Eitrun af neutrino: skilgreining, eiginleikar, lýsing. Oscillations af nifteindir eru ...

A neutrino er grunnkorn, sem er mjög svipað rafeind, en hefur engin rafhleðsla. Það hefur mjög lítið massa, sem getur jafnvel verið núll. Neutrino hraða veltur einnig á massa. Munurinn á komutíma agna og ljóss er 0,0006% (± 0,0012%). Árið 2011, í OPERA tilrauninni, kom í ljós að hraði neutrinos er hraðar en ljós, en sjálfstæð reynsla hefur ekki staðfest þetta.

Elusive Particle

Þetta er ein algengasta agnir í alheiminum. Þar sem það hefur mjög mikil áhrif á málið, er það ótrúlega erfitt að uppgötva. Rafeindir og hlutleysiskenningar taka ekki þátt í sterkum kjarnaviðskiptum, heldur taka jafnan þátt í þeim veikburða. Particles með slíkar eignir eru kallaðir leptons. Í viðbót við rafeindin (og mótefni þess, jákvæðin), eru innheimtar leptonar muon (200 rafeindamassar), tau (3500 rafeindamassar) og mótefni þeirra. Þau eru kallað svo: rafeind, muon og tau nifteindir. Hver þeirra hefur efni sem inniheldur efni sem kallast antineutrinos.

Múon og tau, eins og rafeind, hafa agnir sem fylgja þeim. Það er muon og tau neutrino. Þrjár gerðir af agna eru frábrugðnar hver öðrum. Til dæmis, þegar múon nifteindir hafa samskipti við miða, framleiða þau alltaf múron og aldrei tau eða rafeindir. Í samskiptum agna, þó að rafeindir og rafeindaræðarhvöt geta verið búnar til og eytt, þá er summan þeirra óbreytt. Þessi staðreynd leiðir til aðskilnað leptónanna í þrjár gerðir, sem hver um sig er með hleðsluna og meðfylgjandi neutrínó.

Til að greina þessa agna þarf mjög stór og ákaflega viðkvæm skynjari. Venjulega, lág-orku nifteindir munu ferðast í mörg ljósárum áður en þau hafa áhrif á málið. Þar af leiðandi byggjast öll grundvallarforsendur með þeim á að mæla lítið brot þeirra í samskiptum við upptökutæki af sanngjörnum stærð. Til dæmis, í Sudbury Neutrino stjörnustöðinni, sem inniheldur 1000 tonn af þungu vatni, fara um 1012 sólskinar í sekúndu í gegnum skynjari. Og aðeins 30 á dag er að finna.

Saga uppgötvunarinnar

Wolfgang Pauli var fyrstur til að postulate tilvist agna árið 1930. Á þeim tíma kom upp vandamál, vegna þess að það virtist að orka og hyrningur skriðþráði ekki viðvarandi í beta rotnun. En Pauli benti á að ef engin hlutlaus neutrínóþáttur er losaður, þá mun lögmál varðveislu orku vera viðvarandi. Ítalska eðlisfræðingur Enrico Fermi árið 1934 þróaði kenningar um beta rotnun og gaf partýinu nafn sitt.

Þrátt fyrir allar spár, var ekki hægt að greina neutrinos í 20 ár fyrir tilraunastarfsemi vegna veikrar samskipta við málið. Þar sem agnirnar eru ekki rafmagns hleðslustraumar, starfa þau ekki á þau og þar af leiðandi veldur þau ekki jónun efnisins. Að auki bregst þau aðeins við málefni með veikum samskiptum af óverulegan afl. Þess vegna eru þau mest gervigreindar líffræðilegir agnir sem geta flutt í gegnum mikinn fjölda atóma án þess að valda neinum viðbrögðum. Aðeins 1 af hverjum 10 milljörðum þessara agna, sem ferðast um efni í fjarlægð sem jafngildir þvermál jarðarinnar, bregst við róteind eða nifteind.

