Hạt neutrino: định nghĩa, tính chất, mô tả. dao động neutrino - nó ...

Neutrino - một hạt cơ bản đó là rất giống với các electron, nhưng nó không có điện tích. Nó có một khối lượng rất nhỏ, mà thậm chí có thể không. Từ khối lượng của neutrino phụ thuộc vào tốc độ. Sự khác biệt về thời gian đến và chùm hạt là 0,0006% (± 0,0012%). Năm 2011, nó được thành lập trong thời gian thí nghiệm OPERA rằng vận tốc vượt quá tốc độ của neutrino ánh sáng, nhưng không phụ thuộc vào kinh nghiệm này đã không được xác nhận.

Các hạt khó nắm bắt

Đây là một trong những hạt phổ biến nhất trong vũ trụ. Kể từ khi nó tương tác rất ít với vật chất, nó là vô cùng khó khăn để phát hiện. Electron và neutrino không tham gia vào lực lượng hạt nhân mạnh mẽ, nhưng không kém phần tham gia vào yếu. Hạt có tính chất như vậy được gọi là lepton. Ngoài electron (positron và phản hạt), được gọi là lepton muon tính phí (200 khối lượng electron), tau (3500 khối lượng electron), và phản hạt của họ. Họ được gọi là: electron, muon và tau neutrino. Mỗi trong số họ có thành phần antimaterial, gọi là phản neutrino.

Muon và tau, giống như một electron, có hạt đi kèm. Nó muon và tau neutrino. Ba loại hạt khác nhau từ mỗi khác. Ví dụ, khi muon neutrino tương tác với các mục tiêu, họ luôn tạo ra muon và không bao giờ tau hay electron. Trong phản ứng của các hạt, mặc dù các electron và electron neutrino được tạo ra và bị phá hủy, số tiền của họ vẫn không thay đổi. Thực tế này dẫn đến một lepton tách thành ba loại, mỗi trong số đó sở hữu một lepton tính và neutrino đi kèm.

Phát hiện hạt này đòi hỏi một máy dò rất lớn và rất nhạy cảm. Như một quy luật, với neutrino năng lượng thấp sẽ đi du lịch trong nhiều năm ánh sáng để tương tác với vật chất. Do đó, tất cả các thí nghiệm mặt đất với họ dựa vào việc đo lường của một phần nhỏ tương tác với nhà đăng ký kích thước hợp lý. Ví dụ, trong một đài thiên văn neutrino Sudbury, chứa 1.000 tấn nước nặng đi qua máy dò khoảng 1012 neutrino mặt trời mỗi giây. Và chỉ 30 mỗi ngày được tìm thấy.

Lịch sử phát hiện

Wolfgang Pauli đầu tiên mặc nhiên công nhận sự tồn tại của hạt vào năm 1930. Tại thời điểm đó, có một vấn đề, bởi vì nó có vẻ rằng năng lượng và mômen động lượng không được lưu trữ trong phân rã beta. Nhưng Pauli đã chỉ ra rằng nếu có được không phát ra neutrino tương tác hạt trung tính, các định luật bảo toàn năng lượng sẽ được quan sát. nhà vật lý người Ý Enrico Fermi vào năm 1934 đã phát triển lý thuyết về phân rã beta, và đưa cho cô ấy tên của hạt.

Mặc dù tất cả các dự đoán trong 20 năm, neutrino không thể phát hiện bằng thực nghiệm do của nó tương tác yếu với vật chất. Bởi vì các hạt được tính bằng điện, họ không đóng vai trò lực lượng điện từ, và, do đó, họ không gây ion hóa chất. Thêm vào đó, họ phản ứng với các chất chỉ thông qua tương tác yếu lực nhẹ. Vì vậy, họ là những hạt hạ nguyên tử sâu sắc nhất có khả năng đi qua một số lượng lớn các nguyên tử mà không gây ra bất kỳ phản ứng. Chỉ 1 đến 10 tỷ đồng các hạt này đi du lịch qua lớp vải một khoảng cách tương đương với đường kính của Trái đất, phản ứng với proton hoặc neutron.

