Neutrino

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 21 februarie 2022; verificările necesită 7 modificări .
Neutrin  ( ν )
Compus particulă fundamentală
O familie Fermionii
grup Leptoni
Generaţie v
e

v
μ

v
τ
Participă la interacțiuni Slab ,
gravitațional
Antiparticulă Antineutrino
Numărul de tipuri 6 ( neutrin electronic
muon neutrin
tau neutrin și antiparticulele lor )
Greutate 0,086  eV ( ν
e
, v
μ
, v
τ
) [1] [2] [3]
Durata de viață Stabil sau > 7⋅10 9 s ×( m ν /1 eV) −1
numere cuantice
Incarcare electrica 0
taxa de culoare 0
număr barion 0
B−L −1
A învârti ½ ħ
Hiperîncărcare slabă −1
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Neutrino ( italian  neutrino  - neutron, diminutiv neutron  - neutron) - denumirea generală a particulelor fundamentale neutre [4] cu spin semiîntreg , participând doar la interacțiuni slabe și gravitaționale și aparținând clasei leptonilor . În prezent, sunt cunoscute trei tipuri de neutrini: neutrini electroni, muoni și tau, precum și antiparticulele corespunzătoare.

Neutrinii cu energie joasă interacționează extrem de slab cu materia și, prin urmare, au o lungime enormă a drumului într-o mare varietate de substanțe. Astfel, neutrinii cu o energie de ordinul 3-10 MeV  au o cale medie liberă în apă de ordinul a 10 18  m (aproximativ o sută de ani lumină ). Aproape toate tipurile de stele sunt transparente pentru neutrini . În fiecare secundă , aproximativ 6⋅1010 neutrini  emiși de Soare trec printr-o zonă de pe Pământ cu o suprafață de 1 cm² , dar influența lor asupra materiei nu este practic resimțită. În același timp, neutrinii de înaltă energie sunt detectați cu succes prin interacțiunea lor cu ținte [6] .

Takaaki Kajita și Arthur MacDonald au primit în 2015 Premiul Nobel pentru Fizică „pentru descoperirea oscilațiilor neutrinilor , care arată că neutrinii au masă” [7] [8] .

Proprietățile neutrinului

Fiecare lepton încărcat are propria sa pereche de neutrini/ antineutrini :

Diferite tipuri de neutrini se pot transforma unul în altul - acestea sunt așa-numitele oscilații de neutrini ; se crede că acest lucru se datorează faptului că neutrinii au o masă diferită de zero [9] .

În experimentele cu nașterea particulelor ultrarelativiste s-a demonstrat că neutrinii au helicitate negativă , în timp ce antineutrinii au pozitiv [10] .

Există premise teoretice care prezic existenţa celui de-al patrulea tip de neutrin - neutrinul steril . Nu există o confirmare experimentală fără echivoc a existenței lor (de exemplu, în proiectele MiniBooNE , LSND ) [11] .

Nu se știe dacă neutrinul este propria sa antiparticulă (vezi fermionul Majorana ) [12] [11] .

Nu se știe dacă invarianța CP este încălcată în timpul oscilațiilor neutrinilor [11] .

Masa

Neutrinii au o masă diferită de zero , dar această masă este extrem de mică. Faptul că un neutrin are o masă depășește domeniul de aplicare al Modelului Standard și duce la necesitatea extinderii acesteia [13] . Estimarea experimentală superioară pentru suma maselor tuturor tipurilor de neutrini este de numai 0,28  eV [14] [15] . Diferența în mase pătrate de neutrini de diferite generații, obținute din experimente de oscilație , nu depășește 2,7⋅10 −3 eV² .

Informațiile despre valoarea exactă a masei neutrinilor sunt importante pentru explicarea fenomenului masei ascunse în cosmologie , deoarece, în ciuda micii sale, este posibil ca concentrația de neutrini din Univers să fie suficient de mare pentru a afecta semnificativ densitatea medie.