Að lokum, árið 1956 tilkynnti hópur bandarískra eðlisfræðinga, undir stjórn Frederick Raines, uppgötvun rafeinda-antineutrinos. Í tilraunum hennar voru antineutrinos sem gefin voru út af kjarnakljúfur samskipti við róteindir, sem mynduðu nifteindir og jákvæðir. Einstök (og sjaldgæft) orku undirskrift þessara síðara aukaafurða hafa orðið merki um tilvist agna.

Uppgötvun hlaðinna muon leptons varð upphafspunktur fyrir síðari auðkenningu á annarri tegund af neutrino-muon. Kennslan þeirra var framkvæmd árið 1962 á grundvelli niðurstaðna tilraunar í agnaeldsneytisgjöf. Múon-nifteindir með mikla orku voru myndaðir með rotnun pípa og voru beint að skynjari á þann hátt að viðbrögð þeirra við mál gætu verið rannsökuð. Þrátt fyrir að þau séu ekki viðbrögð, eins og aðrar tegundir þessara agna, kom í ljós að í mjög sjaldgæfum tilfellum þegar þau hvarfðu við róteindir eða nifteindir myndu múon neutrinos mynda múron, en aldrei rafeindir. Árið 1998 fengu bandarískir eðlisfræðingar Leon Lederman, Melvin Schwarz og Jack Steinberger Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði til að bera kennsl á neutrínur í muon.

Um miðjan áttunda áratuginn var neutrino eðlisfræði bætt við annarri tegund hleðslubúnaðar - tau. Tau neutrinos og tau antineutrinos komu í ljós við þetta þriðja hleðsluna. Árið 2000, eðlisfræðingar í National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi tilkynnti fyrstu tilraunagögnin um tilvist þessarar tegundar agna.

Þyngd

Allar tegundir af daufkyrningum hafa massa sem er mun minni en hinir ákærðu samstarfsaðilar. Til dæmis sýna tilraunir að rafeinda-nifteindarmassinn ætti að vera minna en 0,002% af rafeindamassanum og að summa massans af þremur tegunda ætti að vera minni en 0,48 eV. Í mörg ár virtist að massi agna var núll, þrátt fyrir að engar sannfærandi fræðilegar vísbendingar væru fyrir því að þetta ætti að vera svo. Síðan, árið 2002, í Neutrino-stjörnustöðinni í Sudbury, voru fyrstu bein sönnunargögn fengin að rafeinda-nifteindin sem gefin eru út af kjarnakvörnum í kjarna sólarinnar þegar þau fara í gegnum það breytast gerð þeirra. Slík "sveiflur" af nifteindum eru mögulegar ef einn eða fleiri tegundir agna hafa ákveðna lítinn massa. Rannsóknir þeirra á samspil geislalaga í andrúmslofti jarðar benda einnig til þess að massi sé til staðar, en frekari tilraunir eru nauðsynlegar til að ákvarða nákvæmlega það.

Heimildir

Náttúrulegar uppsprettur nifteindanna eru geislavirkar rotnun frumefna í þörmum jarðarinnar, þar sem stór rennsli af rafeindum með lág-orku og antineutrinos er losuð. Supernovae eru einnig aðallega neutrino fyrirbæri, þar sem aðeins þessi agnir geta komið í gegnum superdense efni sem myndast í hrynjandi stjörnu; Aðeins lítill hluti orkunnar er breytt í ljós. Útreikningar sýna að u.þ.b. 2% orkunnar í sólinni er orka neutrínósa sem myndast í viðbrögðum kjarnahluta . Líklegt er að flestir dimmu efnisins í alheiminum samanstendur af hlutleysi sem myndast á Big Bang.

Vandamál í eðlisfræði

Svæðið sem tengist hlutleysiskyni og astrophysics eru fjölbreytt og ört vaxandi. Núverandi mál, sem felur í sér mikinn fjölda tilrauna og fræðilegra aðgerða, eru sem hér segir:

• Hver eru massarnir af mismunandi hlutleysiskjörum?
• Hvernig hafa þau áhrif á kosmóka Big Bang?
• Veltu þeir?
• Getur neutrino af einni tegund snúið inn í aðra eins lengi og þeir ferðast í gegnum efni og pláss?
• Eru nifteindir grundvallaratriðum frábrugðnar mótefni þeirra?
• Hvernig brjóta stjörnurnar niður og mynda yfirnáttúrufræðinga?
• Hver er hlutverk taugakvilla í heimspeki?

