Что такое нейтрино в физике

Нейтрино

Сверхновая SN 1987A, от которой впервые были зарегистрированны внегалактические нейтрино

Нейтрино – квант нейтрального излучения, нейтральная фундаментальная частица с небольшой массой, спин которой ½ ħ. Нейтрино принимает участие лишь в гравитационном и слабом взаимодействии, относится к классу лептонов (см. Стандартная модель).

История открытия нейтрино

История нейтрино берет начало в исследованиях бета-распада – такого вида радиоактивного распада, при котором ядро атома излучает бета-частицу, то есть электрон или позитрон. Как было уже известно в 1920-х годах, согласно модели атома, описанной Нильсом Бором, вокруг ядра атома располагается некая электронная оболочка. Электроны в этой оболочке находятся на разных так называемых энергетических уровнях, и для перехода между ними требуется определенная энергия. Таким образом, при бета-распаде электроны, вылетающие с атома, должны были нести в себе энергию, кратную той, которая потребовалась для перехода между различными энергетическими уровнями, т.е. нести дискретный спектр энергии. Данное утверждение строится на основе закона сохранения энергии. Однако в эксперименте английского физика Джеймса Чедвика было показано, что спектр энергий вылетающих электронов непрерывный, словно ядро излучает электроны с самой разной энергией, и даже не кратной энергетическим уровням.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год

Подобные противоречия к 1930-му году донельзя заинтересовали научное сообщество. Ведь пока решение этой задачи не найдется, истинность закона сохранения энергии останется под вопросом. Тот же Нильс Бор даже предположил, что энергия на самом деле не сохраняется и фундаментальный закон природы возможно неверен. Но в декабре 1930-го года свою гипотезу выдвинул венский физик-теоретик — Вольфганг Паули. Он положил, что электрон уносит число энергии, кратное энергии перехода, а остаток выпадает на некую другую частицу, которую назвал нейтроном. В 1932-м году Д. Чедвик открывает иную нейтральную частицу, входящую в состав ядра атома, и называет ее нейтроном. В следующем году на Солвеевском конгрессе, рассматривающем проблемы физики и химии, Паули объяснил механизм бета-распада с описанной им частицей, нейтроном. Во избежание путаницы в определении двух нейтронов, название частицы, описанной Паули, взяли из работ Энрико Ферми (1933-1934 г.), где итальянский физик называл частицу – нейтрино (с итальянского «нейтрончик»).

Общие сведения

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

Нейтрино – это лептоны, которые входят в Стандартную модель. Существует три типа нейтральных частиц – нейтрино, а также их три античастицы, каждый из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд:

Нейтрино имеет очень малое сечения взаимодействия с веществом, а потому обладает большой проникающей способностью. Например, чтобы со 100%-ной вероятностью «захватить» нейтрино при помощи железной стены, ее толщина должна достигать 10 18 метров (108 св. лет), что в 25 раз больше расстояния до ближайшей звезды — Проксима Центавра.

Поляризация и лептонное число

Важным свойством частицы в квантовой механике является поляризация спина (о том, что такое спин – читайте здесь). Спин имеет направление, и если оно перпендикулярно направлению импульса частицы, то ее называют поперечно поляризованной, если же параллельно – то поляризация продольна. В свою очередь, если при продольной поляризации спин направлен в сторону импульса, то поляризация зовется «правой», наоборот – «левой». В результате образовался закон сохранения четности, согласно которому частицы с правой и левой поляризацией – равнозначны, и должны встречаться в природе в равном количестве.

За сложными математическими конструкциями скрываются законы природы, но как вскоре оказалось, они нарушаются нейтрино. Удивительно, но за все время исследований ученые обнаруживали только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино, что противоречит закону сохранения четности. Благодаря трудам физиков-теоретиков, казалось, истинный закон может быть спасен, но лишь в том случае, если считать нейтрино безмассовой частицей.

Другим важным физическим утверждением является закон сохранения лептонного числа, который был экспериментально подтвержден и основывается на Стандартной модели. Он гласит о том, что в замкнутой системе разница лептонов и их античастиц сохраняется. Как следствие – появились т.н. флейворные числа для трех типов нейтрино и соответствующих им лептонов. Например, в замкнутой системе должна сохраняться разница между суммой мюонов с мюонными нейтрино, и антимюонов с мюонными антинейтрино.

Но в 2015-м году была официально подтверждена теория нейтринных осцилляций, которые возможны лишь в том случае, когда нарушается закон сохранения четности и сохранения лептонного заряда.

Нейтринные осцилляции

Осцилляции электронного нейтрино. Черный цвет обозначает электронное нейтрино, синий — мюонное, а красный тау-нейтрино.

