Neutrino

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 21. februar 2022; checks kræver 7 redigeringer .
Neutrino  ( ν )
Forbindelse fundamental partikel
En familie Fermioner
Gruppe Leptoner
Generation v
e
v
μ
v
τ
Deltager i interaktioner Svag ,
gravitationel
Antipartikel Antineutrino
Antal typer 6 ( elektron neutrino
muon neutrino
tau neutrino og deres antipartikler )
Vægt 0,086  eV ( v
e, v
μ, v
τ) [1] [2] [3]
Livstid Stabil eller > 7⋅10 9 s ×( m ν /1 eV) −1
kvantetal
Elektrisk ladning 0
farveladning 0
baryon nummer 0
B−L −1
Spin ½ ħ
Svag hypercharge −1
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Neutrino ( italiensk  neutrino  -neutron, diminutiv af neutron  -neutron) - det generelle navn på neutrale fundamentale partikler [4] med et halvt heltals spin , der kun deltager i svage og gravitationsinteraktioner og tilhører klassen af ​​leptoner . I øjeblikket kendes tre typer neutrinoer: elektron-, muon- og tau-neutrinoer, såvel som deres tilsvarende antipartikler.

Lavenergineutrinoer interagerer ekstremt svagt med stof og har derfor en enorm vejlængde i en lang række stoffer. Således har neutrinoer med en energi i størrelsesordenen 3-10 MeV  en middel fri vej i vand i størrelsesordenen 10 18  m (ca. hundrede lysår ). Næsten alle typer stjerner er gennemsigtige for neutrinoer . Hvert sekund passerer omkring 6⋅10 10  neutrinoer udsendt af Solen gennem et område på Jorden med et areal på 1 cm² , men deres indflydelse på stoffet mærkes praktisk talt ikke. Samtidig bliver højenergineutrinoer detekteret med succes ved deres interaktion med mål [6] .

Takaaki Kajita og Arthur MacDonald modtog 2015 Nobelprisen i fysik "for deres opdagelse af neutrinoscillationer , der viser, at neutrinoer har masse" [7] [8] .

Neutrinoens egenskaber

Hver ladet lepton har sit eget par neutrinoer/ antineutrinoer :

Forskellige typer neutrinoer kan forvandle sig til hinanden - det er de såkaldte neutrinoscillationer ; det menes, at dette skyldes, at neutrinoer har en masse, der ikke er nul [9] .

I forsøg med fødslen af ​​ultrarelativistiske partikler blev det vist, at neutrinoer har negativ helicitet , mens antineutrinoer har positiv [10] .

Der er teoretiske præmisser, der forudsiger eksistensen af ​​den fjerde type neutrino - den sterile neutrino . Der er ingen entydig eksperimentel bekræftelse af deres eksistens (for eksempel i MiniBooNE , LSND projekter ) [11] .

Det vides ikke, om neutrinoen er sin egen antipartikel (se Majorana fermion ) [12] [11] .

Det vides ikke, om CP-invariansen overtrædes under neutrinoscillationer [11] .

Masse

Neutrinoer har en masse , der ikke er nul , men denne masse er ekstremt lille. Det faktum, at en neutrino har en masse, går ud over standardmodellens rækkevidde og fører til behovet for at udvide den [13] . Det øvre eksperimentelle estimat for summen af ​​masserne af alle typer neutrinoer er kun 0,28  eV [14] [15] . Forskellen i kvadrerede masser af neutrinoer af forskellige generationer, opnået fra oscillationseksperimenter , overstiger ikke 2,7⋅10 −3 eV ² .

Oplysninger om den nøjagtige værdi af neutrinomassen er vigtig for at forklare fænomenet skjult masse i kosmologi , da det på trods af dens lillehed er muligt, at koncentrationen af ​​neutrinoer i universet er høj nok til signifikant at påvirke den gennemsnitlige tæthed.

