חלקיק הנייטרינו: הגדרה, מאפיינים, תיאור. תנודות נויטרינו - זה ...

הניוטרינו - חלקיק יסודי כי הוא דומה מאוד האלקטרון, אבל אין לו מטען חשמלי. יש לו מסה קטנה מאוד, אולי אפילו אפס. מתוך מסת הנייטרינו תלויה במהירות. ההבדל בזמן ההגעה ואת אלומת החלקיקים הוא 0,0006% (± 0,0012%). בשנת 2011, הוקם במהלך ניסוי OPERA כי המהירות עולה על המהירות של נויטרינו אור, אבל תלוי בהתנסות זו לא אשרה.

החלקיק החמקמק

זהו אחד החלקיקים הנפוצים ביותר ביקום. מאז היא הדדית מעט מאוד עם העניין, קשה מאוד לזהות. אלקטרונים ונייטרינים לא להשתתף הכוח הגרעיני החזק, אבל באותה מידה להשתתף חלש. חלקיקים בעלי תכונות כאלה נקראים לפטונים. בנוסף אלקטרונים (פוזיטרונים חלקיק), התייחס מואוני לפטונים טעונה (200 מסת האלקטרון), טאו (מסת האלקטרון 3500), ו האנטי-חלקיקים שלהם. הם נקראים: אלקטרונים, מואוני ונייטרינים טאו. לכל אחד מהם יש רכיב antimaterial, קרוי antineutrino.

מיואון ו טאו, כמו אלקטרון, יש חלקיקים נלווים. זה מואוני ונייטרינים טאו. שלושה סוגים של חלקיקים שונים זה מזה. לדוגמה, כאשר נויטרינו מואוני אינטראקציה עם היעד, הם תמיד לייצר מיואונים ולעולם טאו או אלקטרונים. בשנת התגובה של החלקיקים, למרות אלקטרוני נויטרינו אלקטרונים נוצרים ונהרסו, שסכומם הכולל נותר ללא שינוי. עובדה זו מובילה לפטונים פרדה לשלושה סוגים, אחד מהם הוא בעל לפטונים טעון נויטרינו הנלווה.

כדי לזהות חלקיק זה נדרש גלאי גדול מאוד ורגיש מאוד. ככלל, עם נויטרינו אנרגיה נמוכה תטייל עבור שנות אור רבות לאינטראקציה עם העניין. כתוצאה מכך, כל הניסויים בשטח איתם להסתמך על מדידת חלק קטן כי אינטראקציה עם רשמי גודל סביר. לדוגמא, בתוך מצפת נויטרינו Sudbury, המכיל 1000 טון של מים כבדים עובר דרך הגלאי כ 1012 נויטרינו סולארית לשנייה. ומצאתי רק 30 ליום.

היסטוריה של גילוי

וולפגנג פאולי הראשונה את קיומו של חלקיקים בשנת 1930. באותה תקופה, הייתה בעיה, כי זה נראה כי האנרגיה והתנע הזוויתי אינם מאוחסנים של התפרקות בטא. אבל הפאולים ציינו כי אם אין נפלטי נויטרינו אינטראקצית חלקיק ניטראלי, חוק שימור האנרגיה יקוים. הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי 1934 פיתח את התיאוריה של התפרקות בטא, ונתן לה את השם של החלקיק.

למרות כל התחזיות עבור 20 שנים, נויטרינו לא ניתן לאתר בניסוי בשל שלה אינטראקציה חלשה עם העניין. בגלל החלקיקים טעונים חשמלית, הם אינם פועלים כוחות אלקטרומגנטיים, ולכן הם אינם גורמים יינון של החומר. בנוסף, הם מגיבים עם החומר רק באמצעות כוח קל אינטראקציות חלשות. לכן, הם חלקיקים תת-אטומיים ביותר חודר מסוגל לעבור דרך מספר עצום של אטומים, מבלי לגרום לתופעות. רק 1 ל 10 מיליארד חלקיקי אלה נסיעה דרך הבד על ידי מרחק שווה לקוטר של כדור הארץ, מגיב עם פרוטונים או נויטרונים.

לבסוף, בשנת 1956 קבוצה של פיזיקאים אמריקאים, בראשות פרדריק ריינס דיווחו על גילוי של antineutrino אלקטרונים. בניסויים זה antineutrinos כור גרעיני מוקרן, מגיב עם פרוטונים, ניטרונים להרכיב ופוזיטרונים. חתימות אנרגיה ייחודיות (ונדירות) של האחרון תוצרי הלוואי הייתה הוכחה לקיומו של החלקיק.

פתיחת מיואונים לפטונים טעונה היתה נקודת המוצא לצורך זיהוי בדיעבד של נויטרינו הסוג השני - מואוני. ההזדהות שלהם בוצעה 1962 על בסיס תוצאות הניסוי במאיץ חלקיקים. נויטרינו ריקבון מיואונים של אנרגיות גבוהות נוצר על ידי ומזונים-pi וביים את הגלאי כך ניתן היה לבחון את תגובתם עם החומר. למרות העובדה כי הם הלא מגיב, כמו גם סוגים אחרים של חלקיקים, נמצא כי במקרים נדירים כאשר הם מגיבים עם פרוטונים ונויטרונים או, מיואונים, מיואונים נויטרינו, אבל מעולם אלקטרונים. בשנת 1998, האמריקאי פיזיקאים לאון לדרמן, מלווין שוורץ Dzhek Shteynberger זכו בפרס נובל לפיזיקה על זיהוי-נויטרינו מואוני.

באמצע שנות ה -1970, הפיזיקה נויטרינו צבר סוג אחר של לפטונים טעונה - טאו. טאו-נייטרינים-antineutrinos טאו היו קשורים עם לפטון הטעון השלישי הזה. בשנת 2000, פיזיקאים במעבדת המאיץ הלאומית. אנריקו פרמי דיווח על הראיות הניסיוניות הראשונות של קיומו של סוג זה של חלקיקים.

משקל

כל סוגי נויטרינו יש מסה, וזה הרבה פחות מזו של בני זוגן הטעונים. לדוגמה, ניסויים מראים כי המסה של-נייטרינו אלקטרוני חייב להיות פחות מ 0.002% ממסת האלקטרון לבין סכום המסות של שלושת הזנים צריך להיות פחות מ 0.48 eV. המחשבה במשך שנים רבות כי המסה של החלקיקים היא אפס, למרות שאין עדויות תיאורטיות משכנעות, למה זה צריך להיות ככה. ואז, בשנת 2002, מצפת הניוטרינו Sudbury הושגה את התיעוד הישיר הראשון כי אלקטרון נפלט נויטרינו ידי תגובות גרעיני הליבה של השמש, כל עוד הם עוברים את זה, לשנות את הסוג שלה. "תנודות" כזה נויטרינו אפשרי אם אחד או יותר של חלקיקים בעלי מסה קטנה. במחקריהם את האינטראקציה של קרניים קוסמיות באטמוספירה של כדור הארץ גם להעיד על נוכחות של מסה, אבל ניסויים נוספים נדרשים באופן מדויק יותר להגדיר את זה.

מקורות

מקורות טבעיים של נויטרינו - דעיכה רדיואקטיבית של אלמנטים בתוך האדמה, אשר נפלט זרימה גדולה של antineutrino-אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה. סופרנובות הן גם לתועלתו הניוטרינו תופעה, שכן חלקיקים אלה יכולים רק לחדור לחומר hyperdense נוצר כוכב קורס; רק חלק קטן מהאנרגיה מומר האור. חישובים מראים כי כ 2% של אנרגיה סולארית - הנויטרינו האנרגיה נוצר תגובות של התרמו- פיוז'ן. סביר להניח כי רוב החומר האפל של היקום מורכב של נויטרינו הנוצר במהלך המפץ הגדול.

בעיות בפיסיקה

בתחומים קשורים הניוטרינו אסטרופיזיקה, ו מגוונים ומשתנים במהירות. סוגיות נוכחיות שמושכות מספר רב של מאמצים ניסוייים ותיאורטית, את הדברים הבאים:

• מהן מסות הנייטרינים השונות?
• וכיצד הן משפיעות הקוסמולוגיה, המפץ הגדול?
• הם להתנדנד?
• סוג של נייטרינו Can אחת הופך אחר כפי שהם עוברים דרך חומר ומרחב?
• האם נויטרינו שונה במהותו מן אנטי-חלקיק שלהם?
• איך הכוכבים לקרוס וליצור סופרנובה?
• מהו תפקידה של נויטרינו הקוסמולוגיה?

אחת הבעיות ארוכת השנים של עניין מיוחד הוא את בעיית הנייטרינו הסולארי שנקרא. שם זה מתייחס לעובדה כי במהלך מספר ניסויים בכדור ארץ שנערכו במהלך 30 השנים האחרונות, ללא הרף נצפה החלקיקים קטנים יותר ממה שצריך כדי לייצר את האנרגיה הקרינה על ידי השמש. פתרון אפשרי אחד הוא התנודה, כלומר. א הטרנספורמציה של נויטרינו אלקטרון כדי מואוני או טאו במהלך הנסיעה לכדור הארץ. אז איך הרבה יותר קשה למדוד מואוני או נויטרינו טאו אנרגיה נמוכה, סוג זה של טרנספורמציה יכול להסביר למה אנחנו לא רואים את הכמות הנכונה של חלקיקים על פני כדור הארץ.

פרס הנובל הרביעי

פרס נובל בפיזיקה 2015 הוענק Takaaki Kaji וארתור מקדונלד לגילוי של מסת הנויטרינו. זה היה הפרס דומה הרביעי קשור למדידות ניסיוני של חלקיקים אלה. מישהו עשוי להיות מעוניין בשאלה מה אכפת לנו כל כך הרבה על משהו שבקושי אינטראקציה עם חומר רגיל.

העובדה שאנו יכולים לזהות חלקיקים חלוף אלה, היא עדות התושייה האנושית. מאז הכללים של מכניקת הקוונטים, הסתברותית, אנו יודעים כי, למרות העובדה שכמעט כל נויטרינו לעבור דרך כדור הארץ, חלקם יהיו אינטראקציה עם זה. הגלאי הוא מסוגל גודל גדול מספיק רשום.

המכשיר הראשון נבנה בשנות השישים, עמוק במכרה בדרום דקוטה. הפיר היה מלא ב -400 אלף. L ניקוי נוזלים. ביום ניטרינו אחד החלקיקים הממוצע אינטראקציה יומית באטום כלור, והפיכתו ארגון. לא אאמן, ריימונד דייוויס, שהיה אחראי על הגלאי, המציא שיטה לגילוי אטום ארגון מרובה, וארבעה עשורים מאוחר יותר, בשנת 2002, עבור הישג הנדסי מדהים זה הוענק לו פרס נובל.

אסטרונומיה חדשה

מכיוון נויטרינו מגיב כל כך חלש, הם יכולים לנסוע מרחקים גדולים. הם נותנים לנו הצצה לתוך מקומות שאחרת לא היינו רואים. הנייטרינו זוהה דייויס, נוצר כתוצאה של תגובות גרעיניות שהתרחשו בלב השמש, ויכלו לעזוב להפליא זה מושב צפוף וחם רק בגלל שהם לא מתקשרים עם עניין אחר. אתה אפילו יכול לזהות נויטרינו הנפלט ממרכז כוכב שהתפוצץ במרחק של יותר ממאה אלף שנות אור מכדור הארץ.

בנוסף, חלקיקים אלה מאפשרים לבחון את היקום בקנה המידה שלה מאוד קטן, קטן בהרבה מאלה שבן יכול להסתכל לתוך מאיץ ההדרונים הגדול בז'נבה, גילה את בוזון היגס. מסיבה זו, כי ועדת נובל החליטה להעניק את פרס נובל על גילוי הניטרינו מסוג אחר.

מחסור מסתורי

כאשר ריי דיוויס ציין נויטרינו שמש, הוא מצא רק שליש מהכמות הצפויה. רוב הפיזיקאים מאמינים כי הסיבה לכך היא אי ידיעת האסטרופיסיקה של השמש: אולי זרחו מודל תשתית בהערכת כמות מיוצר הניטרינו שלה. אף על פי כן, במשך שנים רבות, גם לאחר המודלים סולארית השתפרו, הגירעון נשאר. פיזיקאים שילמו לב לאפשרות אחרת: הבעיה יכולה להיות קשורה לתפיסה שלנו של חלקיקים אלה. על פי התיאוריה, שהיתה עתידה להתקיים שלא היה להם משקל. אבל כמה פיסיקאים טענו כי למעשה יש את החלקיקים מסה זעירה, ומסה זו הייתה הסיבה לחוסר שלהם.

חלקיקי שלושה פרצופים

על פי התיאוריה של תנודות נויטרינו, בטבע, ישנם שלושה סוגים שונים של אותם. אם חלקיק בעל מסה, כי כפי שהוא נע זה יכול לעבור מסוג אחד למשנהו. שלושה סוגים - אלקטרונים, מיואונים ו טאו - באינטראקציה עם החומר ניתן להמיר את החלקיק הטעון המקביל (אלקטרון לבין טאו מואוני לפטונים). "תנודה" נובעת המכניקה הקוונטית. סוג הנויטרינו אינו קבוע. זה משתנה עם הזמן. הנייטרינו, שהחל קיומה כמו דואר אלקטרוני, יכול להפוך מואון, ולאחר מכן חזרה. לפיכך, חלקיק, יצרו את הליבה של השמש, בדרך לכדור הארץ ניתן להמיר מעת לעת לחלקיקי ניטרינו מואוני ולהיפך. מאז גלאי דייויס יכולים לזהות אלקטרון-נויטרינו בלבד, אשר עלול להוביל שנוי גרעין של כלור ארגון, זה נראה אפשרי כי הניטרינו החסר הפך סוגים אחרים. (מתברר שחלקיקי נייטרינו להתנדנד בתוך השמש, ולא בדרך לכדור הארץ).

הניסוי הקנדי

הדרך היחידה לבדוק זאת הייתה ליצור גלאי כי עבד במשך כל שלושת סוגי הנויטרינו. החל משנות ה -90 ארתור מקדונלד מאוניברסיטת קווינס באונטריו, הוא הוביל את הקבוצה, אשר מתבצעת במכרה ב Sudbury, אונטריו. התקנה המכילה טונות של מים כבדים, העמידה הלוואה על ידי ממשלת קנדה. מים כבדים נדירים, אבל הצורה הטבעית של מים, שבה המימן המכיל פרוטון אחד מוחלף דאוטריום איזוטופ הכבד שלה, אשר כולל פרוטון ניטרון. ממשלת קנדה ואגרה מים כבדים, מ. ק הוא משמש בתור נוזל קירור בכור גרעיני. כל שלושת הסוגים של נויטרינו יכולה להרוס דאוטריום ליצירת פרוטונים ונויטרונים, נויטרונים, ואז ספרה. גלאי רשומים כשלוש פעמים מספר לעומת דייויס - בדיוק הסכום המתאים ביותר חזו המודלים סאן. הדבר מצביע על כך אלקטרון-נויטרינו יכול להתנדנד סוגים אחרים שלה.

ניסוי יפני

בערך באותו זמן, Takaaki Kadzita מאוניברסיטת טוקיו שנערך ניסוי נוסף ראוי לציון. גלאי הרכוב בפיר ביפן רשם נויטרינו קרוב לא מפנה את השמש, ומן האווירה העליונה. בהתנגשויות פרוטון של קרניים קוסמיות עם האווירה נוצרות מקלחות של חלקיקים אחרים, לרבות נויטרינו מואוני. במכרה הם מומרים גרעיני מימן ב מיואונים. גלאי Kadzity יכול לראות חלקיקים מגיעים בשני כיוונים. חלקם נפלו מלמעלה, מגיע מהאטמוספירה, בעוד שאחרים עוברים מלמטה. מספר החלקיקים היה שונה, כי דברו על האופי השונה שלהם - הם היו בנקודות שונות במחזור תנודתית שלה.

מהפכה במדעים

זה הכל האקזוטי ומפתיעות, אבל למה תנודות הנייטרינים לבין המסה למשוך תשומת לב כל כך הרבה? הסיבה היא פשוטה. במודל הסטנדרטי של פיזיקת חלקיקים יסודית, שפותח במשך חמישים השנים האחרונות של המאה עשרים, אשר מתארת נכון את כל התצפיות האחרות במאיצים וניסויים אחרים, הנויטרינו היה להיות חסרי מסה. הגילוי של מסת הנויטרינו מעיד שמשהו חסר. המודל הסטנדרטי אינו שלם. חסרים רכיבים ויתגלו - בעזרת מאיץ ההדרונים הגדול או השני, טרם נוצר מכונה וירטואלית.