Одной из основных физических задач, связанных с нейтрино является так называемая «проблема солнечных нейтрино». Как известно, в центре нашей звезды происходят ядерные реакции, вследствие которых должны образовываться электронные нейтрино. Имея теоретическую модель Солнца, ученые высчитали число электронных нейтрино, которые должны быть излучены звездой и зарегистрированы земными детекторами. Однако, согласно наблюдениям, которые ведутся с конца 60-х годов, количество искомых частиц в три раза меньше ожидаемого, что есть значительной погрешностью и означает неверное понимание солнечного механизма.

Не желая изменять модель Солнца, ученые выдвинули гипотезу о том, что нейтрино превращается в некую другую частицу, которая не регистрируется детекторами, а именно, недавно открытые мюонные и тау-нейтрино. Подобные осцилляции возможны с одним важным условием – наличие массы у нейтрино.

Детектор размещён в японской лаборатории на глубине в 1 км в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио

Данный феномен наблюдался двумя обсерваториями с гигантскими детекторами: японской Super-Kamiokande (г. Камиока) и канадской SNO (Садбери). Первая обсерватория позволяет фиксировать мюонные и электронные нейтрино. Учитывая полученные результаты и некоторые особенности атмосферы, японцы обнаружили, что количество мюонных нейтрино неким образом зависит от расстояния, которое прошли нейтральные частицы. То есть по пути к детекторам какая-то их часть пропадает.

Позже, в 1993-м году, канадская обсерватория в Садбери, способная различать уже все три типа нейтрино, определила, что общее число этих частиц, излучаемых Солнцем, равняется предсказанному количеству. Подобное утверждение отлично согласовывается с теорией нейтринных осцилляций и объясняет недостаточное количество электронных нейтрино.

Материалы по теме

Бозон Хиггса

За обнаружение нейтринных осцилляций в 2015-м году Нобелевской премией по физике были награждены Такааки Кадзита, работающий на детекторе Super- Kamiokande, и Артур Макдональд, сотрудник обсерватории Садбери. Но данное открытие определенно указывает на наличие двух важных проблем: нарушение закона сохранения лептонного заряда из-за превращения одного типа нейтрино в другого, и закона сохранения четности – из-за наличия массы, хоть и не большой (в 180 тыс. раз меньше массы электрона).

Применение

Основные области применения знаний о нейтрино – астрономия и астрофизика. Дело в том, что так же, как и Солнце, большинство других звезд излучают свою энергию в основном в виде потока нейтрино. Вместе с этим, в силу слабого поглощения этих частиц различными космическими телами, дальность их полета может значительно превышать расстояния, проходимые фотоном. Таким образом, человечество сможет изучать более удаленные звезды и прочие космические тела.

Кроме небесных объектов ученые смогут изучать и недра Земли, которые тоже излучают нейтрино в результате радиоактивности ядра, и позволят подробнее определить состав нашей планеты.

Примечательно, что потоки нейтрино могут использоваться для связи с подводными лодками и прочими объектами, сокрытыми за веществом. Слабовзаимодействующие частицы, испускаемые «источником», пролетали бы сквозь воду и достигали бы детекторов, расположенных на субмарине, после чего переводились бы в другой вид информации. Развитием этой технологии занимаются по большей части военные спецслужбы, и согласно подсчетам, передача информации таким образом будет значительно быстрее (в сотни раз).

Интересные факты о нейтрино

27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Нейтрино

Содержание

Свойства нейтрино

Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:

Масса нейтрино важна для предположения объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.

Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга. Это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино. Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в котором были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Подтверждение нейтринных осцилляций потребует внесения изменений в Стандартную модель.

В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной. [5]

Существуют теоретические предпосылки, предсказывающие существование четвёртого типа нейтрино — стерильного нейтрино (англ.). Однозначного экспериментального подтверждения (эксперименты MiniBooNE (англ.), LSND (англ.)) их существования пока нет.

История открытия

С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть, спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным, и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Н. Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии! Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы выдвинул 4 декабря 1930 г. Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:

— «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».

Впоследствии нейтроном была названа, как оказалось, другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах 1933—1934 итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино».

Перспективы использования

Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведённые в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять реакторный нейтринный спектр и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).

Исследования нейтрино

Нейтрино изучается в нескольких лабораториях в США, Италии, Японии.

Регистрации возможного превышения скорости света

22 сентября 2011 года коллаборация OPERA объявила о регистрации возможного превышения скорости света мюонными нейтрино (на 0,00248 %). [8] [9] [10] Нейтрино от ускорителя SPS (ЦЕРН, Швейцария) якобы прибывали к детектору (находящемуся на расстоянии 730 км в подземной лаборатории Гран-Сассо, Италия) на 61±10 наносекунд раньше расчётного времени; это значение получено после усреднения по 16 тысячам нейтринных событий в детекторе за три года. Физики обратились к своим коллегам с просьбой проверить результаты в подобных экспериментах MINOS (лаборатория Fermilab возле Чикаго) и T2K (Япония).

