Neutrino

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 21 februari 2022; kontroller kräver 7 redigeringar .
Neutrino  ( ν )
Förening fundamental partikel
En familj Fermioner
Grupp leptoner
Generation v
e
v
μ
v
τ
Deltar i interaktioner Svag ,
gravitationell
Antipartikel Antineutrino
Antal typer 6 ( elektronneutrino
muon neutrino
tau neutrino och deras antipartiklar )
Vikt 0,086  eV ( v
e, v
μ, v
τ) [1] [2] [3]
Livstid Stabil eller > 7⋅10 9 s ×( m ν /1 eV) −1
kvanttal
Elektrisk laddning 0
färgladdning 0
baryonnummer 0
B−L −1
Snurra ½ ħ
Svag hyperladdning −1
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Neutrino ( italiensk  neutrino -  neutron, diminutiv av neutron-  neutron) - det allmänna namnet på neutrala fundamentala partiklar [4] med halvheltalssnurr , som endast deltar i svaga och gravitationella interaktioner och tillhör klassen leptoner . För närvarande är tre typer av neutriner kända: elektron-, myon- och tau-neutriner, såväl som deras motsvarande antipartiklar.

Lågenergineutriner interagerar extremt svagt med materia och har därför en enorm väglängd i en mängd olika ämnen. Således har neutriner med en energi av storleksordningen 3-10 MeV  en medelfri väg i vatten av storleksordningen 10 18  m (ungefär hundra ljusår ). Nästan alla typer av stjärnor är genomskinliga för neutriner . Varje sekund passerar cirka 6⋅10 10  neutriner som sänds ut av solen genom ett område på jorden med en yta på 1 cm² , men deras inflytande på materia märks praktiskt taget inte. Samtidigt upptäcks högenergineutriner framgångsrikt genom deras interaktion med mål [6] .

Takaaki Kajita och Arthur MacDonald fick Nobelpriset i fysik 2015 "för deras upptäckt av neutrinoscillationer , som visar att neutrinos har massa" [7] [8] .

Egenskaper för neutrinon

Varje laddad lepton har sitt eget par neutriner/ antineutriner :

Olika typer av neutrinos kan förvandlas till varandra - dessa är de så kallade neutrinoscillationerna ; man tror att detta beror på att neutriner har en massa som inte är noll [9] .

I experiment med födelsen av ultrarelativistiska partiklar visades det att neutriner har negativ helicitet , medan antineutriner har positiv [10] .

Det finns teoretiska premisser som förutspår existensen av den fjärde typen av neutrino - den sterila neutrinon . Det finns ingen entydig experimentell bekräftelse på deras existens (till exempel i MiniBooNE , LSND projekt ) [11] .

Det är inte känt om neutrinon är sin egen antipartikel (se Majorana fermion ) [12] [11] .

Det är inte känt om CP-invariansen kränks under neutrinoscillationer [11] .

Mass

Neutrinos har en massa som inte är noll , men denna massa är extremt liten. Det faktum att en neutrino har en massa går utöver standardmodellens räckvidd och leder till behovet av att expandera den [13] . Den övre experimentella uppskattningen för summan av massorna för alla typer av neutriner är endast 0,28  eV [14] [15] . Skillnaden i kvadratiska massor av neutriner av olika generationer, erhållna från oscillationsexperiment , överstiger inte 2,7⋅10 −3 eV ² .

Information om det exakta värdet av neutrinomassan är viktig för att förklara fenomenet dold massa i kosmologin , eftersom det, trots dess litenhet, är möjligt att koncentrationen av neutriner i universum är tillräckligt hög för att avsevärt påverka medeldensiteten.