Eitt af langvarandi vandamálum af sérstökum hagsmunum er svokölluð vandamál af nifteindum í sólinni. Þetta heiti vísar til þeirrar staðreyndar að í nokkrum jörðarsýnum sem gerðar hafa verið á síðustu 30 árum voru minna agnir stöðugt framkvæmdar en nauðsynlegt er til að framleiða orku sem sólin geislar. Eitt af mögulegum lausnum hennar er sveifla, þ.e. breyting á rafrænu hlutleysiskúlum til múonic eða tau þegar þeir ferðast til jarðar. Þar sem það er mun erfiðara að mæla lág-orku muon- eða tau-nifteindir, gæti þessi umbreyting útskýrt af hverju ekki sé farið eftir réttum fjölda agna á jörðinni.

Fjórða Nóbelsverðlaunin

Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2015 hlaut Takaaki Kadzite og Arthur MacDonald til að uppgötva neutrínósmassann. Þetta var fjórði slíkur verðlaun, sem tengist tilraunum mælinga þessara agna. Einhver kann að hafa áhuga á spurningunni um hvers vegna við ættum að hafa áhyggjur af því sem neikvæður er í sambandi við venjulegt mál.

Eina staðreyndin að við getum greint þessar ephemeral agnir er vitnisburður um mannlegt hugvitssemi. Þar sem reglur kvaðmufíknanna eru líkleg, vitum við að þrátt fyrir að næstum öll nifteindir fara í gegnum jörðina, munu sumir þeirra hafa samskipti við það. A skynjari með nógu stórri stærð getur skráð hana.

Fyrsta slíkt tæki var byggt á sjöunda áratugnum djúpt í min í Suður-Dakóta. Míninn var fyllt með 400 þúsund lítra af hreinsivökva. Að meðaltali snertir einn agna neutrinos við klóratómið á hverjum degi og breytir því í argon. Ótrúlega, Raymond Davis, sem hefur umsjón með skynjari, kom upp leið til að greina þessar fáeinar argónatóm, og fjórum áratugum síðar 2002, fyrir þessa ótrúlega tæknilega feat, hlaut hann Nóbelsverðlaunin.

Ný stjörnufræði

Vegna þess að daufkyrningafræður hafa samskipti svo veikburða, geta þeir ferðast um langt fjarlægð. Þeir gefa okkur tækifæri til að skoða staði sem við hefðum aldrei séð. Neutrinos, uppgötvað af Davis, voru myndast vegna kjarnakljúfa sem áttu sér stað í miðju sólinni og gætu skilið þessa ótrúlega þéttu og heita stað aðeins vegna þess að þeir hafa neikvæð samskipti við önnur mál. Maður getur jafnvel uppgötvað neutrino fljúgandi frá miðju sprungandi stjörnu í fjarlægð meira en eitt hundrað þúsund ljósár frá Jörðinni.

Að auki gera þessar agnir mögulegt að fylgjast með alheiminum á mjög litlum vogum, miklu minni en þeim sem Stórhútruskollinn í Genf getur séð, sem uppgötvaði Higgs bosóninn. Það er af þessum sökum að Nóbelsnefndin ákvað að veita Nóbelsverðlaunin til uppgötvunar annars konar neutrínós.

Mysterious skortur

Þegar Ray Davis kom fram í sólinnihvarfinu fann hann aðeins þriðjung af áætluðu fjölda daufkyrningafæðar. Flestir eðlisfræðingar töldu að ástæðan fyrir þessu sé léleg þekking á astrophysics sólinni: kannski breyttu líkönin í þörmum sólarinnar fjölda neutrinos sem framleidd voru í henni. Engu að síður, í mörg ár, jafnvel eftir að sólkerfin batna, hélst hallinn. Eðlisfræðingar vekja athygli á annarri möguleika: Vandamálið gæti verið tengt hugmyndum okkar um þessar agnir. Í samræmi við þá tilheyrandi kenningu, áttu þeir ekki massa. En sumir eðlisfræðingar héldu því fram að í raun hafi ögnin óendanlega massa og þessi massa var ástæðan fyrir skorti þeirra.

Þríhyrnd agna

Samkvæmt kenningu um neutrino sveiflur eru þrjár mismunandi tegundir af nifteindum í náttúrunni. Ef particle hefur massa, þá getur það farið frá einum tegund til annars þegar það hreyfist. Þrjár gerðir - rafeind, muon og tau - geta haft samskipti við málið í samsvarandi hleðslutæki (rafeind, muon eða tau lepton). "Oscillation" er vegna skammtafræði. Tegund neutrínós er ekki stöðug. Það breytist með tímanum. The neutrino, sem byrjaði tilveru sína sem rafræn, getur breytt í muon, og þá aftur. Þannig getur particle sem myndast í kjarna sólsins, á leiðinni til jarðarinnar, reglulega orðið í muon neutrino og öfugt. Þar sem Davis skynjari gæti aðeins greint rafeinda-neutrínó sem getur leitt til kjarnorkueyðingar klórs í argón, virtist mögulegt að nefnt neutrinos breyttist í aðrar gerðir. (Eins og það kom í ljós, eru nifteindir sveiflast í sólinni og ekki á leiðinni til jarðar).

Kanadíska tilraun

Eina leiðin til að sannreyna þetta var að búa til skynjari sem virkaði fyrir allar þrjár tegundir af nifteindum. Síðan á níunda áratugnum lék Arthur MacDonald frá Royal University of Ontario liðið sem flutti það út í námunni í Sudbury, Ontario. Uppsetningin innihélt tonn af þungu vatni sem ríkisstjórn Kanada gaf. Þungt vatn er sjaldgæft en náttúrulegt vatnshvatn þar sem vetni sem inniheldur eitt prótón er skipt út fyrir þyngri samhverfuþykkni sem inniheldur prótón og nifteind. Kanadíska ríkisstjórnin hefur geymt mikið vatn, þar sem það er notað sem kælivökva í kjarnakljúfum. Allar þrjár tegundir af daufkyrningum gætu eyðilagt deuteríum með myndun róteindar og nifteindar og neutrur voru síðan talin. The skynjari skráð um þrisvar sinnum fjölda agna samanborið við Davis - nákvæmlega sú upphæð sem spáð var með bestu líkanum sólarinnar. Þetta gerði okkur kleift að gera ráð fyrir að rafeind-neutrínan geti sveiflast í aðrar gerðir.

Japanska tilraunin

Um sama tíma tók Takaaki Kajita frá Tókýó-háskólanum aðra merkilega tilraun. A skynjari sett í min í Japan skráð neutrinos sem koma ekki frá djúpum sólinni en frá efri lögum lofthjúpsins. Í árekstri prótónna í geimnum með andrúmsloftið myndast sturtur af öðrum agnum, þar á meðal múon neutrinos. Í námunni breyttu þeir kjarnanum vetni í múron. The skynjari Kajita gæti fylgst með agnum sem koma í tveimur áttum. Sumir féllu frá uppi, koma frá andrúmsloftinu, en aðrir fluttu frá neðan. Fjöldi agna var öðruvísi, sem benti til mismunandi náttúru - þau voru á mismunandi stöðum á sveiflum sínum.

Coup í vísindum

Það er allt framandi og ótrúlegt, en af hverju vekja sveiflur og neutrínósmassar svo mikla athygli að sjálfum sér? Ástæðan er einföld. Í stöðluðu gerð frumefnafræðilegra eðlisfræðilegra efna, sem þróuð var á síðustu fimmtíu árum tuttugustu aldarinnar, sem rétt lýsti öllum öðrum athugunum í eldsneytisgjöfum og öðrum tilraunum, þurftu hlutleysingar að vera massalausir. Uppgötvun neutrínósmassans gefur til kynna að eitthvað vantar. Venjulegt líkan er ekki lokið. Skortur á þremur þáttum þarf ekki að uppgötva - með hjálp Large Hadron Collider eða annarrar, ekki enn búinn til vél.