Neutriino ( ν ) | |
---|---|
Yhdiste | perushiukkanen |
Perhe | Fermions |
Ryhmä | Leptonit |
Sukupolvi |
v e v μ v τ |
Osallistuu vuorovaikutukseen |
Heikko , painovoimainen |
Antihiukkanen | Antineutrino |
Tyyppien lukumäärä |
6 ( elektroni neutrino myon neutrino tau neutrino ja niiden antihiukkaset ) |
Paino |
0,086 eV ( ν e, v μ, v τ) [1] [2] [3] |
Elinikä | Vakaa tai > 7⋅10 9 s ×( m ν /1 eV) −1 |
kvanttiluvut | |
Sähkövaraus | 0 |
värimaksu | 0 |
baryonin numero | 0 |
B−L | −1 |
Pyöritä | ½ ħ |
Heikko ylilataus | −1 |
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Neutriino ( italialainen neutrino -neutroni, neutroni -neutroni diminutiivi ) - neutraalien perushiukkasten [4] yleinen nimi , joilla on puolikokonaisluku spin , jotka osallistuvat vain heikkoihin ja gravitaatiovuorovaikutuksiin ja kuuluvat leptonien luokkaan . Tällä hetkellä tunnetaan kolmenlaisia neutriinoja: elektroni-, myoni- ja tau-neutriinoja sekä niitä vastaavia antihiukkasia.
Matalaenergiset neutriinot vuorovaikuttavat erittäin heikosti aineen kanssa, ja siksi niillä on valtava polkupituus monissa erilaisissa aineissa. Siten neutriinoilla, joiden energia on suuruusluokkaa 3-10 MeV , on keskimääräinen vapaa reitti vedessä luokkaa 10 18 m (noin sata valovuotta ). Lähes kaikki tähdet ovat läpinäkyviä neutriinoille . Joka sekunti noin 6⋅10 10 Auringon lähettämää neutriinoa kulkee maapallon alueen läpi, jonka pinta-ala on 1 cm² , mutta niiden vaikutusta aineeseen ei käytännössä tunneta. Samaan aikaan korkeaenergiset neutriinot havaitaan onnistuneesti niiden vuorovaikutuksesta kohteiden kanssa [6] .
Takaaki Kajita ja Arthur MacDonald saivat vuoden 2015 fysiikan Nobel-palkinnon "neutrinovärähtelyjen löytämisestä , jotka osoittivat, että neutriinoilla on massa" [7] [8] .
Jokaisella varautuneella leptonilla on oma neutriino/ antineutrino -pari :
Erityyppiset neutriinot voivat muuttua toisikseen - nämä ovat niin sanottuja neutriinovärähtelyjä ; uskotaan tämän johtuvan siitä, että neutriinojen massa on nollasta poikkeava [9] .
Ultrarelativististen hiukkasten synnyssä tehdyissä kokeissa osoitettiin, että neutriinoilla on negatiivinen helisiteetti , kun taas antineutriinoilla on positiivinen [10] .
On olemassa teoreettisia lähtökohtia, jotka ennustavat neljännen neutriinotyypin – steriilin neutrinon – olemassaolon . Niiden olemassaolosta ei ole yksiselitteistä kokeellista vahvistusta (esimerkiksi MiniBooNE- ja LSND ) [11] .
Ei tiedetä, onko neutrino sen oma antihiukkanen (katso Majorana fermion ) [12] [11] .
Ei tiedetä, rikotaanko CP-invarianssia neutriinovärähtelyjen aikana [11] .
Neutriinoilla on nollasta poikkeava massa , mutta tämä massa on erittäin pieni. Se, että neutriinolla on massa, ylittää standardimallin soveltamisalan ja johtaa tarpeeseen laajentaa sitä [13] . Ylempi kokeellinen arvio kaikentyyppisten neutriinojen massojen summalle on vain 0,28 eV [14] [15] . Värähtelykokeista saatujen eri sukupolvien neutriinojen neliömassan ero ei ylitä 2,7⋅10 −3 eV ² .
Tiedot neutriinomassan tarkasta arvosta ovat tärkeitä selitettäessä piilomassan ilmiötä kosmologiassa , koska sen pienuudesta huolimatta on mahdollista, että neutriinojen pitoisuus universumissa on tarpeeksi korkea vaikuttamaan merkittävästi keskimääräiseen tiheyteen.
Kaksikomponenttisen neutrinon teoriassa sitä kuvataan kaksikomponenttisilla aaltofunktioilla, jotka ovat Dirac-yhtälön ratkaisu hiukkasille, joiden massa on nolla. Teorian ehdottivat Landau [16] , Salam [17] sekä Lee ja Yang [18] . Tämän teorian mukaan neutrino kuvataan yhtälöllä: . Tämä on kaksikomponenttinen yhtälö, joka saadaan Dirac-yhtälöstä sillä ehdolla, että yhdistetty pariteetti säilyy . Tässä tarkoittaa liikemäärä-operaattoria, on Pauli-matriisien vektori. Tämän yhtälön ominaisarvot ovat arvoja, joissa . Ne vastaavat neutrinon aaltofunktioita, joiden spin on sama kuin liikemäärä ja antineutrino (negatiiviselle energialle) spinin vastakkaisen liikemäärän kanssa. Spinin projektion arvoa liikemäärään kutsutaan neutrinon helisiteetiksi. Tietyllä liikemäärällä neutrino voi olla kahdessa tilassa, jotka vastaavat hiukkasta ja antihiukkasta. Näissä tiloissa spinin suunnat liikemäärän suhteen ovat vastakkaiset.
Kuten edellä mainittiin, neutriinoilla on kuitenkin nollasta poikkeava lepomassa. Siksi teoria on vain ensimmäinen approksimaatio, jossa lepomassa on nolla.
Yksi ydinfysiikan pääongelmista 1900-luvun 20-30-luvulla oli beeta-hajoamisen ongelma : englantilaisen fyysikon James Chadwickin vuonna 1914 mittaama β -hajoamisen aikana muodostuneiden elektronien spektri on jatkuva , eli , ne lentävät ulos ytimen
Toisaalta kvanttimekaniikan kehitys 1920-luvulla johti ymmärtämään atomiytimen energiatasojen diskreettiä : tämän oletuksen teki itävaltalainen fyysikko Lise Meitner vuonna 1922. Toisin sanoen ytimen hajoamisen aikana emittoituneiden hiukkasten spektrin on oltava diskreetti ja sen tulee näyttää energioita, jotka ovat yhtä suuria kuin niiden tasojen energioiden erot, joiden välillä siirtymä tapahtuu hajoamisen aikana. Tällainen on esimerkiksi alfahiukkasten energiaspektri alfa -hajoamisen aikana .
Siten β -hajoamiselektronispektrin jatkuvuus asetti kyseenalaiseksi energian säilymisen lain . Ongelma oli niin akuutti, että vuonna 1931 kuuluisa tanskalainen fyysikko Niels Bohr Rooman konferenssissa keksi ajatuksen energian säästämättä jättämisestä. Oli kuitenkin toinenkin selitys - "kadonneen" energian kuljettaa pois jokin tuntematon ja huomaamaton hiukkanen.
Wolfgang Pauli esitti 4. joulukuuta 1930 hypoteesin äärimmäisen heikosti vuorovaikutuksessa aineen kanssa olevan hiukkasen olemassaolosta (selityksenä energian säilymislain ilmeiselle rikkomiselle beetahajoamisessa) - ei artikkelissa, vaan epävirallisessa kirjeessä fyysisen konferenssin osallistujille Tübingenissä :
...tarkoittaen ... jatkuvaa β -spektriä, tein epätoivoisen yrityksen pelastaa "vaihtotilastot" ja energian säilymisen laki. On nimittäin mahdollista, että ytimissä on sähköisesti neutraaleja hiukkasia, joita kutsun "neutroneiksi" ja joiden spin on ½ ... "Neutronin" massan pitäisi olla suuruusjärjestyksessä vertailukelpoinen massan kanssa. elektronista ja joka tapauksessa enintään 0,01 massaprotonia . Jatkuva β-spektri tulisi silloin selväksi, jos oletetaan, että β -hajoamisen aikana emittoidaan myös "neutroni" yhdessä elektronin kanssa, jolloin "neutronin" ja elektronin energioiden summa pysyy vakiona. Myönnän, että tällainen ulospääsy saattaa ensi silmäyksellä tuntua epätodennäköiseltä ... Et kuitenkaan voita ilman riskiä; tilanteen vakavuuden jatkuvalla β -spektrillä havainnollisti hyvin arvostettu edeltäjäni herra Debye , joka sanoi minulle äskettäin Brysselissä: "Voi... on parempi olla ajattelematta sitä ollenkaan uusina veroina." — "Avoin kirje ryhmälle radioaktiivisia ihmisiä, jotka kokoontuivat Tübingeniin", op. mukaan M.P. Rekalo, "Neutrino".
Pauli nimesi ehdottamansa hiukkasen "neutroniksi". Kun James Chadwick löysi paljon massiivisemman neutraalin ydinhiukkasen vuonna 1932, hän antoi sille nimen neutroni. Tämän seurauksena hiukkasfysiikassa tätä termiä käytettiin viittaamaan kahteen eri hiukkaseen. Enrico Fermi , joka kehitti beetahajoamisen teorian, loi termin "neutrino" vuonna 1934 ratkaisemaan sekaannusta. Sana neutrino on käännetty italiasta "neutroniksi". [19]
Solvayn kongressissa vuonna 1933 Brysselissä Pauli piti esitelmän β-hajoamisen mekanismista, jossa oli mukana kevyt neutraali hiukkanen, jonka spin ½. Tämä puhe oli itse asiassa ensimmäinen virallinen julkaisu neutriinoista.
Clyde Cowanin ja Frederick Reinesin johtama ryhmä löysi neutriinon kokeellisesti vuonna 1956 . [20] [21]
Neutriinoa tutkitaan kymmenissä laboratorioissa ympäri maailmaa (katso epätäydellinen luettelo neutrinofysiikan kokeista ) [11] .
Auringon ytimessä tapahtuvat ydinreaktiot johtavat suuren määrän elektronineutriinojen muodostumiseen . Samaan aikaan neutriinovuon mittaukset , joita on tehty jatkuvasti 1960-luvun lopusta lähtien, osoittivat, että rekisteröityjen aurinkoelektronineutriinojen määrä on noin kaksi tai kolme kertaa pienempi kuin ennustetaan tavallisessa aurinkomallissa, joka kuvaa maapallon prosesseja. Aurinko. Tätä eroa kokeen ja teorian välillä on kutsuttu " aurinkoneutrino-ongelmaksi " ja se on ollut yksi aurinkofysiikan mysteereistä yli 30 vuoden ajan.
Auringon neutriinojen ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu kahta päätapaa. Ensinnäkin Auringon mallia oli mahdollista muokata siten, että sen ytimessä odotettu lämpöydinaktiivisuus (ja siten lämpötila ) pienennettiin ja sen seurauksena Auringon lähettämien neutriinojen virtaus. Toiseksi voitaisiin olettaa, että osa Auringon ytimen lähettämistä elektronineutriinoista muuttuu Maata kohti liikkuessaan muiden sukupolvien neutriinoiksi, joita tavanomaiset ilmaisimet eivät havaitse (muoni- ja tau-neutriinot) [22] .
Nykyään on selvää, että toinen tapa on mitä todennäköisimmin oikea, toisin sanoen erityyppiset neutriinot voidaan muuttaa toisikseen; nämä ovat ns. neutriinovärähtelyjä , joista todisteena ovat havainnot aurinkoneutriinoista [23] ja ilmakehän neutriinojen kulmaanisotropia sekä vuoden alussa tehdyt kokeet reaktorilla (katso KamLAND ) ja kiihdytinneutriinoilla [24] . tällä vuosisadalla .
Lisäksi neutriinovärähtelyjen olemassaolo vahvistetaan suoraan Sudburyssa tehdyissä kokeissa , joissa kaikkien kolmen tyyppiset auringon neutriinot havaittiin suoraan. ja niiden kokonaisvirtauksen on osoitettu olevan yhdenmukainen tavallisen aurinkomallin kanssa. Tässä tapauksessa vain noin kolmasosa Maan saavuttaneista neutriinoista osoittautuu elektronisiksi. Tämä luku on yhdenmukainen teorian kanssa, joka ennustaa elektronineutriinojen siirtymisen toisen sukupolven neutriinoiksi sekä tyhjiössä (itse asiassa "neutriinovärähtelyt") ja aurinkoaineessa (" Mihheev-Smirnov-Wolfenstein-ilmiö ").
22. syyskuuta 2011 OPERA -yhteistyö ilmoitti rekisteröivänsä myonineutriinojen mahdollisen valonnopeuden ylityksen (0,00248 prosentilla). [25] [26] [27] SPS-kiihdyttimen ( CERN , Sveitsi) neutriinojen väitetään saapuneen ilmaisimeen (sijaitsee 730 km:n etäisyydellä Gran Sasson maanalaisessa laboratoriossa , Italiassa) 61 ± 10 nanosekuntia ennen laskettua arvoa. aika; tämä arvo saatiin sen jälkeen, kun ilmaisimessa oli yli 16 tuhatta neutrinotapahtumaa kolmen vuoden aikana. Fyysikot pyysivät kollegoitaan tarkistamaan tulokset vastaavissa kokeissa MINOS ( Fermilab - laboratorio lähellä Chicagoa) ja T2K ( Japani ).
Alle kuukaudessa preprint-arkistoon ilmestyi noin 90 artikkelia , jotka tarjosivat mahdollisia selityksiä rekisteröidylle vaikutukselle [28] .
OPERA-yhteistyö ilmoitti 23. helmikuuta 2012 löytäneensä kaksi aiemmin havaitsematonta vaikutusta, jotka voivat vaikuttaa neutriinon lentoajan mittausprosessiin. Näiden vaikutusten vaikutuksen mittaustuloksiin tarkistamiseksi päätettiin tehdä uusia kokeita neutriinonsäteillä [29] [30] .
Marras-joulukuussa 2011 samassa laboratoriossa tehdyt riippumattomat mittaukset ( ICARUS -koe ) eivät paljastaneet superluminaalisia neutriinonopeuksia [31] .
Toukokuussa 2012 OPERA suoritti sarjan ohjauskokeita ja tuli lopulliseen johtopäätökseen, että syy virheelliseen superluminaalisen nopeuden oletukseen oli tekninen virhe (huonosti asennettu optisen kaapelin liitin, joka johti 73 nanosekunnin kelloviiveeseen) [ 32] .
Vuonna 2017 kokeellisesti löydettiin elastinen koherentti neutriinosironta . Tämän efektin avulla on mahdollista luoda pieniä kannettavia neutrinosäteilyn ilmaisimia [33] [34] .
Geoneutrinotutkimus mahdollistaa radioaktiivisten alkuaineiden esiintymien löytämisen.
Yksi neutriinojen lupaavista käyttötavoista on neutriinoastronomia . Neutriinot kantavat tärkeää tietoa maailmankaikkeuden laajenemisen alkuvaiheista [35] . Lisäksi tiedetään, että tähdet lähettävät valon lisäksi merkittävän virran neutriinoja, jotka syntyvät ydinreaktioiden prosessissa. Koska tähtien evoluution myöhemmissä vaiheissa jopa 90 % säteiletystä energiasta kulkeutuu neutriinojen ( neutriinojen jäähtymisen ) takia pois, neutriinojen ominaisuuksien (erityisesti auringon neutriinojen energiaspektrin) tutkiminen auttaa ymmärtämään paremmin astrofysikaalisten prosessien dynamiikka. Lisäksi neutriinot kulkevat pitkiä matkoja ilman absorptiota, mikä mahdollistaa vielä kauempana olevien tähtitieteellisten kohteiden havaitsemisen ja tutkimisen [36] .
Toinen (käytännöllinen) sovellus on äskettäin kehitetty teollisuusydinreaktorien neutriinodiagnostiikka . Kurchatov-instituutin fyysikkojen 1900-luvun lopulla tekemät kokeet osoittivat tämän suunnan lupauksen, ja nykyään Venäjällä, Ranskassa, Italiassa ja muissa maissa työstetään neutriinoilmaisimien luomiseksi, jotka pystyvät mittaamaan neutriinospektrin. reaktorissa reaaliajassa ja siten ohjaten sekä reaktorin tehoa että yhdistettyä polttoaineen koostumusta (mukaan lukien aselaatuisen plutoniumin tuotanto ).
Teoriassa neutriinovirtoja voidaan käyttää viestintävälineiden ( neutrinokommunikaatio ) luomiseen, mikä herättää armeijan kiinnostuksen: hiukkanen mahdollistaa teoriassa kommunikoinnin syvyydessä sijaitsevien sukellusveneiden kanssa tai tiedon välittämisen Maan läpi [37] .
Maan sisällä olevien radioaktiivisten alkuaineiden hajoamisen seurauksena syntyneitä neutriinoja [38] voidaan käyttää maan sisäisen koostumuksen tutkimiseen. Mittaamalla geologisten neutriinojen virtauksia eri kohdissa maapallolla on mahdollista kartoittaa radioaktiivisen lämmön vapautumisen lähteet maan sisällä [39] .
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Hiukkaset fysiikassa | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
perushiukkasia _ |
| ||||||||||||
Komposiittihiukkaset _ |
| ||||||||||||