Teorin om tvåkomponentsneutrinon

I teorin om en tvåkomponentsneutrino beskrivs den av tvåkomponentvågfunktioner, som är lösningen av Dirac-ekvationen för partiklar med noll massa. Teorin föreslogs av Landau [16] , Salam [17] och Lee och Yang [18] . Enligt denna teori beskrivs neutrinon med ekvationen: . Detta är en tvåkomponentsekvation som erhålls från Dirac-ekvationen under förutsättning att den kombinerade pariteten bevaras . Här betecknar momentumoperatorn,  är en vektor av Pauli-matriser. Egenvärdena för denna ekvation är värdena där . De motsvarar neutrinons vågfunktioner, för vilka spinnet sammanfaller med momentum och antineutrino (för negativ energi) med momentum motsatt spinnet. Värdet av projiceringen av spinnet på momentumet kallas neutrinons helicitet. För ett givet momentum kan en neutrino vara i två tillstånd, motsvarande en partikel och en antipartikel. I dessa tillstånd är spinns riktningar med avseende på momentum motsatta.

Notera

Men som nämnts ovan har neutriner en vilomassa som inte är noll. Därför är teorin bara en första approximation med noll vilomassa.

Upptäcktshistorik

Ett av kärnfysikens huvudproblem under 20-30-talet av 1900-talet var problemet med beta-sönderfall : spektrumet av elektroner som bildas under β -sönderfall, mätt av den engelske fysikern James Chadwick redan 1914, är kontinuerligt , dvs. , flyger de ut ur kärnans

Å andra sidan ledde utvecklingen av kvantmekaniken på 1920-talet till en förståelse av diskretiteten i energinivåerna i atomkärnan: detta antagande gjordes av den österrikiska fysikern Lise Meitner 1922. Det vill säga att spektrumet av partiklar som emitteras under kärnans sönderfall måste vara diskret och visa energier lika med skillnaderna i energierna för de nivåer mellan vilka övergången sker under sönderfallet. Sådant är till exempel energispektrumet för alfapartiklar under alfasönderfall .

Således, kontinuiteten i β - sönderfallselektronspektrat kastade tvivel om lagen om energibevarande . Frågan var så akut att den berömda danske fysikern Niels Bohr vid Romkonferensen 1931 kom på idén om icke-bevarande av energi. Det fanns dock en annan förklaring - den "förlorade" energin bärs med av någon okänd och omärklig partikel.

Hypotesen om existensen av en extremt svagt interagerande partikel med materia (som en förklaring till det uppenbara brottet mot lagen om bevarande av energi i beta-förfall) lades fram den 4 december 1930 av Wolfgang Pauli - inte i en artikel, men i ett informellt brev till deltagare i en fysisk konferens i Tübingen :

...vilket betyder ... kontinuerligt β -spektrum, jag gjorde ett desperat försök att rädda "bytesstatistik" och lagen om energibevarande. Det finns nämligen en möjlighet att det i kärnorna finns elektriskt neutrala partiklar, som jag kommer att kalla "neutroner" och som har ett spinn på ½ ... Massan av "neutronen" i storleksordning bör vara jämförbar med massan av elektronen och i alla fall inte mer än 0,01 massproton . Det kontinuerliga β-spektrumet skulle då bli tydligt om vi antar att under β -sönderfallet emitteras också en "neutron" tillsammans med en elektron, så att summan av energierna för en "neutron" och en elektron förblir konstant. Jag erkänner att en sådan utväg kan verka osannolik vid första anblicken ... Men utan att riskera kommer du inte att vinna; allvaret i situationen med ett kontinuerligt β -spektrum illustrerades väl av min uppskattade föregångare, Mr. Debye , som nyligen sa till mig i Bryssel: "Åh... det är bättre att inte tänka på det alls som nya skatter." — "Ett öppet brev till en grupp radioaktiva människor samlade i Tübingen", op. enligt M.P. Rekalo, "Neutrino".

Pauli kallade partikeln han föreslog "neutron". När James Chadwick upptäckte den mycket mer massiva neutrala kärnpartikeln 1932 döpte han den till neutronen. Som ett resultat, i partikelfysik, användes denna term för att hänvisa till två olika partiklar. Enrico Fermi , som utvecklade teorin om beta-förfall, myntade termen "neutrino" 1934 för att lösa förvirringen. Ordet neutrino är översatt från italienska som "neutron". [19]

Vid Solvay-kongressen 1933 i Bryssel , levererade Pauli en artikel om mekanismen för β -sönderfall som involverade en ljus neutral partikel med spin  ½. Detta tal var faktiskt den första officiella publikationen tillägnad neutriner.

Neutrinon upptäcktes experimentellt 1956 av ett team ledd av Clyde Cowan och Frederick Reines . [20] [21]

Neutrinoforskning

Neutrinon studeras i dussintals laboratorier runt om i världen (se en ofullständig lista över experiment i neutrinofysik ) [11] .

Brist på solneutrino

Kärnreaktioner som sker i solens kärna leder till bildandet av ett stort antal elektronneutriner . Samtidigt visade mätningar av neutrinoflödet på jorden , som ständigt har gjorts sedan slutet av 1960-talet, att antalet registrerade solelektronneutriner är ungefär två till tre gånger mindre än vad som förutspåtts av den vanliga solmodellen som beskriver processer i Sol. Denna diskrepans mellan experiment och teori har kallats " solneutrinoproblemet " och har varit ett av solfysikens mysterier i mer än 30 år.

Två huvudsakliga sätt att lösa problemet med solneutrinos har föreslagits. För det första var det möjligt att modifiera modellen av solen på ett sådant sätt att den förväntade termonukleära aktiviteten (och därmed temperaturen ) i dess kärna minskade och följaktligen flödet av neutriner som sänds ut av solen. För det andra skulle man kunna anta att en del av de elektronneutriner som emitteras av solens kärna, när de rör sig mot jorden, förvandlas till neutriner av andra generationer som inte detekteras av konventionella detektorer (myon och tau neutriner) [22] .

Idag är det klart att det andra sättet med största sannolikhet är korrekt, det vill säga att olika typer av neutriner kan omvandlas till varandra; dessa är de så kallade neutrinoscillationerna , som bevisas av observationer av solneutriner [23] och vinkelanisotropin hos atmosfäriska neutriner , samt experiment med reaktor (se KamLAND ) och acceleratorneutriner [24] som utfördes i början av detta århundrade .

Dessutom bekräftas förekomsten av neutrinoscillationer direkt av experiment vid Sudbury , där solneutrinos av alla tre typerna direkt upptäcktes. och deras totala flöde har visat sig stämma överens med standardsolmodellen. I det här fallet visar sig bara ungefär en tredjedel av neutrinerna som når jorden vara elektroniska. Detta nummer överensstämmer med teorin som förutsäger övergången av elektronneutriner till neutriner av en annan generation både i vakuum (egentligen "neutrinooscillationer") och i solmateria (" Mikheev-Smirnov-Wolfenstein-effekten ").

Meddelande om ett möjligt överskridande av ljusets hastighet

Den 22 september 2011 tillkännagav OPERA- samarbetet registreringen av ett möjligt överskridande av ljusets hastighet av muonneutriner (med 0,00248%). [25] [26] [27] Neutrinos från SPS-acceleratorn ( CERN , Schweiz) ska ha kommit till detektorn (belägen på ett avstånd av 730 km i det underjordiska laboratoriet i Gran Sasso , Italien) 61±10 nanosekunder före det beräknade tid; detta värde erhölls efter i genomsnitt över 16 tusen neutrinohändelser i detektorn under tre år. Fysiker bad sina kollegor att kontrollera resultaten i liknande experiment MINOS ( Fermilab- laboratoriet nära Chicago) och T2K ( Japan ).

På mindre än en månad dök cirka 90 artiklar upp i preprint-arkivet , som gav möjliga förklaringar till den registrerade effekten [28] .

Den 23 februari 2012 tillkännagav OPERA-samarbetet upptäckten av två tidigare orapporterade effekter som kan ha en inverkan på processen att mäta neutrinoflygtiden. För att kontrollera graden av påverkan av dessa effekter på mätresultaten beslöts att genomföra nya experiment med neutrinostrålar [29] [30] .
Oberoende mätningar utförda i november-december 2011 i samma laboratorium ( ICARUS- experiment ) avslöjade inte superluminala neutrinohastigheter [31] .

I maj 2012 genomförde OPERA en serie kontrollexperiment och kom till den slutliga slutsatsen att orsaken till det felaktiga antagandet om superluminal hastighet var ett tekniskt fel (en dåligt insatt optisk kabelkontakt, vilket ledde till en klockfördröjning på 73 nanosekunder) [ 32] .

Elastisk koherent neutrinospridning

2017 upptäcktes experimentellt elastisk koherent neutrinospridning . Med denna effekt är det möjligt att skapa små portabla detektorer av neutrinostrålning [33] [34] .

Geoneutrino

Geoneutrinoforskning gör det möjligt att hitta fyndigheter av radioaktiva grundämnen.

Användningsperspektiv

En av de lovande användningsområdena för neutriner är neutrinoastronomi . Neutrinos bär viktig information om de tidiga stadierna av universums expansion [35] . Dessutom är det känt att stjärnor , förutom ljus, avger en betydande ström av neutriner som uppstår i processen med kärnreaktioner. Eftersom i de senare stadierna av stjärnutvecklingen förs upp till 90 % av den utstrålade energin bort på grund av neutriner ( neutrinokylning ), hjälper studiet av neutrinos egenskaper (särskilt energispektrumet hos solneutriner) till att bättre förstå dynamiken i astrofysiska processer. Dessutom reser neutriner långa sträckor utan absorption, vilket gör det möjligt att upptäcka och studera ännu mer avlägsna astronomiska objekt [36] .

En annan (praktisk) tillämpning är den nyligen utvecklade neutrinodiagnostiken för industriella kärnreaktorer . Experiment som utfördes i slutet av 1900-talet av fysiker från Kurchatov-institutet visade löftet om denna riktning, och idag pågår i Ryssland, Frankrike, Italien och andra länder arbete för att skapa neutrinodetektorer som kan mäta neutrinospektrumet i reaktor i realtid och därigenom styra både reaktoreffekten och och kompositbränslesammansättningen (inklusive produktion av vapenplutonium ).

Teoretiskt sett kan neutrinoflöden användas för att skapa kommunikationsmedel ( neutrinokommunikation ), vilket tilldrar sig militärens intresse: partikeln gör det teoretiskt möjligt att kommunicera med ubåtar som ligger på djupet, eller överföra information genom jorden [37] .

Neutrinos producerade som ett resultat av sönderfallet av radioaktiva grundämnen inuti jorden [38] kan användas för att studera jordens inre sammansättning. Genom att mäta flöden av geologiska neutriner vid olika punkter på jorden är det möjligt att kartlägga källorna till radioaktiv värmefrisättning inuti jorden [39] .

