dels neutrins travessen la Terra, alguns d'ells interactuar amb ell. El detector és capaç de mida prou gran està registrat.

El primer dispositiu d'aquest tipus va ser construït als anys seixanta, en el fons d'una mina a Dakota del Sud. L'eix es va omplir en de 400 mil. De fluid L de neteja. De mitjana neutrins una partícula diària interactua amb un àtom de clor, convertint-la en argó. Increïblement, Raymond Davis, que va ser responsable del detector, va inventar un mètode per a la detecció de múltiples àtoms d'argó, i quatre dècades després, el 2002, per a aquesta increïble obra d'enginyeria va ser guardonat amb el Premi Nobel.

nova astronomia

A causa que els neutrins interactuen tan feblement, que poden viatjar grans distàncies. Ells ens donen una visió dels llocs que d'altra manera mai haguéssim vist. Els neutrins detectat Davis, format com a resultat de reaccions nuclears que van tenir lloc al cor del sol, i van ser capaços de sortir d'aquest seient increïblement densa i calenta només perquè no interactuen amb altres materials. Fins i tot pot detectar els neutrins emesos des del centre d'una estrella que va explotar a una distància de més de cent mil anys llum de la Terra.

A més, aquestes partícules fan que sigui possible observar l'univers en la seva escala molt petita, molt més petita que aquells en què es pot mirar al Gran Col·lisionador d'Hadrons a Ginebra, descobert el bosó de Higgs. És per aquesta raó que el Comitè Nobel va decidir atorgar el Premi Nobel pel descobriment del neutrí d'un altre tipus.

misteriosa escassetat

Quan Ray Davis va observar neutrins solars, es va trobar que només un terç de la quantitat esperada. La majoria dels físics creuen que la raó d'això és l'escàs coneixement de l'astrofísica del sol: potser brillava model subsòl va sobreestimar la quantitat produïda en el seu neutrí. No obstant això, durant molts anys, fins i tot després dels models solars han millorat, el dèficit es va mantenir. Els físics han prestat atenció a una altra possibilitat: el problema podria estar relacionat amb la nostra percepció d'aquestes partícules. D'acord amb la teoria, llavors prevalgut que no tenien el pes. No obstant això, alguns físics han argumentat que, de fet, les partícules tenen una massa infinitesimal, i aquesta massa era la raó de la seva falta.

Tres de partícules-Davant

D'acord amb la teoria de les oscil·lacions de neutrins, en la naturalesa, hi ha tres tipus diferents d'ells. Si una partícula té una massa, que a mesura que es mou pot passar d'un tipus a un altre. Tres tipus - electrons, muons i tau - en la interacció amb la substància poden ser convertits a la corresponent partícula carregada (d'electrons i de tau muó leptons). "Oscil·lació" es deu a la mecànica quàntica. tipus de neutrins no és constant. Canvia amb el temps. Els neutrins, que va començar la seva existència com a correu electrònic, es pot convertir en un muó, i després de tornada. Per tant, una partícula, format en el nucli del sol, en el camí a la terra pot ser convertit periòdicament en neutrins muó i viceversa. Des detector Davis podria detectar només electró-neutrins, que podrien conduir a una transmutació de clor en argó, semblava possible que el neutrí falta convertir en altres tipus. (Resulta que els neutrins oscil·len dins del Sol, i no en la forma de la Terra).

L'experiment canadenc

L'única manera de provar això era crear un detector que treballava per als tres tipus de neutrins. A partir dels anys 90 Arthur McDonald de la Universitat de Queen a Ontario, va portar a l'equip, que es porta a terme en una mina a Sudbury, Ontario. La instal·lació conté tones d'aigua pesada, va atorgar un préstec pel Govern de Canadà. L'aigua pesada és rar, però la forma natural d'aigua, en el qual l'hidrogen que conté un protó se substitueix per la seva més pesat isòtop deuteri, que comprèn un protó i un neutró. govern canadenc emmagatzemant aigua pesada, m. K. S'utilitza com a refrigerant en un reactor nuclear. Els tres tipus de neutrins podrien destruir el deuteri per formar protons i neutrons, els neutrons i després comptats. Detector va registrar al voltant de tres vegades el nombre en comparació amb Davis - exactament la quantitat que millor prediu els models Sun. Això suggereix que els electrons els neutrins poden oscil·lar en els seus altres tipus.

experiment japonès

Gairebé al mateix temps, Takaaki Kadzita de la Universitat de Tòquio va dur a terme un altre experiment notable. Un detector muntat en l'eix al Japó va registrar neutrins no procedent de l'interior del sol, i de l'atmosfera superior. En col·lisions de protons dels raigs còsmics amb l'atmosfera són dutxes d'altres partícules, incloent neutrins muó format. A la mina que es converteixen en els nuclis d'hidrogen en muons. Detector de partícules Kadzity podia veure venir en dues direccions. Alguns van caure del cel, de l'atmosfera, mentre que altres s'estan movent des de la part inferior. El nombre de partícules era diferent, que va parlar sobre la seva diferent naturalesa - que estaven en diferents punts del seu cicle oscil·latori.

Revolució en la ciència

És totes les oscil·lacions exòtics i sorprenents, però ¿per què els neutrins i la massa s'atrauen tanta atenció? La raó és simple. En el model estàndard de la física de partícules elementals, desenvolupat durant els últims cinquanta anys del segle XX, que descriu correctament totes les altres observacions en acceleradors i altres experiments, els neutrins eren per ser sense massa. El descobriment de la massa del neutrí indica que alguna cosa falta. El model estàndard no és completa. elements encara per descobrir que falta - amb l'ajuda del gran col·lisionador d'hadrons o l'altre, encara no s'ha creat la màquina virtual.