Teorien om to-komponent neutrinoen

I teorien om en to-komponent neutrino beskrives den ved to-komponent bølgefunktioner, som er løsningen af ​​Dirac-ligningen for partikler med nul masse. Teorien blev foreslået af Landau [16] , Salam [17] og Lee og Yang [18] . Ifølge denne teori beskrives neutrinoen ved ligningen :. Dette er en to-komponent ligning opnået fra Dirac-ligningen under den betingelse, at den kombinerede paritet bevares . Her betegner momentumoperatoren,  er en vektor af Pauli-matricer. Egenværdierne af denne ligning er værdierne hvor . De svarer til neutrinoens bølgefunktioner, for hvilke spindet falder sammen med momentum og antineutrino (for negativ energi) med momentum modsat spin. Værdien af ​​projiceringen af ​​spin på momentum kaldes neutrinoens helicitet. For et givet momentum kan en neutrino være i to tilstande, svarende til en partikel og en antipartikel. I disse tilstande er retningerne af spin i forhold til momentum modsatte.

Bemærk

Men som nævnt ovenfor har neutrinoer en hvilemasse, der ikke er nul. Derfor er teorien kun en første tilnærmelse med nul hvilemasse.

Opdagelseshistorie

Et af hovedproblemerne inden for kernefysik i 20-30'erne af det XX århundrede var problemet med beta-henfald : Spektret af elektroner dannet under β -henfald, målt af den engelske fysiker James Chadwick tilbage i 1914, er kontinuerligt , dvs. , de flyver ud af kernen

På den anden side førte udviklingen af ​​kvantemekanikken i 1920'erne til en forståelse af diskretiteten af ​​energiniveauer i atomkernen: denne antagelse blev lavet af den østrigske fysiker Lise Meitner i 1922. Det vil sige, at spektret af partikler, der udsendes under henfaldet af kernen, skal være diskret og vise energier svarende til forskellene i energierne på de niveauer, mellem hvilke overgangen sker under henfaldet. Sådan er for eksempel energispektret af alfapartikler under alfa-henfald .

Kontinuiteten af ​​β - henfaldselektronspektret sår således tvivl om loven om energibevarelse . Spørgsmålet var så akut, at den berømte danske fysiker Niels Bohr ved Rom-konferencen i 1931 kom med ideen om ikke-bevarelse af energi. Der var dog en anden forklaring - den "tabte" energi bliver båret væk af en eller anden ukendt og umærkelig partikel.

Hypotesen om eksistensen af ​​en ekstremt svagt interagerende partikel med stof (som en forklaring på den tilsyneladende overtrædelse af loven om bevarelse af energi i beta-henfald) blev fremsat den 4. december 1930 af Wolfgang Pauli - ikke i en artikel, men i et uformelt brev til deltagere i en fysisk konference i Tübingen :

... hvilket betyder ... kontinuerligt β -spektrum, jeg gjorde et desperat forsøg på at redde "udvekslingsstatistikker" og loven om energibevarelse. Der er nemlig en mulighed for, at der i kernerne er elektrisk neutrale partikler, som jeg vil kalde "neutroner", og som har et spin på ½ ... Massen af ​​"neutronen" i størrelsesorden burde være sammenlignelig med massen af elektronen og under alle omstændigheder ikke mere end 0,01 masse proton . Det kontinuerte β-spektrum ville så blive tydeligt, hvis vi antager, at der under β -henfald også udsendes en "neutron" sammen med en elektron, således at summen af ​​energierne af en "neutron" og en elektron forbliver konstant. Jeg indrømmer, at en sådan udvej kan virke usandsynlig ved første øjekast ... Men uden at risikere, vil du ikke vinde; alvoren af ​​situationen med et kontinuerligt β -spektrum blev godt illustreret af min ærede forgænger, hr. Debye , som for nylig fortalte mig i Bruxelles: "Åh ... det er bedre slet ikke at tænke på det som nye skatter." — "Et åbent brev til en gruppe radioaktive mennesker samlet i Tübingen", op. ifølge M.P. Rekalo, "Neutrino".

Pauli kaldte den partikel, han foreslog, "neutron". Da James Chadwick opdagede den meget mere massive neutrale nukleare partikel i 1932, kaldte han den neutronen. Som et resultat, i partikelfysik, blev dette udtryk brugt til at henvise til to forskellige partikler. Enrico Fermi , som udviklede teorien om beta-henfald, opfandt udtrykket "neutrino" i 1934 for at løse forvirringen. Ordet neutrino er oversat fra italiensk til "neutron". [19]

På Solvay-kongressen i 1933 i Bruxelles afleverede Pauli et papir om mekanismen for β - henfald, der involverede en let neutral partikel med spin  ½. Denne tale var faktisk den første officielle publikation dedikeret til neutrinoer.

Neutrinoen blev eksperimentelt opdaget i 1956 af et hold ledet af Clyde Cowan og Frederick Reines . [20] [21]

Neutrino forskning

Neutrinoen bliver undersøgt i snesevis af laboratorier rundt om i verden (se en ufuldstændig liste over eksperimenter i neutrinofysik ) [11] .

Mangel på solneutrino

Nukleare reaktioner , der forekommer i Solens kerne, fører til dannelsen af ​​et stort antal elektronneutrinoer . Samtidig viste målinger af neutrinofluxen på Jorden , som konstant er blevet foretaget siden slutningen af ​​1960'erne, at antallet af registrerede solelektronneutrinoer er cirka to til tre gange mindre end forudsagt af standardsolmodellen, der beskriver processer i Sol. Denne uoverensstemmelse mellem eksperiment og teori er blevet kaldt " solneutrinoproblemet " og har været et af solfysikkens mysterier i mere end 30 år.

To hovedmåder til at løse problemet med solneutrinoer er blevet foreslået. For det første var det muligt at modificere modellen af ​​Solen på en sådan måde, at den forventede termonukleære aktivitet (og dermed temperaturen ) i dens kerne og dermed strømmen af ​​neutrinoer udsendt af Solen blev reduceret. For det andet kunne det antages, at nogle af de elektronneutrinoer, der udsendes af Solens kerne, når de bevæger sig mod Jorden, bliver til neutrinoer af andre generationer , som ikke detekteres af konventionelle detektorer (myon og tau neutrinoer) [22] .

I dag er det klart, at den anden måde højst sandsynligt er korrekt, det vil sige, at forskellige typer neutrinoer kan omdannes til hinanden; det er de såkaldte neutrinoscillationer , som er bevist ved observationer af solneutrinoer [23] og vinkelanisotropien af ​​atmosfæriske neutrinoer , samt forsøg med reaktor (se KamLAND ) og accelerator neutrinoer [24] udført i begyndelsen af dette århundrede .

Desuden bekræftes eksistensen af ​​neutrinoscillationer direkte af eksperimenter ved Sudbury , hvor solneutrinoer af alle tre typer blev direkte påvist. og deres samlede flux har vist sig at være i overensstemmelse med standard solmodellen. I dette tilfælde viser kun omkring en tredjedel af de neutrinoer, der når Jorden, at være elektroniske. Dette tal er i overensstemmelse med teorien, der forudsiger overgangen af ​​elektronneutrinoer til neutrinoer af en anden generation både i vakuum (faktisk "neutrino-oscillationer") og i solstof (" Mikheev-Smirnov-Wolfenstein-effekten ").

Besked om en mulig overskridelse af lysets hastighed

Den 22. september 2011 annoncerede OPERA -samarbejdet registreringen af ​​en mulig overskridelse af lysets hastighed af muon-neutrinoer (med 0,00248%). [25] [26] [27] Neutrinoer fra SPS-acceleratoren ( CERN , Schweiz) ankom angiveligt til detektoren (placeret i en afstand af 730 km i det underjordiske laboratorium i Gran Sasso , Italien) 61±10 nanosekunder før det beregnede tid; denne værdi blev opnået efter gennemsnit af over 16 tusind neutrino-hændelser i detektoren over tre år. Fysikere bad deres kolleger om at kontrollere resultaterne i lignende eksperimenter MINOS ( Fermilab - laboratorium nær Chicago) og T2K ( Japan ).

På mindre end en måned dukkede omkring 90 artikler op i preprint-arkivet , der tilbyder mulige forklaringer på den registrerede effekt [28] .

Den 23. februar 2012 annoncerede OPERA-samarbejdet opdagelsen af ​​to hidtil ukendte effekter, der kunne have en indvirkning på processen med at måle neutrino-flyvetiden. For at kontrollere graden af ​​indflydelse af disse effekter på måleresultaterne, blev det besluttet at udføre nye forsøg med neutrinostråler [29] [30] .
Uafhængige målinger udført i november-december 2011 i samme laboratorium ( ICARUS eksperiment ) afslørede ikke superluminale neutrinohastigheder [31] .

I maj 2012 gennemførte OPERA en række kontroleksperimenter og kom til den endelige konklusion, at årsagen til den fejlagtige antagelse af superluminal hastighed var en teknisk fejl (et dårligt indsat optisk kabelstik, som førte til en klokkeforsinkelse på 73 nanosekunder) [ 32] .

Elastisk sammenhængende neutrino spredning

I 2017 blev elastisk sammenhængende neutrinospredning eksperimentelt opdaget . Ved at bruge denne effekt er det muligt at skabe små bærbare detektorer af neutrinostråling [33] [34] .

Geoneutrino

Geoneutrino-forskning gør det muligt at finde forekomster af radioaktive grundstoffer.

Brugsperspektiver

En af de lovende anvendelser af neutrinoer er neutrino-astronomi . Neutrinoer bærer vigtig information om de tidlige stadier af universets udvidelse [35] . Derudover er det kendt, at stjerner udover lys udsender en betydelig strøm af neutrinoer, der opstår i processen med nukleare reaktioner. Da op til 90% af den udstrålede energi på de senere stadier af stjerneudviklingen føres væk på grund af neutrinoer ( neutrinokøling ), hjælper studiet af neutrinoers egenskaber (især solneutrinoers energispektrum) til bedre at forstå dynamikken i astrofysiske processer. Desuden rejser neutrinoer store afstande uden absorption, hvilket gør det muligt at opdage og studere endnu fjernere astronomiske objekter [36] .

En anden (praktisk) anvendelse er den nyligt udviklede neutrino - diagnostik af industrielle atomreaktorer . Eksperimenter udført i slutningen af ​​det 20. århundrede af fysikere fra Kurchatov Institute viste løftet om denne retning, og i dag arbejdes der i Rusland, Frankrig, Italien og andre lande på at skabe neutrino-detektorer, der er i stand til at måle neutrinospektret af reaktor i realtid og derved kontrollerer både reaktoreffekten og sammensætningen af ​​sammensat brændsel (herunder produktion af våbenkvalitetsplutonium ).

Teoretisk set kan neutrinostrømme bruges til at skabe kommunikationsmidler ( neutrinokommunikation ), som tiltrækker militærets interesse: partiklen gør det teoretisk muligt at kommunikere med ubåde placeret i dybden, eller transmittere information gennem Jorden [37] .

Neutrinoer produceret som et resultat af henfaldet af radioaktive grundstoffer inde i Jorden [38] kan bruges til at studere Jordens indre sammensætning. Ved at måle strømmene af geologiske neutrinoer på forskellige punkter på Jorden er det muligt at kortlægge kilderne til radioaktiv varmefrigivelse inde i Jorden [39] .

I kultur

Noter

  1. ↑ Astronomer måler nøjagtigt massen af ​​neutrinoer for første gang . scitechdaily.com (10. februar 2014). Hentet 7. maj 2014. Arkiveret fra originalen 8. maj 2014.
  2. ↑ Foley, James A. Masse af neutrinoer nøjagtigt beregnet for første gang, Physicists Report . natureworldnews.com (10. februar 2014). Hentet 7. maj 2014. Arkiveret fra originalen 8. maj 2014.
  3. ↑ Battye, Richard A.; Moss, Adam. Beviser for massive neutrinoer fra Cosmic Microwave Background og Lensing Observations  // Physical Review Letters  : journal  . - 2014. - Bd. 112 , nr. 5 . — P. 051303 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.112.051303 . - . - arXiv : 1308.5870v2 . — PMID 24580586 .
  4. ↑ Elektromagnetisk model af neutrinoen . Hentet 13. oktober 2017. Arkiveret fra originalen 14. oktober 2017.
  5. ↑ Vores sol. Hentet 18. november 2010. Arkiveret fra originalen 13. marts 2011.
  6. ↑ Fysisk encyklopædi. Neutrino Arkiveret 29. oktober 2009 på Wayback Machine . Clyde Cowan og Frederic Reines , 1953-1957
  7. ↑ De tøvede. Hvorfor blev Nobelprisen i fysik tildelt for neutrinotransformationer . Hentet 7. oktober 2015. Arkiveret fra originalen 11. februar 2016.
  8. ↑ Gershtein S. S. , Kudenko Yu. G. 2015 Nobelprisvindere. I fysik - A. Macdonald, T. Kajita  // Nature . - Videnskab , 2016. - Nr. 1 . - S. 59-64 .
  9. ↑ Fem mysterier i fysikken efter Higgs-bosonen. Neutrino masse . Hentet 13. august 2014. Arkiveret fra originalen 14. august 2014.
  10. ↑ Neutrino - artikel fra Physical Encyclopedia
  11. ↑ 1 2 3 4 Kudenko Yu. G. Er neutrino nøglen til universets mysterier?  // Naturen . - Videnskab , 2017. - Nr. 6 . - S. 3-11 .
  12. ↑ Fysiker Dmitry Kazakov om en partikel med nul elektrisk ladning, neutrinoscillationer og mørkt stof Arkiveret 7. juli 2013 på Wayback Machine , 07/04/2013
  13. ↑ Joseph A. Formaggio, André Luiz C. de Gouvêa, R. G. Hamish Robertson. Direkte målinger af neutrinomasse  (engelsk)  // Physics Reports. — 2021-06-XX. — Bd. 914 . — S. 1–54 . - doi : 10.1016/j.physrep.2021.02.002 . Arkiveret fra originalen den 22. november 2021.
  14. ↑ Astronomer har det mest nøjagtige skøn over massen af ​​"spøgelsespartikelen" . RIA Novosti (22. juni 2010). Hentet 22. juni 2010. Arkiveret fra originalen 22. august 2011.
  15. ↑ Shaun A. Thomas, Filipe B. Abdalla og Ofer Lahav. Øvre grænse på 0,28 eV på neutrinomasser fra den største fotometriske rødforskydningsundersøgelse   // Fysisk . Rev. Lett. . - 2010. - Bd. 105 , udg. 3 . — S. 031301 .  (utilgængeligt link)
  16. ↑ L.D. Landau. Mulige egenskaber ved neutrinospin  // JETP. - 1957. - T. 5 . - S. 337-338 .
  17. ↑ A. Salam. Om paritetsbevaring og neutrinomasse  // Nuovo Cim .. - 1957. - V. 5 . - S. 299-301 . - doi : 10.1007/BF02812841 .
  18. ↑ TD Lee, CN Yang. Paritets-ikke-konservering og to-komponent neutrinoteori  // Fysisk. 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-eksperimenterne: Opdagelse af Poltergeist   // Los Alamos Science :magasin. - 1997. - Bd. 25 . — S. 3 .
  21. ↑ F. Reines, C.L. Cowan, Jr. The Neutrino  (engelsk)  // Nature  : journal. - 1956. - Bd. 178 , nr. 4531 . - S. 446 . - doi : 10.1038/178446a0 . - .
  22. ↑ Haxton, WC  The Solar Neutrino Problem  // Årlig gennemgang af astronomi og astrofysik : journal. - 1995. - Bd. 33 . - S. 459-504 .
  23. ↑ Ekstrajordiske neutrinoer arkiveret 19. december 2013 på Wayback Machine // 2011 juli
  24. ↑ Kudenko Yu. G. Neutrino physics: the year of the mixing angle , Nature , nr. 11, 2012
  25. ↑ Måling af neutrinohastigheden med OPERA-detektoren i CNGS-strålen Arkiveret 14. marts 2021 på Wayback Machine , 22. september 2011
  26. ↑ OPERA-eksperiment rapporterer superluminal neutrinoobservation Arkiveret 25. september 2011 på Wayback Machine  - Elements
  27. ↑ Lenta.ru: Fremskridt: Forhastede neutroner . Hentet 24. september 2011. Arkiveret fra originalen 24. september 2011.
  28. ↑ GPS fik skylden for den superluminale hastighed af neutrinoer Arkivkopi af 19. oktober 2011 på Wayback Machine  :: Lenta.ru
  29. ↑ OPERA-eksperiment rapporterer anomali i flyvetid for neutrinoer fra CERN til Gran Sasso Arkiveret 5. april 2013 på Wayback Machine // CERN Pressemeddelelse, 23. februar 2012, Opdatering 8. juni  2012
  30. ↑ Data om "superluminale" neutrinoer kunne være dukket op på grund af en teknisk fejl Arkivkopi dateret 23. februar 2012 på Wayback Machine // RIA Novosti, 23. februar 2012
  31. ↑ ICARUS Collaboration et al. Måling af neutrinohastigheden med ICARUS-detektoren ved 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-eksperimentet "lukkede" endelig superluminale neutrinoer Arkivkopi af 7. juli 2012 på Wayback Machine // ria.ru
  33. ↑ Alexey Poniatov. Ti største begivenheder i 2017 inden for fysik og astronomi  // Videnskab og liv . - 2018. - Nr. 1 . - S. 9 .
  34. ↑ [ "Vi har set processen forudsagt for 43 år siden". Interview med Dmitry Akimov, deltager i COHERENT-projektet, om den elastiske sammenhængende spredning af neutrinoer på atomkerner . Hentet 12. januar 2018. Arkiveret fra originalen 25. juli 2020. "Vi har set processen forudsagt for 43 år siden." Interview med COHERENT projektdeltager Dmitry Akimov om elastisk sammenhængende spredning af neutrinoer på atomkerner]
  35. ↑ Doroshkevich A. G., Zeldovich Ya. B. , Novikov I. D. Kinetisk teori om neutrinoer i anisotropiske kosmologiske modeller // Problems of Theoretical Physics. Samling dedikeret til Nikolai Nikolaevich Bogolyubov i forbindelse med hans 60-års fødselsdag. - M., Nauka , 1969. - Oplag 4000 eksemplarer. — c. 15-25
  36. ↑ Proceedings Arkiveret 29. januar 2009 på Wayback Machine af Bruno Pontecorvo
  37. ↑ "Elementer": Spøgelsespartikel: Neutrino . Hentet 31. maj 2010. Arkiveret fra originalen 18. april 2010.
  38. ↑ G. Marx, I. Lux. Jordens antineutrino-glød // Problems of Theoretical Physics. Samling dedikeret til Nikolai Nikolaevich Bogolyubov i forbindelse med hans 60-års fødselsdag. - M., Nauka , 1969. - Oplag 4000 eksemplarer. — c. 28-34
  39. ↑ Skorokhvatov M. D. Neutrino geofysik - første trin
  40. ↑ Diskografi af Timur Shaov . Hentet 28. april 2011. Arkiveret fra originalen 12. maj 2011.

Litteratur

Links

Populærvidenskabelige film
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier