Neutrino dieltsje: definysje, eigenskippen, in beskriuwing. neutrino oscillations - It ...

Neutrino - in legere dieltsje dat is in soad op de elektron, mar it hat gjin elektryske lading. It hat in hiel lyts massa, dy't miskien sels wêze nul. Ut de massa fan it neutrino hinget ôf fan de snelheid. It ferskil yn tiid fan oankomst en it dieltsje beam is 0,0006% (± 0,0012%). Yn 2011, waard oprjochte yn de OPERA eksperimint dat de Velocity grutter is as de snelheid fan ljocht neutrino, mar ûnôfhinklik fan dizze ûnderfining hat net befêstige.

De Elusive dieltsje

Dit is ien fan de meast foarkommende dieltsjes yn it hielal. Sûnt it interacts hiel lyts bytsje mei matearje, it is ongelooflijk dreech te spoaren. Elektroanen en neutrino net dielnimme oan de sterke kearnkrêft, mar likegoed diel oan de swakke. Dieltsjes dy't sokke eigenskippen wurde neamd leptons. Njonken elektron (positron en antiparticle), neamd nei de rekken leptons muon (200 elektron massa), tau (3500 elektron massa), en harren antiparticle. Se wurde neamd: elektron, muon en tau neutrino. Elk fan harren hat antimaterial komponint, neamd in antineutrino.

Muon en tau, as in elektron, hawwe bybehearrende dieltsjes. It muon en tau neutrino. Trije soarten fan dieltsjes oars út elkoar. Bygelyks, doe't muon neutrino ynteraksje mei de doelgroep, se altyd produsearje muons en nea tau of elektroanen. Yn de reaksje fan de dieltsjes, alhoewol't elektroanen en elektron neutrino wurde makke en ferneatige, harren sum bliuwt ûnferoare. Dit feit liedt ta in skieding leptons yn trije soarten, elk fan dat besit in rekken leptons en dêrby hearrende neutrino.

Om detect dit dieltsje nedich in tige grut en tige gefoelige Detectors. As regel, mei lege enerzjy neutrino 's sille reizgje foar in protte ljocht jierren nei de ynteraksje mei matearje. Dus, al grûn eksperiminten mei harren betrouwe op de mjitting fan in lytse fraksje dy't interacts mei Registrars reedlike grutte. Bygelyks, yn in neutrino Observatory Sudbury, mei dêryn 1.000 ton swiere wetter rint troch de detektor likernôch 1012 solar neutrino per sekonde. En fûn mar 30 per dei.

Skiednis fan ûntdekking

Wolfgang Pauli earst postulearret it bestean fan de dieltsjes yn 1930. Op dat stuit, der wie in probleem, om't it like dat de enerzjy en angular momentum wurde net bewarre yn de beta ferfal. Mar Pauli wiisde út dat as der net ynfoege, neutrino interacting neutraal dieltsje, de enerzjybesparring wet sil te nimmen binne. Italjaanske natuerkundige Enrico Fermi yn 1934 ûntwikkele de teory fan beta ferfal, en joech har de namme fan it dieltsje.

Nettsjinsteande alle foarsizzingen foar 20 jier, neutrino kin net opspoard bearjendewei fanwege har swakke ynteraksje mei matearje. Omdat de dieltsjes wurde elektrysk laden, sy net hannelje elektromagnetyske troepen, en, dêrom, sy net liede Ionisaasje fan de stof. Dêrneist, se reagearje mei de stof allinne fia swak ynteraksjes lichte krêft. Dêrom, sy binne de meast tinzen derby subatomêre dieltsjes by steat troch in grutte tal atomen sûnder wertroch gjin reaksje. Allinne 1 oant 10 miljard fan dizze dieltsjes reizgje troch de stof troch in ôfstân lyk oan de diameter fan 'e Ierde, reagearret mei protoanen of neutron.

Ta beslút, yn 1956 in groep Amerikaanske natuerkundigen, ûnder lieding fan Frederik Reines rapportearre de ûntdekking fan it elektron antineutrino. Yn eksperiminten it antineutrinos strielen kearnreaktor, reacting mei in proton, foarmje neutroanen en positrons. Unike (en seldsume) enerzjy hantekenings fan de lêste troch-produkten wie bewiis fan it bestean fan it dieltsje.

It iepenjen rekken leptons muons wie it útgongspunt foar lettere identifikaasje fan it twadde type neutrino - muon. Harren identifikaasje waard útfierd yn 1962 op grûn fan de resultaten fan it eksperimint yn in dieltsje accelerator. High-enerzjy muons ferfal neutrino foarme troch pi-mesons en rjochtsje oan de detektor sadat it wie mooglik om ûndersykje harren reaksje mei de stof. Nettsjinsteande it feit dat se net-reaktive, lykas ek oare soarten fan dieltsjes, dat waard fûn dat yn de seldsume gefallen as se reagearje mei protoanen of neutroanen, muons, neutrino muons, mar nea elektroanen. Yn 1998, American natuerkundigen Leon Lederman, Melvin Schwartz en Dzhek Shteynberger krigen de Nobelpriis yn de natuerkunde foar de identifikaasje fan muon-neutrino.

Healwei de jierren 1970, de neutrino natuerkunde opdien in oar soarte fan beladen leptons - Tau. Tau-neutrino en tau-antineutrinos waarden yn ferbân brocht mei dizze tredde belêste lepton. Yn 2000, natuerkundigen by de National Accelerator Laboratorium. Enrico Fermi rapportearre de earste eksperimentele bewiis fan it bestean fan dit soarte fan dieltsjes.

weight

Alle soarten neutrino hawwe massa, dat is folle minder as dy fan harren partners rekken brocht. Bygelyks, eksperiminten litte sjen dat de massa fan it elektron-neutrino moat koarter wêze as 0,002% fan it elektron massa en de som fan de massa fan de trije rassen moat koarter wêze as 0.48 eV. De gedachte in protte jierren dat de massa fan it dieltsje is nul, hoewol't der wie gjin twingende teoretyske bewiis, wêrom it moat wêze dat manier. Dan, yn 2002, de Sudbury Neutrino Observatory waard helle de earste direkte bewiis dat elektron neutrino ynfoege, troch nukleêre reaksjes yn 'e kearn fan' e sinne, sa lang as se foarby trochhinne, feroarje syn soarte. Sokke "oscillations" neutrino mooglik as ien of mear fan de dieltsjes hawwe in lytse massa. Har stúdzje de ynteraksje fan Kosmyske strielen yn de ierde atmosfear ek wize op de oanwêzigens fan massa, mar fierder eksperiminten binne nedich om krekter bepalen is.

boarnen

Natuerlike boarnen fan neutrino - een radioaktive ferfal fan de eleminten binnen de ierde, dat wurdt ynfoege, op in grutte stream fan lege-enerzjy elektron-antineutrino. Eiras binne ek advantageously neutrino fenomeen, sûnt dy dieltsjes kinne allinnich penetrate hyperdense materiaal foarme yn in stoart yn stjer; mar in lyts part fan 'e enerzjy is omsetten ta it ljocht. Berekkeningen litte sjen dat likernôch 2% fan de sinne enerzjy - de enerzjy neutrino foarme yn reaksjes fan thermonuclear fusion. It is wierskynlik dat it grutste part fan it tsjuster kwestje fan it hielal is opboud út 'e neutrino produsearre ûnder de oerknal.

physics problemen

Gebieten yn ferbân mei neutrino Astrophysics, en divers en hurd yn ûntwikkeling. Aktuele saken dy't lûke in grut oantal eksperiminteel en teoretyske besykjen, it folgjende:

• Wat binne de ferskillende neutrino massa?
• Hoe kin se ynfloed op kosmology, de oerknal?
• sy oscillate?
• Kinne ien soarte fan neutrino draait yn in oar as se reizgje troch matearje en romte?
• Binne neutrino wêzentlik oars út harren antiparticles?
• Hoe stjerren ynstoarte te foarmjen fan in supernova?
• Wat is de rol fan de neutrino in kosmology?

Ien fan 'e slaggen problemen fan bysûnder belang is de saneamde sinne neutrino probleem. Dizze namme ferwiist nei it feit dat by ferskate ierdske eksperiminten útfierd oer de ôfrûne 30 jier, jimmeroan observearre de dieltsjes lytser as nedich is om ta de enerzjy strielen troch de sinne. In mooglike oplossing is it oscillation, dat wol sizze. E. De transformaasje fan elektron neutrino te muon of tau yn 'e reis nei Ierde. Dus hoe folle dreger te mjitten low-enerzjy muon of Tau neutrino, dit soarte fan omfoarming soe ferklearje wêrom wy net sjogge it rjocht bedrach fan dieltsjes op Ierde.

Fjirde Nobelpriis

Nobelpriis foar de Natuerkunde 2015 is takend oan Takaaki Kaji en Arthur MacDonald foar it opspoaren fan it neutrino massa. Dat wie de fjirde ferlykbere priis ferbûn mei eksperimintele mjittingen fan dizze dieltsjes. Immen kin ynteressearre yn de fraach fan wêrom moatte wy soarch safolle oer eat dat amper ynteraksje mei gewoane saak.

It feit dat wy kinne detect dizze fergonklike dieltsjes, is in testamint te minsklike fernimstichheid. Sûnt de regels fan de kwantummeganika, probabilistic, wy witte dat, nettsjinsteande it feit dat hast alle neutrino troch de Ierde, guon fan harren sil ynteraksje mei. De detektor is steat fan foldwaande grutte omfang wurdt registrearre.

De earste sa'n tastel waard boud yn de jierren sechtich, djip yn in myn yn Súd-Dakota. De shaft waard fol yn 400 tûzen. L cleaning floeistof. Gemiddeld ien dieltsje neutrino deistich interacts mei in atoom fan gloar, it omsette fan it yn argon. Incredibly, Raymond Davis, dy't ferantwurdlik wie foar de detektor, betocht in metoade foar it opspoaren fan meardere argon atomen, en fjouwer tsientallen jierren letter, yn 2002, foar dizze Amazing engineering feat krige er de Nobelpriis.

nij astronomy

Om't neutrino ynteraksje sa weake, se kinne reizgje grutte ôfstannen. Se jouwe ús in blik op 'e plakken dy't oars we soene nea sjoen hawwe. Neutrino detected Davis, foarme as in gefolch fan nukleêre reaksjes dy't plakfûn yn it hert fan 'e sinne, en wienen by steat om te ferlitte dit ongelooflijk ticht en waarm stoel krekt omdat se net ynteraksje mei oare saak. Jo kinne sels ûntdekke neutrino ynfoege, út it sintrum fan in eksplodearre stjer op in ôfstân fan mear as hûndert tûzen light-jierren fan de ierde ôf.

Boppedat, dizze dieltsjes meitsje it mooglik om te observearjen it hielal yn syn hiel lytse skaal, folle lytser as dy dêr't kinne sjen yn de Large Hadron Collider yn Genêve, ûntduts de Higgs boson. It is foar dizze reden dat de Nobel Komitee besletten om priis de Nobelpriis foar de ûntdekking fan it neutrino fan in oar type.

mysterieuze tekoart

Doe't Ray Davis waarnomd solar neutrino, hy fûn mar in tredde fan de ferwachte kwantiteit. De measte natuerkundigen tinke dat de reden dêrfoar is it earme kennis fan Astrophysics fan 'e snein: miskien skynde ûndergrûn model heech rûsd wurden it bedrach produsearre yn syn neutrino. Lykwols, foar in soad jierren, sels nei de sinne modellen hawwe ferbettere, it tekoart bleau. Natuerkundigen hawwe betelle omtinken foar in oare mooglikheid: it probleem koe wurde yn ferbân mei ús belibbing fan dy dieltsjes. Neffens de teory, doe oerhân se net hawwe it gewicht. Mar guon natuerkundigen hawwe oanfierd dat yn feite de dieltsjes hawwe in infinitesimal massa, en dit massa wie de reden foar harren gebrek.

Three-Faced dieltsje

Neffens de teory fan neutrino oscillations, yn 'e natuer, der binne trije ferskillende typen fan harren. As in dieltsje hat in massa, dat as it beweecht it kin trochjaan fan de iene type nei in oare. Trije typen - elektroanen, muons en tau - yn de ynteraksje mei de stof kin bekeard ta de oerienkommende belêste particle (elektron en muon tau leptons). "Oscillation" komt troch de kwantummeganika. neutrino type is net konstante. It feroaret mei de tiid. Neutrino, dy't begûn syn bestean as in e-mail, kin draaie yn in muon, en dan werom. Sa, in dieltsje, foarme yn 'e kearn fan' e sinne, op 'e wei nei de Ierde kin wurde periodyk omboud muon neutrino en oarsom. Sûnt Davis detector koe detect allinne elektron-neutrino, wat kin liede ta in nukleêre transmutation fan gloar yn argon, like it mooglik dat de missende neutrino feroare yn oare types. (It docht bliken dat neutrino oscillate binnen de sinne, en net op 'e wei nei de Ierde).

De Kanadeeske eksperimint

De ienige manier om te testen dit wie te meitsjen in detektor dy't wurke foar alle trije soarten fan neutrino. Utgeande fan de jierren '90 Arthur McDonald fan Keninginnedei Universiteit yn Ontario, hy late de ploech, dat is útfierd yn in myn yn Sudbury, Ontario. Ynstallaasje befettet ton swiere wetter, levere in liening by it regear fan Kanada. Swiere wetter is seldsum, mar de fansels foarkommende foarm fan wetter, wêrby't it hydrogen mei dêryn ien proton wurdt ferfongen troch syn swierdere isotoop deuterium, dy't bestiet út in proton en in neutron. Canadian regear stockpiled swiere wetter, m. K. It wurdt brûkt as in coolant yn in kearnreaktor. Alle trije soarten neutrino koenen destroy deuterium te foarmjen protoanen en neutroanen, de neutroanen en dan meiteld. Detector registrearre likernôch trije kear it oantal fergelike mei Davis - presys it bedrach dat bêste foarsei de sinne modellen. Dat suggerearret dat it elektron-neutrino kinne oscillate yn syn oare typen.

japanese eksperimint

Om 'e selde tiid, Takaaki Kadzita fan de Universiteit fan Tokio útfierde oar opmerklik eksperimint. In detektor oanbrocht yn de skacht yn Japan opnommen neutrino komt net út it binnenlân fan 'e sinne, en fan' e boppeste sfear. Yn proton collisions fan Kosmyske strielen mei de atmosfear wurde foarme buien fan oare dieltsjes, ynklusyf muon neutrino. Yn de mine se bekeard ta wetterstof kearnen yn muons. Detector Kadzity koe sjen dieltsjes komme yn twa rjochtings. Guon foel fan boppen, kommend út de atmosfear, wylst oaren binne it ferpleatsen fan út de boaiem. It oantal dieltsjes oars wie, dy't spruts oer harren ûnderskate aard - hja wiene op ferskate punten yn syn oscillatory syklus.

Revolúsje yn Science

It is allegear eksoatyske en ferrassende, mar wêrom neutrino oscillations en de massa lûke safolle omtinken? De reden is simpel. Yn de standert model fan legere dieltsje natuerkunde, ûntwikkele oer de lêste fyftich jierren fan de tweintichste ieu, dy't goed beskriuwt alle oare waarnimmings yn accelerators en oare eksperiminten, it neutrino wiene te wêzen massaleas. De fynst fan neutrino massa jout oan dat der wat mist. De Standert Model is net kompleet. Untbrekkende eleminten noch ûntdutsen wurde - mei help fan de Large Hadron Collider of de oare, noch net oanmakke firtuele masine.