Teoria neutrinului cu două componente

În teoria unui neutrin cu două componente, acesta este descris de funcții de undă cu două componente, care sunt soluția ecuației Dirac pentru particule cu masă zero. Teoria a fost propusă de Landau [16] , Salam [17] și Lee și Yang [18] . Conform acestei teorii, neutrinul este descris prin ecuația: . Aceasta este o ecuație cu două componente obținută din ecuația Dirac cu condiția ca paritatea combinată să fie păstrată . Aici denotă operatorul de impuls,  este un vector de matrice Pauli. Valorile proprii ale acestei ecuații sunt valorile în care . Ele corespund funcțiilor de undă ale neutrinului, pentru care spinul coincide cu impulsul și antineutrino (pentru energie negativă) cu impulsul opus spinului. Valoarea proiecției spinului asupra impulsului se numește helicitatea neutrinului. Pentru un impuls dat, un neutrin poate fi în două stări, corespunzătoare unei particule și unei antiparticule. În aceste stări, direcțiile spinului în raport cu impulsul sunt opuse.

Notă

Cu toate acestea, așa cum sa menționat mai sus, neutrinii au o masă de repaus diferită de zero. Prin urmare, teoria este doar o primă aproximare cu masa de repaus zero.

Istoricul descoperirilor

Una dintre principalele probleme ale fizicii nucleare în anii 20-30 ai secolului XX a fost problema dezintegrarii beta : spectrul de electroni formați în timpul dezintegrarii β , măsurat de fizicianul englez James Chadwick în 1914, este continuu , adică , ei zboară din nucleul

Pe de altă parte, dezvoltarea mecanicii cuantice în anii 1920 a condus la înțelegerea caracterului discret al nivelurilor de energie din nucleul atomic: această presupunere a fost făcută de fizicianul austriac Lise Meitner în 1922. Adică, spectrul de particule emise în timpul dezintegrarii nucleului trebuie să fie discret și să prezinte energii egale cu diferențele de energii ale nivelurilor între care are loc tranziția în timpul dezintegrarii. Acesta este, de exemplu, spectrul energetic al particulelor alfa în timpul dezintegrarii alfa .

Astfel, continuitatea spectrului de electroni cu dezintegrare β pune la îndoială legea conservării energiei . Problema a fost atât de acută încât, în 1931, celebrul fizician danez Niels Bohr , la Conferința de la Roma, a venit cu ideea de neconservare a energiei. Cu toate acestea, a existat o altă explicație - energia „pierdută” este purtată de o particulă necunoscută și imperceptibilă.

Ipoteza existenței unei particule care interacționează extrem de slab cu materia (ca o explicație pentru încălcarea aparentă a legii conservării energiei în dezintegrarea beta) a fost înaintată la 4 decembrie 1930 de Wolfgang Pauli - nu într-un articol, ci într-o scrisoare informală către participanții la o conferință fizică la Tübingen :

... adică ... spectru β continuu , am făcut o încercare disperată de a salva „statisticile de schimb” și legea conservării energiei. Și anume, există posibilitatea ca în nuclee să existe particule neutre din punct de vedere electric, pe care le voi numi „neutroni” și care au un spin de ½... Masa „neutronului” în ordinea mărimii ar trebui să fie comparabilă cu masa. a electronului și în orice caz nu mai mult de 0,01 proton de masă . Spectrul β continuu ar deveni clar dacă presupunem că în timpul dezintegrarii β , un „neutron” este de asemenea emis împreună cu un electron, astfel încât suma energiilor unui „neutron” și a unui electron rămâne constantă. Recunosc că o astfel de ieșire poate părea improbabilă la prima vedere... Cu toate acestea, fără a risca, nu vei câștiga; gravitatea situației cu un spectru β continuu a fost bine ilustrată de stimatul meu predecesor, domnul Debye , care mi-a spus recent la Bruxelles: „Oh... e mai bine să nu mă gândesc la asta ca fiind taxe noi”. — „O scrisoare deschisă către un grup de oameni radioactivi adunați la Tübingen”, op. după M.P.Rekalo, „Neutrino”.

Pauli a numit particula pe care a propus-o „neutron”. Când James Chadwick a descoperit particula nucleară neutră mult mai masivă în 1932, el a numit-o neutron. Ca rezultat, în fizica particulelor, acest termen a fost folosit pentru a se referi la două particule diferite. Enrico Fermi , care a dezvoltat teoria dezintegrarii beta, a inventat termenul „neutrin” în 1934 pentru a rezolva confuzia. Cuvântul neutrin este tradus din italiană ca „neutron”. [19]

La Congresul Solvay din 1933 de la Bruxelles , Pauli a prezentat o lucrare despre mecanismul dezintegrarii β care implică o particulă neutră ușoară cu spin  ½. Acest discurs a fost de fapt prima publicație oficială dedicată neutrinilor.

Neutrinul a fost descoperit experimental în 1956 de o echipă condusă de Clyde Cowan și Frederick Reines . [20] [21]

Cercetarea neutrinilor

Neutrinul este studiat în zeci de laboratoare din întreaga lume (vezi o listă incompletă de experimente în fizica neutrinilor ) [11] .

Lipsa de neutrini solari

Reacțiile nucleare care au loc în miezul Soarelui duc la formarea unui număr mare de neutrini electronici . În același timp, măsurătorile fluxului de neutrini pe Pământ , care au fost efectuate în mod constant de la sfârșitul anilor 1960, au arătat că numărul de neutrini de electroni solari înregistrați este de aproximativ două până la trei ori mai mic decât cel prezis de modelul solar standard care descrie procesele din Soare. Această discrepanță între experiment și teorie a fost numită „ problema neutrinilor solari ” și a fost unul dintre misterele fizicii solare de mai bine de 30 de ani.

Au fost propuse două căi principale de rezolvare a problemei neutrinilor solari. În primul rând, a fost posibil să se modifice modelul Soarelui în așa fel încât să reducă activitatea termonucleară așteptată (și, prin urmare, temperatura ) în miezul său și, în consecință, fluxul de neutrini emis de Soare. În al doilea rând, s-ar putea presupune că unii dintre neutrinii de electroni emiși de miezul Soarelui, la deplasarea spre Pământ, se transformă în neutrini de alte generații care nu sunt detectați de detectoarele convenționale (neutrini muoni și tau) [22] .

Astăzi este clar că cel de-al doilea mod este cel mai probabil corect, adică diferite tipuri de neutrini pot fi transformate unul în altul; acestea sunt așa-numitele oscilații de neutrino , care sunt evidențiate de observațiile neutrinilor solari [23] și de anizotropia unghiulară a neutrinilor atmosferici , precum și de experimente cu neutrini de reactor (vezi KamLAND ) și acceleratori [24] efectuate la începutul anului. acest secol .

În plus, existența oscilațiilor neutrinilor este confirmată direct de experimentele de la Sudbury , în care au fost detectați direct neutrini solari de toate cele trei tipuri. și fluxul lor total s-a dovedit a fi în concordanță cu modelul solar standard. În acest caz, doar aproximativ o treime din neutrinii care ajung pe Pământ se dovedesc a fi electronici. Acest număr este în concordanță cu teoria care prezice tranziția neutrinilor de electroni în neutrini de altă generație atât în ​​vid (de fapt „oscilații de neutrini”), cât și în materia solară („ efectul Mikheev-Smirnov-Wolfenstein ”).

Mesaj despre un posibil exces al vitezei luminii

Pe 22 septembrie 2011, colaborarea OPERA a anunțat înregistrarea unui posibil exces al vitezei luminii de către neutrinii muoni (cu 0,00248%). [25] [26] [27] Neutrinii de la acceleratorul SPS ( CERN , Elveția) ar fi sosit la detector (situat la o distanță de 730 km în laboratorul subteran din Gran Sasso , Italia) cu 61±10 nanosecunde înaintea calculată. timp; această valoare a fost obținută după o medie a peste 16 mii de evenimente neutrino în detector pe parcursul a trei ani. Fizicienii le-au cerut colegilor să verifice rezultatele în experimente similare MINOS ( laboratorul Fermilab de lângă Chicago) și T2K ( Japonia ).

În mai puțin de o lună, în arhiva de preprint au apărut aproximativ 90 de articole , oferind posibile explicații pentru efectul înregistrat [28] .

Pe 23 februarie 2012, colaborarea OPERA a anunțat descoperirea a două efecte neevaluate anterior care ar putea avea un impact asupra procesului de măsurare a timpului de zbor al neutrinilor. Pentru a verifica gradul de influență a acestor efecte asupra rezultatelor măsurătorilor, s-a decis efectuarea de noi experimente cu fascicule de neutrini [29] [30] .
Măsurătorile independente efectuate în noiembrie-decembrie 2011 în același laborator ( experimentul ICARUS ) nu au evidențiat viteze superluminale a neutrinilor [31] .

În mai 2012, OPERA a efectuat o serie de experimente de control și a ajuns la concluzia finală că motivul presupunerii eronate a vitezei superluminale a fost o eroare tehnică (un conector de cablu optic prost introdus, care a dus la o întârziere a ceasului de 73 de nanosecunde) [ 32] .

Imprăștire elastică coerentă a neutrinilor

În 2017, a fost descoperită experimental împrăștierea coerentă elastică a neutrinilor . Folosind acest efect, este posibil să se creeze mici detectoare portabile de radiații neutrino [33] [34] .

Geoneutrino

Cercetarea geoneutrino face posibilă găsirea depozitelor de elemente radioactive.

Perspective de utilizare

Una dintre utilizările promițătoare ale neutrinilor este astronomia neutrinilor . Neutrinii poartă informații importante despre etapele incipiente ale expansiunii Universului [35] . În plus, se știe că stelele , pe lângă lumină, emit un flux semnificativ de neutrini care apar în procesul reacțiilor nucleare. Deoarece în etapele ulterioare ale evoluției stelare , până la 90% din energia radiată este transportată din cauza neutrinilor ( răcirea neutrinilor ), studiul proprietăților neutrinilor (în special, spectrul energetic al neutrinilor solari) ajută la o mai bună înțelegere a dinamica proceselor astrofizice. În plus, neutrinii parcurg distanțe mari fără absorbție, ceea ce face posibilă detectarea și studierea obiectelor astronomice și mai îndepărtate [36] .

O altă aplicație (practică) este diagnosticarea neutrino recent dezvoltată a reactoarelor nucleare industriale . Experimentele efectuate la sfârșitul secolului al XX-lea de către fizicienii Institutului Kurchatov au arătat promisiunea acestei direcții, iar astăzi, în Rusia, Franța, Italia și alte țări, se lucrează la crearea detectorilor de neutrini capabili să măsoare spectrul de neutrini al reactor în timp real și controlând astfel atât puterea reactorului, cât și compoziția combustibilului compozit (inclusiv producția de plutoniu pentru arme ).

Teoretic, fluxurile de neutrini pot fi folosite pentru a crea mijloace de comunicare ( neutrino communication ), care atrage interesul militarilor: teoretic particula face posibilă comunicarea cu submarine situate la adâncime, sau transmiterea de informații prin Pământ [37] .

Neutrinii produși ca urmare a dezintegrarii elementelor radioactive în interiorul Pământului [38] pot fi folosiți pentru a studia compoziția internă a Pământului. Măsurând fluxurile de neutrini geologici în diferite puncte de pe Pământ, este posibilă cartografierea surselor de eliberare de căldură radioactivă în interiorul Pământului [39] .

În cultură

Note

  1. Astronomii măsoară cu precizie masa neutrinilor pentru prima dată . scitechdaily.com (10 februarie 2014). Preluat la 7 mai 2014. Arhivat din original la 8 mai 2014.
  2. ^ Foley, James A. Masa de neutrini calculată cu precizie pentru prima dată, raportul fizicienilor . natureworldnews.com (10 februarie 2014). Preluat la 7 mai 2014. Arhivat din original la 8 mai 2014.
  3. Battye, Richard A.; Moss, Adam. Dovezi pentru neutrini masivi din fondul cosmic cu microunde și observații ale lentilelor  // Physical Review Letters  : journal  . - 2014. - Vol. 112 , nr. 5 . — P. 051303 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.112.051303 . - Cod . - arXiv : 1308.5870v2 . — PMID 24580586 .
  4. Modelul electromagnetic al neutrinului . Consultat la 13 octombrie 2017. Arhivat din original la 14 octombrie 2017.
  5. Soarele nostru . Consultat la 18 noiembrie 2010. Arhivat din original la 13 martie 2011.
  6. Enciclopedie fizică. Neutrino Arhivat pe 29 octombrie 2009 la Wayback Machine . Clyde Cowan și Frederic Reines , 1953-1957
  7. Au ezitat. De ce a fost acordat Premiul Nobel pentru Fizică pentru transformările neutrinilor ? Consultat la 7 octombrie 2015. Arhivat din original pe 11 februarie 2016.
  8. Gershtein S. S. , Kudenko Yu. G. Laureații Premiului Nobel 2015. În fizică - A. Macdonald, T. Kajita  // Natura . - Stiinta , 2016. - Nr. 1 . - S. 59-64 .
  9. Cinci mistere ale fizicii după bosonul Higgs. Masa de neutrini . Preluat la 13 august 2014. Arhivat din original la 14 august 2014.
  10. Neutrino - articol din Enciclopedia fizică
  11. 1 2 3 4 Kudenko Yu. G. Este neutrino cheia pentru misterele Universului?  // Natura . - Stiinta , 2017. - Nr. 6 . - S. 3-11 .
  12. Fizicianul Dmitri Kazakov despre o particulă cu sarcină electrică zero, oscilații de neutrini și materie întunecată Arhivat 7 iulie 2013 la Wayback Machine , 07/04/2013
  13. Joseph A. Formaggio, André Luiz C. de Gouvêa, R. G. Hamish Robertson. Măsurători directe ale masei neutrinilor  (engleză)  // Rapoarte de fizică. — 2021-06-XX. — Vol. 914 . — P. 1–54 . - doi : 10.1016/j.physrep.2021.02.002 . Arhivat din original pe 22 noiembrie 2021.
  14. Astronomii au cea mai precisă estimare a masei „particulei fantomă” . RIA Novosti (22 iunie 2010). Consultat la 22 iunie 2010. Arhivat din original pe 22 august 2011.
  15. Shaun A. Thomas, Filipe B. Abdalla și Ofer Lahav. Limită superioară a 0,28 eV pe masele de neutrini din cel mai mare studiu fotometric de deplasare către roșu   // Phys . Rev. Lett. . - 2010. - Vol. 105 , iss. 3 . — P. 031301 .  (link indisponibil)
  16. L.D. Landau. Posibile proprietăți ale spinului neutrinului  // JETP. - 1957. - T. 5 . - S. 337-338 .
  17. A. Salam. Despre conservarea parităţii şi masa neutrinilor  // Nuovo Cim .. - 1957. - V. 5 . - S. 299-301 . - doi : 10.1007/BF02812841 .
  18. TD Lee, CN Yang. Neconservarea parității și teoria neutrinilor cu două componente  // Phys. Rev.. - 1957. - T. 105 . - S. 1671-338 . - doi : 10.1103/PhysRev.105.1671 .
  19. M. F. L'Annunziata. radioactivitate . - Elsevier , 2007. - P. 100. - ISBN 9780444527158 .
  20. The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist   // Los Alamos Science :revistă. - 1997. - Vol. 25 . — P. 3 .
  21. F. Reines, C.L. Cowan, Jr. The Neutrino  (engleză)  // Nature  : journal. - 1956. - Vol. 178 , nr. 4531 . - P. 446 . - doi : 10.1038/178446a0 . - .
  22. Haxton, WC  The Solar Neutrino Problem  // Anual Review of Astronomy and Astrophysics : jurnal. - 1995. - Vol. 33 . - P. 459-504 .
  23. Neutrini extraterestre Arhivat 19 decembrie 2013 la Wayback Machine // iulie 2011
  24. Kudenko Yu. G. Neutrino physics: the year of the mixing angle , Nature , nr. 11, 2012
  25. Măsurarea vitezei neutrinului cu detectorul OPERA în fasciculul CNGS Arhivat 14 martie 2021 la Wayback Machine , 22 septembrie 2011
  26. Experimentul OPERA raportează observarea neutrinului superluminal Arhivat 25 septembrie 2011 la Wayback Machine  - Elements
  27. Lenta.ru: Progres: Neutroni grăbiți . Consultat la 24 septembrie 2011. Arhivat din original pe 24 septembrie 2011.
  28. GPS-ul a fost acuzat de viteza superluminală a neutrinilor . Copie de arhivă din 19 octombrie 2011 pe Wayback Machine  :: Lenta.ru
  29. Experimentul OPERA raportează o anomalie în timpul de zbor al neutrinilor de la CERN la Gran Sasso Arhivat 5 aprilie 2013 la Wayback Machine // Comunicat de presă CERN, 23 februarie 2012, Actualizare 8 iunie  2012
  30. Datele despre neutrini „superluminali” ar fi putut apărea din cauza unei defecțiuni tehnice . Copie de arhivă din 23 februarie 2012 la Wayback Machine // RIA Novosti, 23 februarie 2012
  31. Colaborarea ICARUS și colab. Măsurarea vitezei neutrinilor cu detectorul ICARUS la fasciculul CNGS // Physics Letters B. - 2012. - Vol. 713 (18 iulie). — P. 17–22. - arXiv : 1203.3433 . - doi : 10.1016/j.physletb.2012.05.033 .
  32. Experimentul OPERA a „închis” în sfârșit neutrinii superluminali. Copie de arhivă din 7 iulie 2012 pe Wayback Machine // ria.ru
  33. Alexei Poniatov. Cele mai mari zece evenimente din 2017 în fizică și astronomie  // Știință și viață . - 2018. - Nr. 1 . - S. 9 .
  34. [ „Am văzut procesul prezis acum 43 de ani”. Interviu cu Dmitri Akimov, participant la proiectul COHERENT, despre împrăștierea elastică coerentă a neutrinilor pe nucleele atomice . Preluat la 12 ianuarie 2018. Arhivat din original la 25 iulie 2020. „Am văzut procesul prezis acum 43 de ani”. Interviu cu Dmitri Akimov, participant la proiectul COHERENT, despre împrăștierea elastică coerentă a neutrinilor pe nucleele atomice]
  35. Doroshkevich A. G., Zeldovich Ya. B. , Novikov I. D. Teoria cinetică a neutrinilor în modele cosmologice anizotrope // Probleme de fizică teoretică. Colecție dedicată lui Nikolai Nikolaevich Bogolyubov în legătură cu cea de-a 60-a aniversare. - M., Nauka , 1969. - Tiraj 4000 exemplare. — c. 15-25
  36. Proceedings Arhivat 29 ianuarie 2009 la Wayback Machine de Bruno Pontecorvo
  37. „Elemente”: Particulă fantomă: Neutrino . Consultat la 31 mai 2010. Arhivat din original la 18 aprilie 2010.
  38. G. Marx, I. Lux. Antineutrino glow of the Earth // Problems of Theoretical Physics. Colecție dedicată lui Nikolai Nikolaevich Bogolyubov în legătură cu cea de-a 60-a aniversare. - M., Nauka , 1969. - Tiraj 4000 exemplare. — c. 28-34
  39. Skorokhvatov M. D. Geofizica neutrinilor - primii pași
  40. Discografia lui Timur Shaov . Consultat la 28 aprilie 2011. Arhivat din original pe 12 mai 2011.

Literatură

Link -uri

Filme științifice populare