Neutrin částic: definice, vlastnosti, popis. neutrina oscilace - je ...

Neutrino - elementární částice, která je velmi podobná elektron, ale to nemá žádný elektrický náboj. To má velmi malou hmotnost, která může být i nulový. Z hmotnosti neutrina závisí na rychlosti. Rozdíl v době příjezdu a paprsku částic je 0,0006% (± 0,0012%). V roce 2011 bylo zjištěno v průběhu experimentu OPERA, že rychlost překročí rychlost lehkých neutrin, ale nezávisle na této zkušenosti nepotvrdil.

Prchavé částice

To je jeden z nejčastějších částic ve vesmíru. Vzhledem k tomu, že ovlivňuje velmi málo s hmotou, je neuvěřitelně obtížné odhalit. Elektrony a neutrina neúčastní silnou nukleární sílu, ale stejně tak podílet na slabé. Částice, které mají takové vlastnosti, se nazývají leptony. Kromě elektron (pozitron a antičástice), vztaženo na nabité leptony mionem (200 hmotnost elektronu), tau (3500 hmotnost elektronu), a jejich antičástice. Nazývají se: elektron, mion a tau neutrina. Každý z nich má antimaterial složku s názvem antineutrino.

Muon a tau, jako elektron, mají doprovodné částice. To mion a tau neutrina. Tři typy částic se liší od sebe navzájem. Například, když mionového neutrin interakci s cílem, vždy produkují Miony a nikdy tau nebo elektrony. Při reakci částic, i když elektrony a elektronová neutrina vznikají a zanikají, jejich součet zůstává nezměněn. Tato skutečnost vede k oddělení leptony do tří typů, z nichž každý disponuje nabité leptony a doprovodný neutrino.

Pro detekci této částice vyžaduje velmi velké a velmi citlivé detektory. Zpravidla s nízkými energetickými neutrin bude cestovat mnoho světelných let do interakce s látkou. V důsledku toho, všechny pozemní experimenty s nimi se spoléhají na měření malou část, která spolupracuje s registrátory přiměřené velikosti. Například, v neutrinovém observatoř Sudbury, obsahující 1.000 tun těžké vody prochází detektorem asi 1012 slunečních neutrin za sekundu. A našel pouze 30 za den.

Historie objevu

Wolfgang Pauli nejprve postuloval existenci částic v roce 1930. V té době, tam byl problém, protože se zdálo, že energie a hybnosti nejsou uloženy v beta rozpad. Ale Pauli poukázal na to, že v případě, že není emitováno neutrina interagující neutrální částice je úspora energie zákon budou sledovány. Italský fyzik Enrico Fermi v roce 1934 vyvinul teorii rozpadu beta, a dal jí název částice.

Přes všechny predikce 20 let, neutrina nelze zjistit experimentálně díky slabé interakce s látkou. Vzhledem k tomu, že částice jsou elektricky nabité, nepůsobí elektromagnetických sil, a tudíž nezpůsobují ionizaci látky. Navíc, reagují s látkou pouze pomocí slabých interakcí mírnou silou. Proto jsou nejvíce proniká elementární částice, které jsou schopné procházet velkým počtem atomů, aniž by došlo k reakci. 1 až 10 miliard těchto částic projíždějící tkaniny o vzdálenost, rovnající se průměru Země, reaguje s protony nebo neutrony.

A konečně, v roce 1956 skupina amerických fyziků vedená Frederick Reines ohlásil objev elektronu antineutrino. Při pokusech se antineutrina vyzařovaný jaderný reaktor, se nechá reagovat s protonem, vytvářející neutrony a pozitrony. Unikátní (a vzácné) energetické podpisy druhé vedlejších produktů byl důkaz o existenci částice.

Otevření nabité leptony miony byla výchozím bodem pro následnou identifikaci druhých neutrin typu - mion. Jejich identifikace byla provedena v roce 1962 na základě výsledků experimentu v urychlovači částic. Vysokoenergetické muons rozpadu neutrin tvořené PI-mesons a směřující k detektoru tak, aby bylo možné posoudit jejich reakce s látkou. Navzdory skutečnosti, že jsou nereaktivní, jakož i jiné typy částic, bylo zjištěno, že ve vzácných případech, kdy reagují s protony nebo neutrony, miony, neutrin miony, ale nikdy elektrony. V roce 1998 američtí fyzici Leon Lederman, Melvin Schwartz a Dzhek Shteynberger byla udělena Nobelova cena za fyziku pro identifikaci mionové neutrin.

V polovině 1970, neutrino fyzice získal jiný druh nabitých leptonů - tau. Tau-neutrino a tau-antineutrina byly spojeny s tímto třetím nabitý lepton. V roce 2000 fyzikové v Národním Accelerator Laboratory. Enrico Fermi ohlásil první experimentální důkaz o existenci tohoto druhu částic.

závaží

Všechny typy neutrin má hmotnost, která je mnohem menší než u svých partnerů nabité. Například, experimenty ukazují, že hmotnost elektronu neutrino musí být menší než 0,002% elektronového hmoty a součet hmotností všech tří druhů by měl být menší než 0,48 eV. Představa, že po mnoho let, že hmotnost částic je nula, i když neexistuje žádný závažný teoretický důkaz, proč by mělo být tímto způsobem. Poté, v roce 2002, Sudbury Neutrino observatoř byla získána první přímý důkaz, že elektron neutrin emitovaného jaderných reakcí v jádru slunce, tak dlouho, dokud se projít, změnit jeho typ. Takové „kmitání“ neutrin možné, pokud jeden nebo více z částic má malou hmotnost. Jejich studie interakcí kosmického záření v zemské atmosféře také ukazují na přítomnost hmoty, je však zapotřebí další pokusy, aby přesněji definovat.

zdroje

Přírodní zdroje neutrin - radioaktivní rozpad z prvků v zemi, které je vyzařované ve velkém průtoku nízkoenergetické elektronové antineutrino. Supernovae jsou také s výhodou neutrin jev, protože tyto částice mohou pronikat pouze hyperdenzní materiál vytvořený v kolabující hvězdy; pouze malá část energie se přemění na světlo. Výpočty ukazují, že asi 2% sluneční energie - energie neutrin vytvořené v reakcích termonukleární fúze. Je pravděpodobné, že většina z temné hmoty ve vesmíru se skládá z neutrin produkovaných při Velkém třesku.

problémy fyzika

Oblasti související s neutrino astrofyziku a rozmanité a rychle vyvíjí. Aktuální problémy, které přitahují velký počet experimentálních a teoretických úsilí, následující:

• Jaké jsou různé neutrin masy?
• Jak se mají vliv na kosmologii, velký třesk?
• oni oscilovat?
• Může jeden typ neutrina otočí do druhého, zatímco oni cestují přes hmoty a vesmíru?
• Jsou neutrina zásadně liší od jejich antičástic?
• Jak hvězdy kolaps tvořit supernova?
• Jaká je role neutrin v kosmologii?

Jedním z dlouhodobých problémů zvláštního zájmu je takzvaný sluneční neutrino problém. Toto jméno se odkazuje na skutečnost, že v průběhu několika pozemních experimentech prováděných v průběhu posledních 30 let neustále pozorované částice menší, než je nutné k výrobě energie, vyzařované sluncem. Jedním z možných řešení je kmitání, tj. E. Transformace elektronových neutrin na mion nebo tau během cesty k Zemi. Tak, jak mnohem obtížnější měřit nízkoenergetického mion nebo tau neutrina, tento druh transformace by vysvětlovalo, proč nevidíme správné množství částic na Zemi.

Čtvrtý Nobelova cena

Nobelova cena za fyziku 2015 byla udělena Takaaki Kaji a Arthur MacDonald pro detekci neutrina. Jednalo se o čtvrté podobný cena spojená s experimentálními měřeními těchto částic. Někdo může mít zájem na otázku, proč bychom se měli starat tolik o něčem, co stěží komunikovat s běžnou hmotou.

Skutečnost, že jsme schopni detekovat tyto prchavé částice, je důkazem lidské vynalézavosti. Vzhledem k tomu, pravidel kvantové mechaniky, pravděpodobnostní, víme, že i přes skutečnost, že téměř všechny neutrin prochází Zemí, některé z nich budou komunikovat s ním. Detektor je schopen dostatečně velké velikosti je registrován.

První takové zařízení byla postavena v šedesátých letech, hluboko v dole v Jižní Dakotě. Šachta byla naplněna 400 tisíc. Čisticí L tekutiny. V průměru neutrin jeden částic denně interaguje s atomem chloru, přeměnou argonem. Je neuvěřitelné, že Raymond Davis, který byl zodpovědný za detektoru, vynalezl metodu pro detekci více atomů argonu, a čtyři desítky let později, v roce 2002, tento úžasný inženýrské čin mu byla udělena Nobelova cena.

nová astronomie

Vzhledem k tomu, neutrina interagují tak slabě, mohou cestovat na velké vzdálenosti. Dávají nám nahlédnout do míst, která jinak bychom nikdy neviděl. Neutrina detekovat Davise, se tvořil v důsledku jaderných reakcí, které se konaly v srdci Slunce, a byli schopni opustit tento neuvěřitelně husté a horké sedadlo jen proto, že nemají komunikovat s jinou záležitost. Můžete dokonce detekovat neutrina emitované ze středu explodující hvězdy ve vzdálenosti více než sto tisíc světelných let od Země.

Kromě toho, tyto částice, aby bylo možno pozorovat vesmír v jeho velmi malém měřítku, mnohem menší, než ve kterých se podívat do Velkého hadronového urychlovače v Ženevě, objevili Higgsův boson. Je to z toho důvodu, že Nobelův výbor rozhodl udělit Nobelovu cenu za objev neutrina jiného typu.

tajemný nedostatek

Když Ray Davis poznamenal slunečních neutrin, našel jen třetinu předpokládaného množství. Většina fyziků věří, že důvodem je neznalost astrofyziky Slunce: možná svítilo modelu podloží přecenili množství produkovaného v jeho neutrino. Nicméně, na mnoho let, a to i poté, co solární modely zlepšila, deficit zůstal. Fyzici věnována pozornost jiné možnosti: problém by mohla souviset s naším vnímáním těchto částic. Podle teorie, pak převažovaly neměli váhu. Ale někteří fyzici tvrdili, že ve skutečnosti částice mají nekonečně hmotu a tato hmota byla důvodem pro jejich nedostatek.

Three-Faced částic

Podle teorie neutrin oscilacemi, v přírodě, existují tři různé druhy z nich. Pokud částice má hmotnost, která, jak se pohybuje může procházet z jednoho druhu do jiného. Tři typy - elektrony, miony a tau - v interakci s látkou mohou být převedeny na odpovídající nabité částice (elektron a muon tau leptony). „Oscilace“ je kvůli kvantové mechaniky. typ neutrin není konstantní. To se mění v průběhu času. Neutrina, která zahájila svou existenci jako e-mailu, může proměnit v mion, a pak zpět. Tudíž částice, vytvořené v jádru Slunce, na cestě k Zemi lze periodicky převést na mionových neutrin a naopak. Vzhledem k tomu, detektor Davis mohl objevit pouze elektrony, neutrin, které by mohly vést k jaderné transmutace chloru v argonu, se zdálo možné, že chybí neutrin otočil do jiných typů. (Ukazuje se, že neutrina oscilují uvnitř Slunce, a ne na cestě k Zemi).

Kanadský experiment

Jediným způsobem, jak tento test bylo vytvořit detektor, který pracoval pro všechny tři typy neutrin. Počínaje 90. Arthur McDonald z Královské univerzity v Ontariu, vedl tým, který se provádí v dolu v Sudbury, Ontario. Instalace obsahuje tun těžké vody, poskytla půjčku od vlády Kanady. Těžká voda je vzácná, ale přirozeně se vyskytující forma vody, ve kterém je atom vodíku, obsahující jeden proton nahrazen svým těžším izotopem deuterium, která obsahuje proton a neutron. Kanadská vláda zásoby těžké vody, m. K. Používá se jako chladivo v jaderném reaktoru. Všechny tři typy neutrin může zničit deuterium tvořit protony a neutrony, neutrony a spočítány. Detektor registrováno zhruba trojnásobek počtu ve srovnání s Davisem - přesně takové, které nejlépe předpovídal modely slunce. To naznačuje, že elektron-neutrina se může pohybovat ve svých dalších typů.

japonský experiment

Přibližně ve stejnou dobu, Takaaki Kadzita z University of Tokyo provedeny 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 dole, které jsou převedeny na jader vodíku v miony. Detektor Kadzity viděl částice přicházejí ve dvou směrech. Některé spadl z výšky, vycházející z atmosféry, zatímco jiní se pohybují od dna. Počet částic byl odlišný, že mluví o jejich odlišné povahy - byly na různých místech v oscilujícího cyklu.

Revoluce ve vědě

Je to všechno exotické a překvapivé, ale proč neutrino oscilace a hmota přitahovat tolik pozornosti? Důvod je jednoduchý. Ve standardním modelu fyziky elementárních částic, který byl vyvinut v posledních padesáti letech dvacátého století, který správně popisuje všechny ostatní pozorování v urychlovači a dalších experimentech neutrina měly být nehmotné. Objev neutrina naznačuje, že něco chybí. Standardní model není kompletní. Chybějící prvky dosud neobjevené - pomocí Large Hadron Collider nebo jiný, dosud nevytvořil virtuální stroj.