Cuối cùng, năm 1956 một nhóm các nhà vật lý Mỹ, dẫn dắt bởi Frederick Reines báo cáo các phát hiện của phản neutrino electron. Trong các thí nghiệm nó phản neutrino lò phản ứng hạt nhân bức xạ, phản ứng với một proton, neutron hình thành và positron. Duy nhất (và hiếm) chữ ký của năng lượng sau sản phẩm phụ là bằng chứng về sự tồn tại của hạt.

Mở tính lepton muon được điểm khởi đầu để xác định tiếp theo của neutrino Loại thứ hai - muon. Phát hiện của họ được thực hiện vào năm 1962 trên cơ sở kết quả của thí nghiệm trong một máy gia tốc hạt. Cao năng lượng neutrino muon phân rã thành lập bởi pi-meson và hướng đến các máy dò để nó là có thể để kiểm tra phản ứng của họ với các chất. Mặc dù thực tế rằng họ đều là phòng không phản ứng, cũng như các loại khác của các hạt, nó được phát hiện ra rằng trong những trường hợp hiếm hoi khi họ phản ứng với proton hoặc neutron, muon, muon neutrino, nhưng không bao giờ electron. Năm 1998, nhà vật lý Mỹ Leon Lederman, Melvin Schwartz và Dzhek Shteynberger đã được trao giải Nobel về vật lý cho việc xác định các muon neutrino.

Vào giữa những năm 1970, một nhà vật lý neutrino đạt được một loại lepton tính - tau. Tàu-neutrino và phản neutrino tau-được gắn liền với lepton này tính thứ ba. Năm 2000, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia. Enrico Fermi đã báo cáo bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về sự tồn tại của loại hạt này.

trọng lượng

Tất cả các loại neutrino có khối lượng, đó là ít hơn nhiều so với các đối tác của họ tính phí. Ví dụ, thí nghiệm cho thấy khối lượng của electron neutrino phải nhỏ hơn 0,002% khối lượng electron và tổng khối lượng của ba giống nên được ít hơn 0,48 eV. Ý nghĩ trong nhiều năm mà khối lượng của hạt là không, mặc dù không có bằng chứng lý thuyết hấp dẫn, tại sao nó phải là như vậy. Sau đó, vào năm 2002, Đài quan sát Sudbury Neutrino được thu thập bằng chứng trực tiếp đầu tiên mà electron neutrino phát ra bởi các phản ứng hạt nhân trong lõi của mặt trời, miễn là họ đi qua nó, thay đổi loại của nó. Như "dao động" neutrino có thể nếu một hoặc nhiều của các hạt có khối lượng nhỏ. nghiên cứu của họ sự tương tác của các tia vũ trụ trong bầu khí quyển của Trái đất cũng chỉ ra sự hiện diện của đại chúng, nhưng các thí nghiệm hơn nữa là cần thiết để xác định chính xác hơn nó.

nguồn

Các nguồn tự nhiên của neutrino - một phân rã phóng xạ của các nguyên tố trong đất, mà được phát ra tại một dòng chảy lớn của năng lượng thấp electron phản neutrino. Siêu tân tinh cũng thuận lợi neutrino hiện tượng, vì các hạt này chỉ có thể thâm nhập vào các tài liệu hyperdense hình thành trong một ngôi sao sụp đổ; chỉ là một phần nhỏ của năng lượng được chuyển thành ánh sáng. Các tính toán cho thấy khoảng 2% năng lượng mặt trời - các neutrino năng lượng hình thành trong phản ứng nhiệt hạch của phản ứng tổng hợp. Có khả năng rằng hầu hết các vật chất tối trong vũ trụ được tạo thành từ các neutrino được sản xuất trong vụ nổ Big Bang.

vấn đề vật lý

Lĩnh vực liên quan đến vật lý thiên văn neutrino, và đa dạng và nhanh chóng phát triển. vấn đề hiện tại mà thu hút một số lượng lớn các nỗ lực thực nghiệm và lý thuyết, như sau:

• quần chúng neutrino khác nhau là gì?
• Làm thế nào để chúng ảnh hưởng đến vũ trụ học, vụ nổ Big Bang?
• họ dao động?
• một loại neutrino có thể biến thành một khi họ đi qua vật chất và không gian?
• Là neutrino về cơ bản khác với phản hạt của chúng?
• Làm thế nào những ngôi sao sụp đổ để tạo thành một siêu tân tinh?
• vai trò của neutrino trong vũ trụ là gì?

Một trong những vấn đề lâu dài quan tâm đặc biệt là cái gọi là bài toán neutrino mặt trời. tên này đề cập đến một thực tế rằng trong một số thí nghiệm trên mặt đất được tiến hành trong 30 năm trở lại đây, liên tục quan sát các hạt nhỏ hơn mức cần thiết để tạo ra năng lượng bức xạ của mặt trời. Một giải pháp khả thi là dao động, tức là. E. Sự biến đổi của các electron neutrino để muon hay tau trong suốt chuyến đi đến Trái Đất. Vì vậy, bao nhiêu khó khăn hơn để đo muon năng lượng thấp hoặc tau neutrino, loại này chuyển đổi sẽ giải thích lý do tại sao chúng ta không thấy đúng lượng hạt trên trái đất.

Giải thưởng thứ tư Nobel

Giải Nobel Vật lý 2015 đã được trao cho Takaaki Kaji và Arthur MacDonald để phát hiện khối lượng neutrino. Đây là giải thưởng tương tự thứ tư liên quan với các phép đo thực nghiệm của các hạt. Ai đó có thể quan tâm đến các vấn đề về lý do tại sao chúng ta nên quan tâm quá nhiều về một cái gì đó mà hầu như không tương tác với vật chất thông thường.

Thực tế là chúng ta có thể phát hiện các hạt phù du, là một minh chứng cho sự khéo léo của con người. Kể từ khi các quy tắc của cơ học lượng tử, xác suất, chúng ta biết rằng, mặc dù thực tế rằng hầu hết các neutrino đi qua Trái đất, một số trong số họ sẽ tương tác với nó. Máy dò có khả năng đầy đủ kích thước lớn được đăng ký.

Các thiết bị như đầu tiên được xây dựng vào những năm sáu mươi, sâu trong một mỏ ở Nam Dakota. Trục tràn ngập trong chất lỏng L làm sạch 400 ngàn.. Tính trung bình neutrino một hạt hàng ngày tương tác với một nguyên tử clo, chuyển đổi nó thành argon. Kỳ diệu thay, Raymond Davis, người chịu trách nhiệm cho các máy dò, phát minh ra một phương pháp để phát hiện nhiều nguyên tử argon, và bốn thập kỷ sau, vào năm 2002, cho thiết kế kỹ thuật tuyệt vời này, ông đã được trao giải Nobel.

thiên văn học mới

Vì neutrino tương tác rất yếu, họ có thể di chuyển xa tuyệt vời. Họ cung cấp cho chúng ta một cái nhìn vào những nơi mà nếu không chúng tôi sẽ không bao giờ nhìn thấy. Neutrino phát hiện Davis, hình thành do kết quả của phản ứng hạt nhân diễn ra ở trung tâm của mặt trời, và đã có thể rời khỏi chỗ ngồi vô cùng dày đặc và nóng này chỉ vì họ không tương tác với vật chất khác. Bạn thậm chí có thể phát hiện neutrino phát ra từ trung tâm của một ngôi sao phát nổ ở khoảng cách hơn một trăm ngàn năm ánh sáng từ Trái đất.

Bên cạnh đó, các hạt này làm cho nó có thể để quan sát vũ trụ ở quy mô rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với những người trong đó có thể nhìn vào Large Hadron Collider tại Geneva, đã khám phá ra hạt Higgs. Đó là vì lý do này mà Ủy ban Nobel quyết định trao giải Nobel cho việc phát hiện ra neutrino của loại khác.

thiếu bí ẩn

Khi Ray Davis quan sát neutrino năng lượng mặt trời, ông chỉ tìm thấy một phần ba số lượng dự kiến. Hầu hết các nhà vật lí tin rằng lý do cho điều này là những kiến thức nghèo của vật lý thiên văn của mặt trời: có lẽ chiếu mô hình lòng đất đánh giá quá cao số lượng sản xuất trong neutrino của nó. Tuy nhiên, trong nhiều năm, thậm chí sau khi các mô hình năng lượng mặt trời đã được cải thiện, thâm hụt vẫn còn. Các nhà vật lý đã quan tâm đến một khả năng khác: các vấn đề có thể liên quan đến nhận thức của chúng ta về các hạt này. Theo lý thuyết, sau đó chiếm ưu thế họ không có trọng lượng. Nhưng một số nhà vật lý đã lập luận rằng trong thực tế các hạt có khối lượng vô cùng nhỏ, và khối lượng này là lý do vì thiếu họ.

hạt ba-Faced

Theo lý thuyết về dao động neutrino, trong tự nhiên, có ba loại khác nhau của họ. Nếu một hạt có khối lượng, mà khi nó di chuyển nó có thể chuyển từ kiểu này sang kiểu khác. Ba loại - electron, muon và tau - trong sự tương tác với các chất có thể được chuyển đổi sang các hạt tích điện tương ứng (electron và muon tau lepton). "Dao động" là do cơ học lượng tử. loại neutrino phải là không đổi. Nó thay đổi theo thời gian. Neutrino, bắt đầu sự tồn tại của nó như là một địa chỉ e-mail, có thể biến thành một muon, và sau đó trở lại. Do đó, một hạt, hình thành trong lõi của mặt trời, trên đường đến Trái đất có thể được định kỳ chuyển đổi thành neutrino muon và ngược lại. Kể từ Davis dò có thể phát hiện chỉ electron neutrino, có thể dẫn đến một sự chuyển hạt nhân của clo trong argon, dường như có thể là neutrino thiếu biến thành các loại khác. (Nó chỉ ra rằng neutrino dao động bên trong Mặt Trời, và không phải trên đường đến trái đất).

Thí nghiệm Canada

Cách duy nhất để kiểm tra điều này là tạo ra một máy dò mà làm việc cho tất cả ba loại neutrino. Bắt đầu từ những năm 90 Arthur McDonald của trường Đại học Queen ở Ontario, ông đã lãnh đạo nhóm nghiên cứu, được thực hiện tại một mỏ ở Sudbury, Ontario. Lắp đặt chứa tấn nước nặng, cung cấp một khoản vay của Chính phủ Canada. nước nặng là rất hiếm, nhưng dưới hình thức tự nhiên của nước, trong đó hydro chứa một proton được thay thế bằng đơteri đồng vị nặng của nó, trong đó bao gồm một proton và một neutron. Chính phủ Canada dự trữ nước nặng, m. K. Nó được sử dụng như một chất làm mát trong một lò phản ứng hạt nhân. Tất cả ba loại neutrino có thể phá hủy đơteri để tạo thành proton và neutron, các neutron và sau đó đếm. Detector đăng ký khoảng ba lần so với số lượng so với Davis - chính xác số tiền mà tốt nhất dự đoán mô hình mặt trời. Điều này cho thấy electron neutrino có thể dao động trong các loại khác của nó.

thí nghiệm Nhật Bản

Khoảng thời, Takaaki Kadzita từ Đại học Tokyo đã tiến hành một thí nghiệm đáng chú ý. Một máy dò gắn trong trục tại Nhật Bản ghi nhận neutrino đến không phải từ bên trong mặt trời, và từ thượng tầng khí quyển. Trong va chạm proton của các tia vũ trụ với bầu không khí được hình thành mưa của các hạt khác, bao gồm neutrino muon. Trong mỏ họ được chuyển đổi thành hạt nhân hydro trong muon. Detector Kadzity có thể nhìn thấy các hạt sắp tới theo hai hướng. Một số rơi từ trên cao, đến từ bầu khí quyển, trong khi những người khác đang di chuyển từ phía dưới. Số lượng các hạt là khác nhau, mà nói về bản chất khác nhau của họ - họ đã được tại các điểm khác nhau trong chu kỳ dao động của nó.

Cuộc cách mạng trong khoa học

Đó là tất cả dao động kỳ lạ và đáng ngạc nhiên, nhưng tại sao neutrino và khối lượng thu hút rất nhiều sự chú ý? Lý do rất đơn giản. Trong mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản, phát triển qua nhiều năm mươi năm cuối cùng của thế kỷ XX, trong đó mô tả một cách chính xác tất cả các quan sát khác trong máy gia tốc và các thí nghiệm khác, các neutrino đã được khối lượng. Việc phát hiện ra khối lượng neutrino chỉ ra rằng một cái gì đó là mất tích. Mô hình Chuẩn là không đầy đủ. Thiếu yếu tố chưa được phát hiện - với sự giúp đỡ của Large Hadron Collider này hay cách khác, chưa tạo máy ảo.