Neutrino partikel: definisi, sifat, deskripsi. osilasi neutrino - itu ...

Neutrino - sebuah partikel dasar yang sangat mirip dengan elektron, tetapi tidak memiliki muatan listrik. Ini memiliki massa yang sangat kecil, yang bahkan mungkin nol. Dari massa neutrino tergantung pada kecepatan. Perbedaan waktu kedatangan dan sinar partikel 0,0006% (± 0,0012%). Pada tahun 2011, didirikan selama percobaan OPERA bahwa kecepatan melebihi kecepatan neutrino cahaya, tetapi independen dari pengalaman ini belum dikonfirmasi.

Sulit dipahami partikel

Ini adalah salah satu partikel yang paling umum di alam semesta. Karena berinteraksi sangat sedikit dengan materi, itu sangat sulit untuk dideteksi. Elektron dan neutrino tidak berpartisipasi dalam gaya nuklir kuat, tapi sama berpartisipasi dalam lemah. Partikel memiliki sifat seperti itu disebut lepton. Selain elektron (positron dan anti-partikel), disebut lepton muon bermuatan (200 massa elektron), tau (3500 massa elektron), dan anti-partikel mereka. Mereka disebut: elektron, muon dan neutrino tau. Masing-masing memiliki komponen antimaterial, disebut antineutrino.

Muon dan tau, seperti elektron, memiliki partikel yang menyertainya. Ini muon dan tau neutrino. Tiga jenis partikel berbeda satu sama lain. Misalnya, ketika neutrino muon berinteraksi dengan target, mereka selalu menghasilkan muon dan tidak pernah tau atau elektron. Dalam reaksi dari partikel, meskipun elektron dan neutrino elektron diciptakan dan dihancurkan, jumlah mereka tetap tidak berubah. Fakta ini mengarah ke lepton pemisahan menjadi tiga jenis, yang masing-masing memiliki sebuah lepton bermuatan dan neutrino yang menyertainya.

Untuk mendeteksi partikel ini diperlukan detektor yang sangat besar dan sangat sensitif. Sebagai aturan, dengan neutrino energi yang rendah akan melakukan perjalanan selama bertahun-tahun cahaya untuk interaksi dengan materi. Akibatnya, semua percobaan tanah dengan mereka bergantung pada pengukuran sebagian kecil yang berinteraksi dengan pendaftar ukuran yang wajar. Sebagai contoh, dalam sebuah neutrino observatorium Sudbury, mengandung 1.000 ton air berat melewati detektor tentang 1012 neutrino surya per detik. Dan menemukan hanya 30 per hari.

Sejarah penemuan

Wolfgang Pauli pertama mendalilkan adanya partikel pada tahun 1930. Pada saat itu, ada masalah, karena tampaknya bahwa energi dan momentum sudut tidak disimpan dalam peluruhan beta. Tapi Pauli menunjukkan bahwa jika ada tidak dipancarkan neutrino berinteraksi partikel netral, hukum konservasi energi akan diamati. fisikawan Italia Enrico Fermi pada tahun 1934 mengembangkan teori peluruhan beta, dan memberinya nama partikel.

Meskipun semua prediksi selama 20 tahun, neutrino tidak dapat dideteksi secara eksperimental karena yang interaksi lemah dengan materi. Karena partikel bermuatan listrik, mereka tidak bertindak kekuatan elektromagnetik, dan, karena itu, mereka tidak menyebabkan ionisasi zat. Selain itu, mereka bereaksi dengan substansi hanya melalui interaksi lemah sedikit kekuatan. Oleh karena itu, mereka adalah partikel subatomik yang paling penetrasi mampu melewati sejumlah besar atom tanpa menyebabkan reaksi apapun. Hanya 1 sampai 10 miliar partikel-partikel ini perjalanan melalui kain dengan jarak yang sama dengan diameter Bumi, bereaksi dengan proton atau neutron.