I kulturen

Anteckningar

  1. ↑ Astronomer mäter noggrant massan av neutriner för första gången . scitechdaily.com (10 februari 2014). Hämtad 7 maj 2014. Arkiverad från originalet 8 maj 2014.
  2. ↑ Foley, James A. Massa av neutrinos exakt beräknad för första gången, Physicists Report . natureworldnews.com (10 februari 2014). Hämtad 7 maj 2014. Arkiverad från originalet 8 maj 2014.
  3. ↑ Battye, Richard A.; Moss, Adam. Bevis för massiva neutrinos från kosmisk mikrovågsbakgrund och observationer  av linser // Physical Review Letters  : journal  . - 2014. - Vol. 112 , nr. 5 . — S. 051303 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.112.051303 . - . - arXiv : 1308.5870v2 . — PMID 24580586 .
  4. ↑ Elektromagnetisk modell av neutrinon . Hämtad 13 oktober 2017. Arkiverad från originalet 14 oktober 2017.
  5. ↑ Vår sol. Hämtad 18 november 2010. Arkiverad från originalet 13 mars 2011.
  6. ↑ Fysiskt uppslagsverk. Neutrino Arkiverad 29 oktober 2009 på Wayback Machine . Clyde Cowan och Frederic Reines , 1953-1957
  7. ↑ De tvekade. Varför delades Nobelpriset i fysik ut för neutrinotransformationer ? Hämtad 7 oktober 2015. Arkiverad från originalet 11 februari 2016.
  8. ↑ Gershtein S. S. , Kudenko Yu. G. Nobelpristagare 2015. I fysik - A. Macdonald, T. Kajita  // Nature . - Vetenskap , 2016. - Nr 1 . - S. 59-64 .
  9. ↑ Fysikens fem mysterier efter Higgs-bosonen. Neutrino massa . Hämtad 13 augusti 2014. Arkiverad från original 14 augusti 2014.
  10. ↑ Neutrino - artikel från Physical Encyclopedia
  11. ↑ 1 2 3 4 Kudenko Yu. G. Är neutrino nyckeln till universums mysterier?  // Naturen . - Vetenskap , 2017. - Nr 6 . - S. 3-11 .
  12. ↑ Fysikern Dmitry Kazakov om en partikel med noll elektrisk laddning, neutrinoscillationer och mörk materia Arkiverad 7 juli 2013 på Wayback Machine , 07/04/2013
  13. ↑ Joseph A. Formaggio, André Luiz C. de Gouvêa, R. G. Hamish Robertson. Direkta mätningar av neutrinomassa  (engelska)  // Fysikrapporter. — 2021-06-XX. — Vol. 914 . — S. 1–54 . - doi : 10.1016/j.physrep.2021.02.002 . Arkiverad från originalet den 22 november 2021.
  14. ↑ Astronomer har den mest exakta uppskattningen av massan av "spökpartikeln" . RIA Novosti (22 juni 2010). Hämtad 22 juni 2010. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  15. ↑ Shaun A. Thomas, Filipe B. Abdalla och Ofer Lahav. Övre gräns av 0,28 eV på neutrinomassor från den största fotometriska rödförskjutningsundersökningen   // Phys . Varv. Lett. . - 2010. - Vol. 105 , iss. 3 . — S. 031301 .  (inte tillgänglig länk)
  16. ↑ L.D. Landau. Möjliga egenskaper hos neutrinospinnet  // JETP. - 1957. - T. 5 . - S. 337-338 .
  17. ↑ A. Salam. Om paritetsbevarande och neutrinomassa  // Nuovo Cim .. - 1957. - V. 5 . - S. 299-301 . - doi : 10.1007/BF02812841 .
  18. ↑ TD Lee, CN Yang. Paritetsickekonservering och tvåkomponents neutrinoteori  // Phys. Rev.. - 1957. - T. 105 . - S. 1671-338 . - doi : 10.1103/PhysRev.105.1671 .
  19. ↑ M. F. L'Annunziata. radioaktivitet . - Elsevier , 2007. - S. 100. - ISBN 9780444527158 .
  20. ↑ Reines-Cowan-experimenten: Upptäcka poltergeisten   // Los Alamos Science :tidskrift. - 1997. - Vol. 25 . — S. 3 .