Источник

С чего начиналась нейтринная физика

Так начиналась история совершенно новой области в физике, которая принесла больше Нобелевских премий, чем любая другая.

«Неправильные» электроны

В самом конце 19 века, когда физики уже всерьез опасались, что все возможные законы уже открыты и профессия теряет актуальность, Беккерель открыл эффект радиоактивности, начав новую эпоху в физике. В процессе изучения этот эффект разделили на три типа: альфа, бета и гамма излучение. Первый представлял из себя поток ядер гелия, второй — поток электронов и третий — поток фотонов. Сама радиоактивность представлялась как переход атома из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, а разница точно равнялась энергии вылетевшей частицы.

Все было хорошо до тех пор, пока Джеймс Чедвик в 1914 году не померил энергии электронов, образующихся в результате бета-распада. Вместо нескольких четких линий, как это было для всех других типов радиации, он наблюдал непрерывный спектр.

Это заставило научное сообщество надолго задуматься и пересматривать самые основы физики. Эйнштейн, посещая лабораторию Чедвика, признался, что у него нет идей, как объяснить подобное поведение, Дебай писал по этому поводу: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Сам Нильс Бор покусился на святая святых — закон сохранения энергии. В течении нескольких лет он был уверен, что этот закон в микромире нарушается и разрабатывал соответствующую теорию.

Появление идеи о «нерегистрируемой» частице

Спустя почти 20 лет в 1930 году Паули высказал предположение о том, что может существовать легкая электрически нейтральная частица, которая и уносит недостающую энергию. Он назвал эту частицу нейтрон. Он сформировал свое предложение в письме к Тюбингемскому научному конгрессу (под катом). Примечательны обращения «Dear radioactive ladies and gentlemen», «dear radioactives», а так же причина, по которой сам мистер Паули не явился на конгресс. У него ночью намечался бал. Дамы не будут ждать, пока ты тут новую частицу открываешь.

Но в 1932 году уже упоминавшийся Джеймс Чедвик открыл нейтральную частицу с массой близкой к массе протона и для созвучия назвал ее нейтроном. Чтобы избежать путаницы, гипотетической частице Паули было присвоено название «нейтрино» (дословно «нейтрончик»). Сам Паули говорил, что допустил непростительную для теоретика ошибку: предложил принципиально нерегистрируемую частицу. И даже спорил с коллегой астрономом на бутылку шампанского, что при их жизни его гипотезу не подтвердят. Забегая вперед, скажу, что Паули спор проиграл. За два года до его смерти удалось пронаблюдать сигнал непосредственно от нейтрино.

Весьма примечательно, что спустя больше 30 лет наблюдения природа радиоактивности не была толком известна. Процесс представлялся следующим образом: в ядре атома что-то там происходит, заряд увеличивается на единицу, масса сохраняется и вылетает электрон. Именно поэтому сам нейтрон был открыт спустя только десятилетия после наблюдения его распада. В 1934 Энрико Ферми впервые создает стройную теорию бета-распада. Он использует гипотезу Паули о существовании нейтрино. Теперь процесс представляется следующим образом:

Теория блестяще совпадала с экспериментом за одним маленьким недостатком. Никаких свидетельств о существовании нейтрино пока не было.

Косвенные свидетельства существования «полтергейста»

Начались поиски неведомой частицы. Теория Ферми давала очень хорошие подсказки, как такую частицу искать. Реакцию бета распада можно было «прокручивать» в разные стороны, в частности рассматривать захват анти-нейтрино протоном с образованием позитрона и нейтрона.

Посчитать вероятность такого события было несложно, но результат сильно озадачил физиков. Для того, чтобы взаимодействие точно произошло, нейтрино должно пройти в свинце расстояние в 10 миллионов раз превышающее расстояние от Солнца до Земли. Это заставило ученых надолго отступиться от поисков нейтринных взаимодействий и пытаться искать косвенные доказательства.

Первые косвенные свидетельства были получены уже в 1936 году Александром Ильичом Лейпунским. Он предложил, и вскоре сам осуществил исследования реакции распада изотопа углерода:

Начальный атом углерода покоится, поэтому если нейтрино не существует, то суммарный импульс атома бора и позитрона должен быть нулевым. Поскольку интересующие частицы несут заряд, то измерение их импульсов не составило труда. Эксперимент показал, что разлет атома бора и позитрона не скомпенсирован, а значит некая частица, как и ожидалось, уносит импульс.

Второй вариант опыта был предложен в 1938 Алихановым и Алиханьяном и осуществлен в 1942 Алленом. Идея была в том, чтобы изучать электронный захват в атоме бериллия:

Электрон с нижней орбитали с некоторой вероятностью находится в самом ядре и может прореагировать с протоном, образовав нейтрино. Изначально атом покоится, а если из него вдруг вылетит частица, то получившийся атом лития должен отлететь в другую сторону. Опыт в очередной раз продемонстрировал существование таинственной частицы

Таким образом были получены убедительные доказательства существования нейтрино, но непосредственное обнаружение частицы еще долго оставалось нерешенной и весьма волнующей задачей.

Проект «Полтергейст» или невзорвавшаяся бомба

Но первоначальной схеме не суждено было быть реализованной. Исследуя возможности понизить фон от пролетающих нейтронов, гамма-квантов и других проникающих лучей, команда решает в искомой реакции

регистрировать не только позитроны, но и нейтроны. Для этого в детектор планировали добавить кадмий, который будет захватывать нейтроны и высвечивать фотоны, которые уже очень легко регистрировать.

После разработки концепта ученые принялись за конструирование и тестирование детектора. На тот момент это была революционная установка. Тогда «большим» считался объем детектора в литр, здесь же планировалась использовать кубометр мишени, окруженный 90 фотоумножителями. Для сравнения, современные эксперименты, например Супер-Камиоканде, имеет объем 50 000 кубометров и просматриваются 13 000 ФЭУ. Планируемый Гипер-Камиоканде — в 20 раз больше и использует 100 000 ФЭУ.

Первый результат

В 1953 году начался сеанс набора данных на реакторе в Хенфорде. Фоновые процессы от вылетающих из реактора других частиц причиняли команде много хлопот. Приходилось постоянно ворочать сотни тонн свинца, дорабатывать барахлящее оборудование, электронику, дающую ложные срабатывания и проч. Команда работала с полной отдачей, надеясь на прорывной результат. Но несмотря на все старания фон от космических лучей и электроники был слишком велик. Статистика, набранная при включенном и выключенном реакторе, давала намек на то, что нейтринные взаимодействия действительно происходили, но определенности не было никакой. Тем не менее группа ученых, вдохновленная первым результатом, принялась модернизировать детектор для дальнейшей работы.

Вторым этапом исследований стали наблюдения на реакторе в Саванна Ривере. Новый детектор состоял из двух баков с водой и трех баллонов, заполненных жидким сцинтиллятором, веществом, которое светится при прохождении сквозь него излучения.

Принцип остался прежний — искать совпадения от двух сигналов: аннигиляции позитрона и захвата нейтрона. Выбор реактора в Саванна Ривере был обусловлен тем, что это был новый более мощный реактор и вдобавок здесь имелось подземное экранированное помещение, существенно уменьшающее влияние космического излучения. Результат не заставил себя долго ждать, уже спустя несколько месяцев, в июне 1956 года после многочисленных проверок были получены неопровержимые свидетельства нейтринных взаимодействий. Дверь в новую физику была открыта!

Райнес и Коуэн незамедлительно телеграфируют Паули о своем открытии.

Получив такую телеграмму, Паули прервал заседание в ЦЕРНе для того, чтобы зачитать собравшимся столь важную новость. А после, в честь этого открытия, Вольфганг с друзьями распили ящик шампанского. Много лет спустя стал известен текст так никогда и не отправленного ответа:

Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать. Паули

Итоги и дальнейшие работы

Независимое подтверждение такого результата было получено только спустя 8 лет в ускорительном эксперименте. А повторение реакторного эксперимента было осуществлено только через 20 лет. Несмотря на высокую оценку научного сообщества премии не спешили сыпаться на головы первооткрывателей самой слабовзаимодействующей частицы. Ирония заключалась даже в том, что в 1988 году Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили Нобелевскую премию за открытие нового типа нейтрино — мюонного, за само же фундаментальное открытие нейтрино премия была выдана только в 1995 и только Райнесу. Коуэн до этого момента не дожил.

Райнес впоследствии продолжил свои исследования, измерял вероятность взаимодействия нейтрино с электроном, с дейтроном; впервые зарегистрировал «природные» нейтрино, рождающиеся в атмосфере, заложил многие основы этого раздела физики.

Впереди было еще много удивительнейших открытий: регистрация новых сортов нейтрино, открытие спиральности нейтрино, разделение нейтрино и антинейтрино, наблюдение осцилляций, регистрации нейтрино от вспышки сверхновой, поиски CP-нарушения. Впервые астрофизики смогли наблюдать Вселенную не через наблюдение электромагнитных волн именно с помощью нейтрино. Огромное количество мощнейших детекторов было построено и продолжает строиться для исследования этой неуловимой частицы

В заключении хочу сказать, что нейтрино есть в каждом из нас и в большом количестве! Каждую секунду через квадратный сантиметр на Земле проходит около 100 миллиардов таких частиц.

Источник