Akhirnya, pada tahun 1956 sekelompok fisikawan Amerika, yang dipimpin oleh Frederick Reines melaporkan penemuan antineutrino elektron. Dalam percobaan itu Antineutrinos reaktor nuklir radiasi, bereaksi dengan proton, neutron membentuk dan positron. Unik (dan langka) tanda tangan energi yang terakhir oleh-produk adalah bukti keberadaan partikel.

Membuka dikenakan lepton muon itu titik awal untuk identifikasi selanjutnya dari jenis neutrino kedua - muon. identifikasi dilakukan pada tahun 1962 atas dasar hasil percobaan di akselerator partikel. -Energi tinggi neutrino muon pembusukan dibentuk oleh pi-meson dan diarahkan ke detektor sehingga bahwa adalah mungkin untuk memeriksa reaksi mereka dengan substansi. Terlepas dari kenyataan bahwa mereka adalah non-reaktif, serta jenis lain dari partikel, ditemukan bahwa dalam kasus yang jarang terjadi ketika mereka bereaksi dengan proton atau neutron, muon, muon neutrino, tetapi tidak pernah elektron. Pada tahun 1998, fisikawan Amerika Leon Lederman, Melvin Schwartz dan Dzhek Shteynberger dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika untuk identifikasi muon-neutrino.

Pada pertengahan 1970-an, neutrino fisika memperoleh jenis lain dari lepton bermuatan - tau. Tau-neutrino dan tau-antineutrino dikaitkan dengan lepton bermuatan ketiga ini. Pada tahun 2000, fisikawan di National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi melaporkan bukti eksperimental pertama dari keberadaan jenis partikel.

berat

Semua jenis neutrino memiliki massa, yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan pasangan mereka dikenakan biaya. Misalnya, percobaan menunjukkan bahwa massa elektron-neutrino harus kurang dari 0,002% dari massa elektron dan jumlah massa dari tiga varietas harus kurang dari 0,48 eV. Pikiran selama bertahun-tahun bahwa massa partikel adalah nol, meskipun tidak ada bukti teoritis menarik, mengapa harus seperti itu. Kemudian, pada tahun 2002, Observatorium Sudbury Neutrino diperoleh bukti langsung pertama bahwa elektron neutrino yang dipancarkan oleh reaksi nuklir di inti matahari, selama mereka melewati itu, mengubah jenisnya. Seperti "osilasi" neutrino mungkin jika salah satu atau lebih dari partikel memiliki massa kecil. studi mereka interaksi sinar kosmik di atmosfer bumi juga menunjukkan adanya massa, tetapi penelitian lebih lanjut diperlukan untuk lebih akurat menentukan itu.

sumber

sumber alami neutrino - sebuah peluruhan radioaktif dari unsur-unsur dalam bumi, yang dipancarkan pada arus besar rendah energi elektron-antineutrino. Supernova juga menguntungkan Neutrino fenomena, karena partikel-partikel ini hanya dapat menembus materi hyperdense terbentuk dalam bintang yang runtuh; hanya sebagian kecil dari energi yang dikonversi menjadi cahaya. Perhitungan menunjukkan bahwa sekitar 2% dari energi surya - neutrino energi yang terbentuk di reaksi termonuklir fusi. Sangat mungkin bahwa sebagian besar materi gelap alam semesta terdiri dari neutrino yang dihasilkan selama Big Bang.

masalah fisika

Bidang yang terkait dengan neutrino astrofisika, dan beragam dan berkembang pesat. isu-isu saat yang menarik sejumlah besar upaya eksperimental dan teoritis, sebagai berikut:

• Apa massa neutrino yang berbeda?
• Bagaimana mereka mempengaruhi kosmologi, Big Bang?
• mereka terombang-ambing?
• Bisa satu jenis neutrino berubah menjadi lain saat mereka melakukan perjalanan melalui materi dan ruang?
• Apakah neutrino dasarnya berbeda dari antipartikel mereka?
• Bagaimana bintang-bintang runtuh untuk membentuk supernova?
• Apa peran dari neutrino dalam kosmologi?

Salah satu masalah lama kepentingan tertentu adalah yang disebut masalah neutrino surya. Nama ini mengacu pada fakta bahwa selama beberapa percobaan terestrial yang dilakukan selama 30 tahun terakhir, terus mengamati partikel yang lebih kecil dari yang diperlukan untuk menghasilkan energi yang dipancarkan oleh matahari. Salah satu solusi yang mungkin adalah osilasi, yaitu. E. Transformasi neutrino elektron untuk muon atau tau selama perjalanan ke Bumi. Jadi berapa banyak lebih sulit untuk mengukur muon rendah-energi atau tau neutrino, jenis transformasi akan menjelaskan mengapa kita tidak melihat jumlah yang tepat dari partikel di Bumi.

Keempat Hadiah Nobel

Penghargaan Nobel dalam Fisika 2015 diberikan kepada Takaaki Kaji dan Arthur MacDonald untuk mendeteksi massa neutrino. Ini adalah penghargaan serupa keempat terkait dengan pengukuran eksperimental dari partikel-partikel ini. Seseorang mungkin tertarik pada pertanyaan mengapa kita harus peduli begitu banyak tentang sesuatu yang hampir tidak berinteraksi dengan materi biasa.

Fakta bahwa kita dapat mendeteksi partikel-partikel fana, merupakan bukti kecerdikan manusia. Karena aturan mekanika kuantum, probabilistik, kita tahu bahwa, meskipun fakta bahwa hampir semua neutrino melewati Bumi, beberapa dari mereka akan berinteraksi dengan itu. detektor mampu cukup ukuran besar terdaftar.

Perangkat tersebut pertama dibangun pada tahun enam puluhan, jauh di dalam sebuah tambang di South Dakota. poros itu diisi dengan 400 ribu. cairan L pembersihan. Rata-rata neutrino satu partikel harian berinteraksi dengan atom klorin, mengubahnya menjadi argon. Luar biasa, Raymond Davis, yang bertanggung jawab atas detektor, menemukan sebuah metode untuk mendeteksi beberapa atom argon, dan empat dekade kemudian, pada tahun 2002, untuk rekayasa prestasi luar biasa ini ia dianugerahi Hadiah Nobel.

astronomi baru

Karena neutrino berinteraksi sangat lemah, mereka dapat melakukan perjalanan jarak yang jauh. Mereka memberi kita sekilas ke tempat-tempat yang kalau tidak kita tidak pernah akan melihat. Neutrino terdeteksi Davis, terbentuk sebagai hasil dari reaksi nuklir yang terjadi di jantung matahari, dan mampu meninggalkan ini duduk sangat padat dan panas hanya karena mereka tidak berinteraksi dengan materi lainnya. Anda bahkan dapat mendeteksi neutrino yang dipancarkan dari pusat bintang yang meledak pada jarak lebih dari seratus ribu tahun cahaya dari Bumi.

Selain itu, partikel-partikel ini memungkinkan untuk mengamati alam semesta dalam skala yang sangat kecil, jauh lebih kecil daripada mereka yang dapat melihat ke dalam Large Hadron Collider di Jenewa, menemukan Higgs boson. Hal ini untuk alasan ini bahwa Komite Nobel memutuskan untuk penghargaan Hadiah Nobel untuk penemuan neutrino dari jenis lain.

kekurangan misterius

Ketika Ray Davis diamati neutrino surya, ia menemukan hanya sepertiga dari jumlah yang diharapkan. Kebanyakan fisikawan percaya bahwa alasan untuk ini adalah pengetahuan miskin astrofisika dari Matahari: mungkin bersinar Model lapisan tanah berlebihan jumlah yang diproduksi di neutrino nya. Namun demikian, selama bertahun-tahun, bahkan setelah model surya telah meningkat, defisit tetap. Fisikawan telah memperhatikan kemungkinan lain: masalah bisa berhubungan dengan persepsi kita tentang partikel-partikel ini. Menurut teori ini, maka menang mereka tidak memiliki berat. Tetapi beberapa fisikawan berpendapat bahwa sebenarnya partikel memiliki massa sangat kecil, dan massa ini adalah alasan untuk kurangnya mereka.

Tiga-Faced partikel

Menurut teori osilasi neutrino, di alam, ada tiga jenis yang berbeda dari mereka. Jika partikel memiliki massa, bahwa ketika bergerak itu bisa lewat dari satu jenis yang lain. Tiga jenis - elektron, muon dan tau - dalam interaksi dengan substansi dapat dikonversi ke partikel bermuatan yang sesuai (elektron dan muon tau lepton). "Oscillation" adalah karena mekanika kuantum. jenis neutrino tidak konstan. Berubah dari waktu ke waktu. Neutrino, yang dimulai keberadaannya sebagai e-mail, bisa berubah menjadi muon, dan kemudian kembali. Dengan demikian, partikel, yang terbentuk dalam inti matahari, dalam perjalanan ke Bumi dapat secara berkala diubah menjadi neutrino muon dan sebaliknya. Sejak Davis detektor dapat mendeteksi hanya elektron-neutrino, yang dapat menyebabkan transmutasi klorin di argon, tampaknya mungkin bahwa neutrino hilang berubah menjadi jenis lain. (Ternyata bahwa neutrino berosilasi dalam Matahari, dan bukan dalam perjalanan ke Bumi).

Percobaan Kanada

Satu-satunya cara untuk menguji ini adalah untuk menciptakan sebuah detektor yang bekerja untuk semua tiga jenis neutrino. Mulai dari tahun 90-an Arthur McDonald dari Universitas Queen di Ontario, ia memimpin tim, yang dilakukan dalam sebuah tambang di Sudbury, Ontario. Instalasi berisi ton air berat, memberikan pinjaman oleh Pemerintah Kanada. air berat jarang terjadi, namun bentuk alami dari air, dimana hidrogen mengandung satu proton digantikan oleh deuterium isotop yang lebih berat, yang terdiri dari proton dan neutron. Pemerintah Kanada ditimbun air berat, m. K. Hal ini digunakan sebagai pendingin dalam reaktor nuklir. Semua tiga jenis neutrino dapat menghancurkan deuterium untuk membentuk proton dan neutron, neutron dan kemudian dihitung. Detektor terdaftar sekitar tiga kali jumlah dibandingkan dengan Davis - persis jumlah yang terbaik memprediksi model berjemur. Hal ini menunjukkan bahwa elektron-neutrino dapat berosilasi dalam jenis lainnya.

percobaan Jepang

Sekitar waktu yang sama, Takaaki Kadzita dari University of Tokyo melakukan percobaan lain yang luar biasa. Sebuah detektor dipasang di poros di Jepang tercatat neutrino yang datang tidak dari interior matahari, dan dari bagian atas atmosfer. Dalam tabrakan proton sinar kosmik dengan atmosfer terbentuk hujan partikel lain, termasuk neutrino muon. Di tambang mereka akan dikonversi ke inti hidrogen di muon. Detektor Kadzity bisa melihat partikel datang dalam dua arah. Beberapa jatuh dari atas, berasal dari atmosfer, sementara yang lain bergerak dari bawah. Jumlah partikel berbeda, yang berbicara tentang alam mereka berbeda - mereka berada di titik yang berbeda dalam siklus osilasi nya.

Revolusi dalam Ilmu

Ini semua osilasi eksotis dan mengejutkan, tapi mengapa neutrino dan massa menarik begitu banyak perhatian? Alasannya sederhana. Dalam model standar fisika partikel elementer, dikembangkan selama lima puluh tahun terakhir abad kedua puluh, yang benar menggambarkan semua pengamatan lain di akselerator dan percobaan lainnya, neutrino yang menjadi tak bermassa. Penemuan massa neutrino menunjukkan bahwa ada sesuatu yang hilang. Model Standar tidak lengkap. elemen belum ditemukan hilang - dengan bantuan Large Hadron Collider atau yang lain, belum dibuat mesin virtual.