  21. ↑ F. Reines, C.L. Cowan, Jr. The Neutrino  (engelska)  // Nature  : journal. - 1956. - Vol. 178 , nr. 4531 . - S. 446 . - doi : 10.1038/178446a0 . - .
  22. ↑ Haxton, WC  The Solar Neutrino Problem  // Årlig översyn av astronomi och astrofysik : journal. - 1995. - Vol. 33 . - S. 459-504 .
  23. ↑ Extra-terrestrial Neutrinos Arkiverade 19 december 2013 på Wayback Machine // 2011 juli
  24. ↑ Kudenko Yu. G. Neutrino-fysik: blandningsvinkelns år , Nature , nr 11, 2012
  25. ↑ Mätning av neutrinohastigheten med OPERA-detektorn i CNGS-strålen Arkiverad 14 mars 2021 på Wayback Machine , 22 september 2011
  26. ↑ OPERA-experiment rapporterar superluminal neutrinoobservation Arkiverad 25 september 2011 på Wayback Machine  - Elements
  27. ↑ Lenta.ru: Framsteg: Hastiga neutroner . Hämtad 24 september 2011. Arkiverad från originalet 24 september 2011.
  28. ↑ GPS fick skulden för neutrinernas superluminala hastighet Arkivkopia av 19 oktober 2011 på Wayback Machine  :: Lenta.ru
  29. ↑ OPERA-experiment rapporterar anomali i flygtiden för neutriner från CERN till Gran Sasso Arkiverad 5 april 2013 på Wayback Machine // CERN Pressmeddelande, 23 februari 2012, Uppdatering 8 juni  2012
  30. ↑ Data om "superluminala" neutrinos kan ha dykt upp på grund av ett tekniskt fel Arkivkopia daterad 23 februari 2012 på Wayback Machine // RIA Novosti, 23 februari 2012
  31. ↑ ICARUS Collaboration et al. Mätning av neutrinohastigheten med ICARUS-detektorn vid CNGS-strålen // Physics Letters B. - 2012. - Vol. 713 (18 juli). — S. 17–22. - arXiv : 1203.3433 . - doi : 10.1016/j.physletb.2012.05.033 .
  32. ↑ OPERA-experimentet "stängde" äntligen superluminala neutrinos Arkivexemplar av 7 juli 2012 på Wayback Machine // ria.ru
  33. ↑ Alexey Poniatov. Tio största evenemang 2017 inom fysik och astronomi  // Science and Life . - 2018. - Nr 1 . - S. 9 .
  34. ↑ [ "Vi har sett processen förutspått för 43 år sedan". Intervju med Dmitry Akimov, deltagare i COHERENT-projektet, om den elastiska koherenta spridningen av neutriner på atomkärnor . Hämtad 12 januari 2018. Arkiverad från originalet 25 juli 2020. "Vi har sett processen förutspått för 43 år sedan." Intervju med COHERENT projektdeltagare Dmitry Akimov om elastisk koherent spridning av neutriner på atomkärnor]
  35. ↑ Doroshkevich A. G., Zeldovich Ya. B. , Novikov I. D. Kinetisk teori om neutriner i anisotropa kosmologiska modeller // Problems of Theoretical Physics. Samling tillägnad Nikolai Nikolaevich Bogolyubov i samband med hans sextioårsdag. - M., Nauka , 1969. - Upplaga 4000 ex. — c. 15-25
  36. ↑ Proceedings Arkiverad 29 januari 2009 på Wayback Machine av Bruno Pontecorvo
  37. ↑ "Beståndsdelar": Spökpartikel: Neutrino . Hämtad 31 maj 2010. Arkiverad från originalet 18 april 2010.
  38. ↑ G. Marx, I. Lux. Jordens antineutrino-glöd // Problems of Theoretical Physics. Samling tillägnad Nikolai Nikolaevich Bogolyubov i samband med hans sextioårsdag. - M., Nauka , 1969. - Upplaga 4000 ex. — c. 28-34
  39. ↑ Skorokhvatov M. D. Neutrino geofysik - första stegen
  40. ↑ Diskografi av Timur Shaov . Hämtad 28 april 2011. Arkiverad från originalet 12 maj 2011.

Litteratur

Länkar

Populärvetenskapliga filmer
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk