Подписаться

Нейтрино

Последняя правка сделана 2021-05-31 05:15:41 Править
Элементарная частица с чрезвычайно низкой массой, которая взаимодействует только посредством слабого взаимодействия и гравитации
Нейтрино / Антинейтрино
FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg Первое использование водородная пузырьковая камера для обнаружения нейтрино 13 ноября 1970 года в Аргоннской национальной лаборатории. Здесь нейтрино попадает в протон в атоме водорода; столкновение происходит в точке выхода трех следов в правой части фотографии.
Состав Элементарная частица
Статистика Фермионный
Поколение Первое, второе и третье
взаимодействия Слабое взаимодействие и гравитация
Символ. ν. e,. ν. μ,. ν. τ,. ν. e,. ν. μ,. ν. τ
Античастица Противоположная хиральность частицы
Теоретически
  • . ν. e, электронное нейтрино: Вольфганг Паули (1930)
  • . ν. μ, мюонное нейтрино: конец 1940-х
  • . ν. τ, тау-нейтрино: середина 1970-х
Обнаружен
Типы3 : электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино
Масса <0.120 eV (<2.14 × 10 kg), 95% confidence level, sum of 3 flavors
Электрический заряд 0 e
Спин 1/2
Слабый изоспин LH : +1/2, RH : 0
Слабый гиперзаряд LH : −1, RH : 0
B - L −1
X −3

A нейтрино (или ) (обозначается греческой буквой ν ) является фермион (элементарная частица со спином 1/2 ), который взаимодействует только посредством слабой субатомной силы и гравитации. Нейтрино названо так потому, что оно электрически нейтрально и его масса покоя настолько мала (-ино ), что долгое время считалось, что она равна нулю. Масса нейтрино намного меньше, чем у других известных элементарных частиц. Слабое взаимодействие имеет очень короткий диапазон действия, гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабое, и нейтрино не участвуют в сильном взаимодействии. Таким образом, нейтрино обычно проходят через нормальную материю беспрепятственно и незамеченными.

Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов : электронных нейтрино (. ν. e), мюонных нейтрино (. ν. μ), или тау-нейтрино (. ν. τ), в ассоциации с соответствующим заряженным лептоном. Хотя долгое время считалось, что нейтрино безмассовые, теперь известно, что есть три дискретных массы нейтрино с разными крошечными значениями, но они не соответствуют трем разновидностям однозначно. Нейтрино, созданное с определенным ароматом, имеет связанную определенную квантовую суперпозицию всех трех массовых состояний. В результате нейтрино колеблются между разными ароматами в полете. Например, электронное нейтрино, образованное в реакции бета-распада, может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино. Хотя по состоянию на 2019 год известны только различия между квадратами трех значений массы, космологические наблюдения подразумевают, что сумма трех масс должна быть меньше одной миллионной массы электрона.

для каждого нейтрино, также существует соответствующая античастица, называемая антинейтрино, которая также имеет спин 1/2 и не имеет электрического заряда. Антинейтрино отличаются от нейтрино наличием противоположных знаков лептонного числа и правосторонней вместо левой хиральности. Чтобы сохранить общее лептонное число (в ядерном бета-распаде ), электронные нейтрино появляются только вместе с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, тогда как электронные антинейтрино появляются только вместе с электронами или электронами. нейтрино.

Нейтрино создаются различными радиоактивными распадами ; следующий список не является исчерпывающим, но включает некоторые из этих процессов:

Большинство нейтрино, обнаруживаемых около Земли происходят от ядерных реакций внутри Солнца. На поверхности Земли поток составляет около 65 миллиардов (6,5 × 10) солнечных нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Нейтрино можно использовать для томографии недр Земли.

В поисках сущности нейтрино ведутся интенсивные исследования, направленные на открытие:

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Предложение Паули
    • 1.2 Прямое обнаружение
    • 1.3 Нейтринный аромат
    • 1.4 Проблема солнечных нейтрино
    • 1.5 Колебания
    • 1.6 Космические нейтрино
  • 2 Свойства и реакции
    • 2.1 Вкус, масса и их смешение
    • 2.2 Колебания аромата
    • 2.3 Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна
    • 2.4 Антинейтрино
    • 2.5 Майорановская масса
    • 2.6 Ядерные реакции
    • 2.7 Индуцированное деление
    • 2.8 Типы
  • 3 Исследования
    • 3.1 Детекторы около искусственных источников нейтрино
    • 3.2 Гравитационные эффекты
    • 3.3 Поиски стерильных нейтрино
    • 3.4 Поиски безнейтринного двойного бета-распада
    • 3.5 Космические нейтрино
    • 3.6 Скорость
      • 3.6.1 Сверхсветовые нейтрино сбой
    • 3.7 Масса
    • 3.8 Размер
    • 3.9 Хиральность
    • 3.10 Аномалия GSI
  • 4 Источники
    • 4.1 Искусственные
      • 4.1.1 Реакторные нейтрино
      • 4.1.2 Ускорительные нейтрино
      • 4.1.3 Ядерное оружие
    • 4.2 Геологическое
    • 4.3 Атмосферное
    • 4.4 Солнечное
    • 4.5 Сверхновые
    • 4.6 Остатки сверхновых
    • 4.7 Большой взрыв
  • 5 Обнаружение
  • 6 Научный интерес
  • 7 См. Также
  • 8 Примечания
  • 9 Ссылки
  • 10 Библиография
  • 11 Внешние ссылки

История

Предложение Паули

Нейтрино было впервые постулировано Вольфганг Паули в 1930 году, чтобы объяснить, как бета-распад может сохранить энергию, импульс и угловой момент (спин ). В отличие от Нильса Бора, который предложил статистическую версию законов сохранения для объяснения наблюдаемых непрерывных энергетических спектров в бета-распаде, Паули выдвинул гипотезу о необнаруженной частице, которую он назвал «нейтроном»., используя одно и то же окончание -on, используемое для наименования как протона, так и электрона. Он считал, что новая частица испускается из ядра вместе с электроном или бета-частицей в процессе бета-распада.

Джеймс Чедвик обнаружил гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году и назвал ее нейтрон также, оставляя два вида частиц с одинаковыми именами. Ранее (в 1930 году) Паули использовал термин «нейтрон» как для нейтральной частицы, сохраняющей энергию при бета-распаде, так и для предполагаемой нейтральной частицы в ядре; первоначально он не считал эти две нейтральные частицы отличными друг от друга. Слово «нейтрино» вошло в научный словарь благодаря Энрико Ферми, который использовал его во время конференции в Париже в июле 1932 года и на конференции Solvay в октябре 1933 года, где его использовал и Паули. Название (итальянский эквивалент «маленького нейтрального») было в шутку придумано Эдоардо Амальди во время разговора с Ферми в Институте физики на улице Виа Панисперна в Риме, чтобы отличить эту легкую нейтральную частицу от тяжелого нейтрона Чедвика.

В теории бета-распада Ферми большая нейтральная частица Чедвика могла распадаться на протон, электрон и меньшую нейтральную частицу (теперь называемую электронное антинейтрино):

. n. →. p. +. e. +. ν. e

статья Ферми, написанная в 1934 году, объединила нейтрино Паули с позитроном Поля Дирака и нейтрон-протонной моделью Вернера Гейзенберга и дала прочную теоретическую основу для будущих экспериментальных работ. Журнал Nature отверг статью Ферми, заявив, что теория «слишком далека от реальности». Он представил статью в итальянский журнал, который принял ее, но общее отсутствие интереса к его теории в тот ранний период заставило его переключиться на экспериментальную физику.

К 1934 году появились экспериментальные доказательства против идеи Бора. что сохранение энергии недопустимо для бета-распада: на конференции Solvay того же года было сообщено об измерениях энергетических спектров бета-частиц (электронов), показывающих, что существует строгий предел энергии электронов от каждый тип бета-распада. Такой предел не ожидается, если закон сохранения энергии недействителен, и в этом случае любое количество энергии будет статистически доступным по крайней мере в нескольких распадах. Естественным объяснением спектра бета-распада, впервые измеренного в 1934 году, было то, что было доступно только ограниченное (и сохраненное) количество энергии, и новая частица иногда забирала изменяющуюся часть этой ограниченной энергии, оставляя остальное для бета-частицы.. Паули воспользовался случаем, чтобы публично подчеркнуть, что все еще необнаруженное «нейтрино» должно быть реальной частицей.

Прямое обнаружение

Клайд Коуэн проводит нейтринный эксперимент c. 1956

В 1942 году Ван Ганьчан впервые предложил использовать бета-захват для экспериментального обнаружения нейтрино. В выпуске журнала Science от 20 июля 1956 г., Клайд Коуэн, Фредерик Рейнс, Ф. Б. Харрисон, Х. У. Круз и А. Д. МакГуайр опубликовали подтверждение того, что они обнаружили нейтрино., результат, который почти сорок лет спустя был награжден Нобелевской премией 1995 года.

В этом эксперименте, теперь известном как нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнеса, антинейтрино, созданные в ядерном реакторе в результате бета-распада реагировал с протонами с образованием нейтронов и позитронов :

. ν. e+. p. →. n. +. e.

Позитрон быстро находит электрон, и они аннигилируют друг друга. Два результирующих гамма-луча (γ) можно обнаружить. Нейтрон может быть обнаружен по его захвату соответствующим ядром, испускающему гамма-луч. Совпадение обоих событий - аннигиляции позитрона и захвата нейтрона - дает уникальную сигнатуру взаимодействия антинейтрино.

В феврале 1965 года первое нейтрино, обнаруженное в природе, было идентифицировано на одном из золотых приисков Южной Африки группой, в которую входил Фридель Селлшоп. Эксперимент проводился в специально подготовленной камере на глубине 3 км в шахте ERPM близ Боксбурга. Мемориальная доска в главном здании посвящена открытию. В экспериментах также была реализована примитивная нейтринная астрономия и рассмотрены вопросы физики нейтрино и слабых взаимодействий.

Нейтринный аромат

Антинейтрино, обнаруженное Коуэном и Райнесом, является античастицей электронного нейтрино..

В 1962 году Леон М. Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюон нейтрино (уже выдвинутая гипотеза под названием нейтретто), за что им была присуждена Нобелевская премия по физике 1988 г..

Когда третий тип лептона, тау, был открыт в 1975 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей, также ожидалось, что он будет иметь ассоциированное нейтрино (тау-нейтрино). Первое свидетельство этого третьего типа нейтрино было получено из наблюдения недостающей энергии и импульса в распадах тау, аналогичных бета-распаду, что привело к открытию электронного нейтрино. Первое обнаружение взаимодействий с тау-нейтрино было объявлено в 2000 г. коллаборацией DONUT в Фермилаб ; о его существовании уже говорилось как на основании теоретической согласованности, так и экспериментальных данных из Большого электронно-позитронного коллайдера.

проблемы солнечных нейтрино

В 1960-х годах ставился знаменитый теперь эксперимент Homestake произвел первое измерение потока электронных нейтрино, приходящих из ядра Солнца, и обнаружил значение, которое было от одной трети до половины числа, предсказанного Стандартной моделью Солнца. Это несоответствие, которое стало известно как проблема солнечных нейтрино, оставалось нерешенным в течение примерно тридцати лет, в то время как возможные проблемы как с экспериментом, так и с солнечной моделью были исследованы, но их найти не удалось. В конце концов выяснилось, что оба они на самом деле верны, и что расхождение между ними связано с тем, что нейтрино более сложны, чем предполагалось ранее. Было высказано предположение, что три нейтрино имели ненулевые и немного разные массы, и поэтому могли колебаться в необнаруживаемые ароматы во время полета к Земле. Эта гипотеза была исследована в новой серии экспериментов, тем самым открыв новую важную область исследований, которая продолжается до сих пор. Окончательное подтверждение явления осцилляции нейтрино привело к получению двух Нобелевских премий: Раймонду Дэвису-младшему, который задумал и возглавил эксперимент Хоумстейк, и Арту Макдональду, руководившему SNO эксперимент, который мог обнаружить все ароматы нейтрино и не обнаружил дефицита.

Колебания

Практический метод исследования осцилляций нейтрино был впервые предложен Бруно Понтекорво в 1957 г. по аналогии с каон колебания ; в течение последующих 10 лет он разработал математический аппарат и современную формулировку вакуумных колебаний. В 1985 году Станислав Михеев и Алексей Смирнов (продолжая работу Линкольна Вольфенштейна 1978 года) отметили, что колебания аромата могут быть изменены, когда нейтрино распространяются через материю. Этот так называемый эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна (эффект MSW) важно понимать, потому что многие нейтрино, испускаемые термоядерным синтезом на Солнце, проходят через плотную материю в солнечном ядре (где по сути, весь солнечный синтез имеет место) на пути к детекторам на Земле.

Начиная с 1998 года, эксперименты начали показывать, что солнечные и атмосферные нейтрино меняют аромат (см. Супер-Камиоканде и Нейтринная обсерватория Садбери ). Это разрешило проблему солнечных нейтрино: электронные нейтрино, произведенные на Солнце, частично изменились на другие ароматы, которые эксперименты не могли обнаружить.

Хотя отдельные эксперименты, такие как серия экспериментов с солнечными нейтрино, согласуются с неосцилляторными механизмами преобразования аромата нейтрино, взятыми в целом, эксперименты с нейтрино предполагают существование осцилляций нейтрино. Особенно актуальными в этом контексте являются реакторный эксперимент KamLAND и эксперименты на ускорителях, такие как MINOS. Эксперимент KamLAND действительно идентифицировал осцилляции как механизм преобразования аромата нейтрино, участвующий в солнечных электронных нейтрино. Аналогичным образом MINOS подтверждает осцилляцию атмосферных нейтрино и дает более точное определение квадрата массы расщепления. Такааки Кадзита из Японии и Артур Б. Макдональд из Канады получили Нобелевскую премию 2015 года за Физикам за их знаменательное открытие, теоретическое и экспериментальное, что нейтрино могут изменять аромат.

Космические нейтрино

Рэймонд Дэвис-младший и Масатоши Кошиба были совместно удостоены Нобелевской премии по физике 2002 года. Оба провели новаторскую работу по обнаружению солнечных нейтрино, и работа Кошибы также привела к первому наблюдению в реальном времени нейтрино от SN 1987A сверхновой в близлежащем Большое Магелланово Облако. Эти усилия положили начало нейтринной астрономии..

SN 1987A представляет собой единственное подтвержденное обнаружение нейтрино от сверхновой. Однако многие звезды во Вселенной превратились в сверхновые, оставив теоретически диффузный нейтринный фон сверхновой.

Свойства и реакции

Нейтрино имеют полуцелое спин (⁄ 2 ħ); следовательно, они фермионы. Нейтрино - это лептоны. Было замечено, что они взаимодействуют только посредством слабой силы, хотя предполагается, что они также взаимодействуют гравитационно.

Вкус, масса и их смешение

Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов : электронных нейтрино (. ν. e), мюон нейтрино (. ν. μ) или тау-нейтрино (. ν. τ), связанных с соответствующими заряженными лептонами, электроном (. e.), мюоном (. μ.) и тау (. τ.), соответственно.

Хотя долгое время считалось, что нейтрино безмассовые, теперь известно, что существует три дискретных массы нейтрино; каждое состояние аромата нейтрино представляет собой линейную комбинацию трех дискретных массовых собственных состояний. Хотя на 2016 год известны только разности квадратов трех значений массы, эксперименты показали, что эти массы крошечные по величине. На основе космологических измерений было вычислено, что сумма трех масс нейтрино должна быть меньше одной миллионной массы электрона.

Более формально, аромат нейтрино собственные состояния (комбинации создания и уничтожения) - это не то же самое, что собственные состояния массы нейтрино (просто обозначенные «1», «2» и «3»). По состоянию на 2016 год неизвестно, какое из этих трех является самым тяжелым. По аналогии с иерархией масс заряженных лептонов конфигурация с массой 2, меньшей массы 3, обычно называется «нормальной иерархией», тогда как в «перевернутой иерархии» справедливо обратное. В настоящее время проводится несколько крупных экспериментальных усилий, чтобы помочь установить, какое из них является правильным.

Нейтрино, созданное в определенном собственном состоянии аромата, находится в связанной конкретной квантовой суперпозиции всех трех массовых собственных состояний. Это возможно, потому что три массы различаются настолько мало, что их невозможно экспериментально различить в пределах любой практической траектории полета из-за принципа неопределенности. Было обнаружено, что доля каждого массового состояния в полученном состоянии чистого ароматизатора в значительной степени зависит от этого аромата. Взаимосвязь между собственными состояниями вкуса и массы кодируется в матрице PMNS. Эксперименты установили значения для элементов этой матрицы.

Ненулевая масса позволяет нейтрино, возможно, иметь крошечный магнитный момент ; если так, нейтрино будут взаимодействовать электромагнитно, хотя такого взаимодействия никогда не наблюдалось.

Колебания вкуса

Нейтрино колеблются между разными ароматами в полете. Например, электронное нейтрино, образованное в реакции бета-распада, может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино, что определяется ароматом заряженного лептона, произведенного в детекторе. Это колебание возникает из-за того, что три компонента массового состояния производимого ароматизатора перемещаются с немного разными скоростями, так что их квантово-механические волновые пакеты развивают относительные фазовые сдвиги, которые изменяют способ их объединения для варьирующееся наложение трех ароматов. Таким образом, каждый ароматический компонент колеблется по мере перемещения нейтрино, причем ароматизаторы различаются по относительной силе. Относительные пропорции аромата при взаимодействии нейтрино представляют собой относительную вероятность того, что этот аромат взаимодействия произведет соответствующий аромат заряженного лептона.

Существуют и другие возможности, при которых нейтрино могло бы осциллировать, даже если бы они были безмассовыми: Если Симметрия Лоренца не была точной симметрией, нейтрино могли испытывать лоренц-инвариантные осцилляции.

Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна

Нейтрино, перемещаясь через материю, в общем, претерпевают процесс, аналогичный свет проходит через прозрачный материал. Этот процесс нельзя наблюдать напрямую, поскольку он не производит ионизирующего излучения, но вызывает эффект MSW. Лишь небольшая часть энергии нейтрино передается веществу.

Антинейтрино

Для каждого нейтрино также существует соответствующая античастица, называемая антинейтрино, которая также не имеет электрического заряда и полуцелого спина. Они отличаются от нейтрино наличием противоположных знаков лептонного числа и противоположной хиральности. По состоянию на 2016 год не было найдено никаких доказательств каких-либо других различий. Во всех наблюдениях за лептонными процессами (несмотря на обширные и продолжающиеся поиски исключений) общее лептонное число никогда не менялось; например, если полное лептонное число равно нулю в начальном состоянии, электронные нейтрино появляются в конечном состоянии вместе только с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, а электронные антинейтрино с электронами или электронными нейтрино.

Антинейтрино образуются в ядерном бета-распаде вместе с бета-частицей, в котором, например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Все антинейтрино, наблюдаемые до сих пор, обладают правой спиральностью (т.е. когда-либо наблюдалось только одно из двух возможных спиновых состояний), тогда как нейтрино являются левыми. Тем не менее, поскольку нейтрино имеют массу, их спиральность зависит от кадра, поэтому здесь имеет значение связанное независимое от кадра свойство хиральности.

Антинейтрино были впервые обнаружены в результате их взаимодействия с протонами в большом резервуаре с водой. Он был установлен рядом с ядерным реактором в качестве управляемого источника антинейтрино (см.: нейтринный эксперимент Коуэна – Райнеса ). Исследователи во всем мире начали изучать возможность использования антинейтрино для мониторинга реакторов в контексте предотвращения распространения ядерного оружия.

Майорановской массы

Поскольку антинейтрино и нейтрино являются нейтральными частицами, это возможно, что это одна и та же частица. Частицы, обладающие этим свойством, известны как частицы Майораны, названные в честь итальянского физика Этторе Майорана, который первым предложил эту концепцию. В случае нейтрино эта теория приобрела популярность, поскольку ее можно использовать в сочетании с механизмом качелей, чтобы объяснить, почему массы нейтрино настолько малы по сравнению с массами других элементарных частиц, таких как электроны или кварки. Майорановские нейтрино будут обладать тем свойством, что нейтрино и антинейтрино можно различить только по хиральности ; то, что наблюдают эксперименты, как разница между нейтрино и антинейтрино, может быть просто результатом одной частицы с двумя возможными хиральностями.

На 2019 год неизвестно, являются ли нейтрино частицами Майорана или Дирака. Это свойство можно проверить экспериментально. Например, если нейтрино действительно являются майорановскими частицами, то процессы, нарушающие лептонное число, такие как безнейтринный двойной бета-распад, будут разрешены, в то время как они не будут разрешены, если нейтрино являются дираковскими частицами. Несколько экспериментов были и проводятся для поиска этого процесса, например GERDA, EXO и SNO +. фон космических нейтрино также является проверкой того, являются ли нейтрино частицами Майораны, поскольку в случае Дирака или Майораны должно быть зарегистрировано другое количество космических нейтрино.

Ядерные реакции

Нейтрино могут взаимодействовать с ядром, превращая его в другое ядро. Этот процесс используется в радиохимических детекторах нейтрино . В этом случае для оценки вероятности взаимодействия необходимо учитывать уровни энергии и спиновые состояния в ядре-мишени. В общем, вероятность взаимодействия увеличивается с увеличением количества нейтронов и протонов в ядре.

Очень трудно однозначно идентифицировать взаимодействия нейтрино среди естественного фона радиоактивности. По этой причине в ранних экспериментах был выбран специальный канал реакции для облегчения идентификации: взаимодействие антинейтрино с одним из ядер водорода в молекулах воды. Ядро водорода представляет собой отдельный протон, поэтому одновременные ядерные взаимодействия, которые могли бы происходить в более тяжелом ядре, не нужно учитывать для эксперимента по обнаружению. В кубическом метре воды, помещенном прямо за пределы ядерного реактора, можно зарегистрировать лишь относительно небольшое количество таких взаимодействий, но сейчас установка используется для измерения скорости производства плутония в реакторе.

Индуцированное деление

Как и нейтроны в ядерных реакторах, нейтрино могут вызывать реакции деления в тяжелых ядра. Пока эта реакция не измерялась в лаборатории, но предсказывается, что она будет происходить внутри звезд и сверхновых. Этот процесс влияет на изотопов, наблюдаемых во вселенной . Деление нейтрино ядер дейтерия наблюдалось в нейтринной обсерватории Садбери, в которой используется детектор тяжелой воды.

Типы

нейтрино в Стандартной модели элементарных частиц
ФермионСимвол
Генерация 1
Электронное нейтрино. ν. e
Электронное антинейтрино. ν. e
Поколение 2
Мюонное нейтрино. ν. μ
Мюонное антинейтрино. ν. μ
Поколение 3
Тау-нейтрино. ν. τ
Тау-антинейтрино. ν. τ

Существует три известных типа (ароматов ) нейтрино: электронное нейтрино. ν. e, мюонное нейтрино. ν. μи тау-нейтрино. ν. τ, названные в честь их партнеров лептонов в Стандартной модели (см. таблицу справа). В настоящее время наилучшее измерение количества типов нейтрино происходит при наблюдении за распадом Z-бозона. Эта частица может распадаться на любое легкое нейтрино и его антинейтрино, и чем больше доступных типов легких нейтрино, тем короче время жизни Z-бозона. Измерения времени жизни Z показали, что с Z связаны три легких аромата нейтрино. Соответствие между шестью кварками в Стандартной модели и шестью лептонами, в том числе тремя нейтрино, подсказывает интуиции физиков, что должно быть ровно три типа нейтрино.

Исследования

Есть несколько активных областей исследований, связанных с нейтрино. Некоторые озабочены проверкой предсказаний поведения нейтрино. Другие исследования сосредоточены на измерении неизвестных свойств нейтрино; особый интерес представляют эксперименты, которые определяют их массы и скорость CP-нарушения, что невозможно предсказать с помощью современной теории.

Детекторы возле искусственных источников нейтрино

Международные научные коллаборации устанавливают большие детекторы нейтрино возле ядерных реакторов или в нейтринных пучках от ускорителей частиц, чтобы лучше ограничивать массы нейтрино, а также значения величины и скорости осцилляций между ароматами нейтрино. Таким образом, в этих экспериментах проводится поиск существования CP-нарушения в нейтринном секторе; то есть, независимо от того, относятся ли законы физики к нейтрино и антинейтрино по-разному.

Эксперимент KATRIN в Германии начал сбор данных в июне 2018 года для определения значения массы электрона. нейтрино, с другими подходами к этой проблеме на этапах планирования.

Гравитационные эффекты

Несмотря на их крошечные массы, нейтрино настолько многочисленны, что их гравитационная сила может влиять на другие вещества во Вселенной.

Три известных типа нейтрино являются единственными установленными элементарными частицами кандидатами на темную материю, в частности, горячую темную материю, хотя обычные нейтрино кажутся по существу исключены как значительная часть темной материи на основании наблюдений космического микроволнового фона. По-прежнему кажется правдоподобным, что более тяжелые стерильные нейтрино могут составлять теплую темную материю, если они существуют.

Поиски стерильных нейтрино

Другие попытки найти доказательства стерильное нейтрино - четвертый аромат нейтрино, который не взаимодействует с веществом, как три известных аромата нейтрино. На возможность стерильных нейтрино не влияют описанные выше измерения распада Z-бозона: если их масса больше половины массы Z-бозона, они не могут быть продуктами распада. Следовательно, тяжелые стерильные нейтрино имели бы массу не менее 45,6 ГэВ.

На существование таких частиц на самом деле намекают экспериментальные данные из эксперимента LSND. С другой стороны, проводимый в настоящее время эксперимент MiniBooNE показал, что стерильные нейтрино не требуются для объяснения экспериментальных данных, хотя последние исследования в этой области продолжаются, и аномалии в данных MiniBooNE могут допускать экзотические типы нейтрино, включая стерильные нейтрино. Недавний повторный анализ данных эталонных электронных спектров от Institut Laue-Langevin также указал на четвертое, стерильное нейтрино.

Согласно анализу, опубликованному в 2010 году, данные из Микроволновой датчик анизотропии Уилкинсона космического фонового излучения совместим с тремя или четырьмя типами нейтрино.

Поиски безнейтринного двойного бета-распада

Другой Гипотеза касается «безнейтринного двойного бета-распада», который, если он существует, нарушил бы сохранение лептонного числа. Поиски этого механизма продолжаются, но пока не нашли доказательств. Если бы они были таковыми, то то, что сейчас называют антинейтрино, не могло бы быть настоящими античастицами.

Нейтрино космических лучей

Эксперименты с нейтрино космических лучей обнаруживают нейтрино из космоса, чтобы изучить как природу нейтрино, так и космические источники, их производящие.

Скорость

До того, как было обнаружено, что нейтрино колеблются, они обычно считались безмассовыми и распространялись со скоростью скорости света. Согласно теории специальной теории относительности, вопрос о нейтрино скорости тесно связан с их массой : если нейтрино безмассовые, они должны двигаться со скоростью света, и если они имеют массу, они не могут достичь скорости света. Из-за их крошечной массы предсказанная скорость чрезвычайно близка к скорости света во всех экспериментах, а датчики тока не чувствительны к ожидаемой разнице.

Также некоторые лоренц-нарушающие варианты квантовой гравитации могут допускать нейтрино, движущиеся быстрее света. Исчерпывающей основой для нарушений Лоренца является Расширение стандартной модели (SME).

Первые измерения скорости нейтрино были сделаны в начале 1980-х с использованием импульсных пучков пионов (создаваемых импульсными пучками протонов, поражающими цель). Пионы распадались, производя нейтрино, и взаимодействия нейтрино, наблюдаемые в пределах временного окна в детекторе на расстоянии, соответствовали скорости света. Это измерение было повторено в 2007 году с использованием детекторов MINOS, которые обнаружили, что скорость нейтрино 3 ГэВ находится на уровне достоверности 99% в диапазоне 0,999976 c и 1.000126 c. Центральное значение 1,000051 c выше скорости света, но с учетом неопределенности также согласуется со скоростью точно c или немного меньше. Это измерение установило верхний предел массы мюонного нейтрино на уровне 50 МэВ с достоверностью 99% . После модернизации детекторов для этого проекта в 2012 году MINOS уточнила свой первоначальный результат и обнаружила соответствие скорости света с разницей во времени прибытия нейтрино и света -0,0006% (± 0,0012%).

Аналогичное наблюдение в гораздо большем масштабе было сделано со сверхновой 1987A (SN 1987A). Антинейтрино с энергией 10 МэВ от сверхновой были обнаружены в течение временного окна, которое соответствовало скорости света нейтрино. До сих пор все измерения скорости нейтрино соответствовали скорости света.

Глитч сверхсветового нейтрино

В сентябре 2011 года коллаборация OPERA выпустила расчеты, показывающие скорости В своих экспериментах нейтрино на 17 ГэВ и 28 ГэВ превышали скорость света. В ноябре 2011 года OPERA повторила свой эксперимент с изменениями, позволяющими определять скорость индивидуально для каждого зарегистрированного нейтрино. Результаты показали такую ​​же скорость, превышающую скорость света. В феврале 2012 года появились сообщения о том, что эти результаты могли быть вызваны ослабленным оптоволоконным кабелем, подключенным к одним из атомных часов, которые измеряли время вылета и прибытия нейтрино. Независимое воссоздание эксперимента в той же лаборатории, выполненное ICARUS, не обнаружило заметной разницы между скоростью нейтрино и скоростью света.

В июне 2012 года ЦЕРН объявил о проведении новых измерений во всех четырех экспериментах Гран-Сассо (OPERA, ICARUS, Borexino и LVD ) было обнаружено согласие между скоростью света и скоростью нейтрино, что окончательно опровергло первоначальное утверждение OPERA.

Масса

Вопрос, Web Fundamentals.svg Нерешенная проблема физики :. Можем ли мы измерить массы нейтрино? Следуют ли нейтрино статистике Дирака или Майораны ? (другие нерешенные проблемы в физике)

Стандартная модель физики элементарных частиц предполагала, что нейтрино безмассовые. Экспериментально установленное явление осцилляции нейтрино, которое смешивает состояния аромата нейтрино с массовыми состояниями нейтрино (аналогично CKM Mixing ), требует, чтобы нейтрино имели ненулевые массы. Первоначально массивные нейтрино были задуманы Бруно Понтекорво в 1950-х годах. Улучшить базовую структуру, чтобы приспособить их массу, просто путем добавления правого лагранжиана.

Определение массы нейтрино может быть выполнено двумя способами, и в некоторых предложениях используются оба:

  • Если, как и другие фундаментальные частицы Стандартной модели, масса генерируется с помощью механизма Дирака, тогда каркасу потребуется синглет SU (2). Эта частица будет иметь взаимодействия Юкавы с нейтральным компонентом дублета Хиггса , но в противном случае не будет взаимодействовать с частицами Стандартной модели, так что это называется " стерильное "нейтрино.
  • Или масса может быть создана с помощью механизма Майорана, который требует, чтобы нейтрино и антинейтрино были одной и той же частицей.

Самый строгий верхний предел масс. нейтрино взято из космологии : модель Большого взрыва предсказывает, что существует фиксированное соотношение между числом нейтрино и числом фотонов в космический микроволновый фон. Если полная энергия всех трех типов нейтрино превысит в среднем 50 эВ на нейтрино, во Вселенной будет столько массы, что она схлопнется. Этот предел можно обойти, если предположить, что нейтрино нестабильно, но есть ограничения в рамках Стандартной модели. сделать это сложно. Гораздо более жесткое ограничение вытекает из тщательного анализа космологических данных, таких как космическое микроволновое фоновое излучение, обзоры галактик и лес Лайман-альфа. Это означает, что суммарные массы трех нейтрино должны быть менее 0,3 эВ.

Нобелевская премия по физике 2015 была присуждена Такааки Кадзита и Артуру Б. Макдональду за экспериментальное открытие осцилляций нейтрино, которое демонстрирует, что нейтрино имеют массу.

В 1998 году результаты исследований на нейтринном детекторе Супер-Камиоканде показали, что нейтрино могут колебаться от одного аромата к другому., что требует, чтобы они имели ненулевую массу. Хотя это показывает, что нейтрино имеют массу, абсолютный масштаб массы нейтрино все еще неизвестен. Это связано с тем, что осцилляции нейтрино чувствительны только к разнице квадратов масс. Наилучшая оценка разности квадратов масс массовых собственных состояний 1 и 2 была опубликована KamLAND в 2005 г.: | Δm. 21| = 0,000079 эВ. В 2006 году в эксперименте MINOS были измерены осцилляции от интенсивного пучка мюонных нейтрино, определив разницу в квадратах масс между собственными состояниями нейтрино 2 и 3. Первоначальные результаты показывают | Δm. 32| = 0,0027 эВ, что согласуется с предыдущими результатами Супер-Камиоканде. Поскольку | Δm. 32| представляет собой разность двух квадратов масс, по крайней мере одна из них должна иметь значение, равное по крайней мере квадратному корню из этого значения. Таким образом, существует по крайней мере одно собственное состояние массы нейтрино с массой не менее 0,05 эВ.

В 2009 г. данные линзирования скопления галактик были проанализированы для предсказания массы нейтрино около 1,5 эВ. Это удивительно высокое значение требует, чтобы массы трех нейтрино были почти равны, с нейтринными осцилляциями порядка миллиэлектронвольт. В 2016 году эта масса была обновлена ​​до 1,85 эВ. Он предсказывает 3 стерильных нейтрино одинаковой массы, связанных с фракцией темной материи Планка и отсутствием наблюдения безнейтринного двойного бета-распада. Массы лежат ниже верхней границы Майнца-Троицка 2,2 эВ для электронного антинейтрино. Последний тестируется с июня 2018 года в эксперименте KATRIN, в котором проводится поиск массы от 0,2 до 2 эВ.

В настоящее время предпринимаются попытки напрямую определить абсолютное нейтрино. массовый масштаб в лабораторных экспериментах. Применяемые методы включают ядерный бета-распад (KATRIN и).

31 мая 2010 г. исследователи OPERA наблюдали первое событие тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино, впервые это преобразование в нейтрино были обнаружены, что дало дополнительные доказательства того, что они имеют массу.

В июле 2010 года в обзоре галактик 3-D MegaZ DR7 сообщалось, что они измерили предел объединенной массы трех разновидностей нейтрино, который меньше чем 0,28 эВ. Еще более жесткая верхняя граница для этой суммы масс, 0,23 эВ, была сообщена в марте 2013 года коллаборацией Planck, тогда как результат февраля 2014 года оценивает сумму как 0,320 ± 0,081 эВ на основе расхождений между космологическими последствиями. подразумевается детальными измерениями Планком космического микроволнового фона и предсказаниями, вытекающими из наблюдения других явлений, в сочетании с предположением, что нейтрино ответственны за наблюдаемое более слабое гравитационное линзирование, чем можно было бы ожидать от безмассового нейтрино.

Если нейтрино представляет собой майорановскую частицу, массу можно рассчитать, найдя период полураспада безнейтринного двойного бета-распада определенных ядер. Текущий самый низкий верхний предел майорановской массы нейтрино был установлен KamLAND -Zen: 0,060–0,161 эВ.

Размер

Нейтрино Стандартной модели являются фундаментальной точкой -подобные частицы без какой-либо ширины и объема. Поскольку нейтрино - элементарная частица, его размер не такой, как у обычных предметов. Свойства, связанные с обычным «размером», отсутствуют: между ними нет минимального расстояния, и нейтрино не могут конденсироваться в отдельное однородное вещество, занимающее конечный объем.

Хиральность

Экспериментальные результаты показывают, что в пределах погрешности все произведенные и наблюдаемые нейтрино имеют левую спиральность (спины антипараллельны импульсам ), и все антинейтрино имеют правую спиральность. В безмассовом пределе это означает, что для каждой частицы наблюдается только одна из двух возможных хиральностей. Это единственные хиральности, включенные в Стандартную модель взаимодействий частиц.

Возможно, что их аналоги (правые нейтрино и левосторонние антинейтрино) просто не существуют. Если это так, то их свойства существенно отличаются от наблюдаемых нейтрино и антинейтрино. Предполагается, что они либо очень тяжелые (порядка шкалы GUT - см. Механизм качелей ), либо не участвуют в слабых взаимодействиях (так называемые стерильные нейтрино ), или и то, и другое.

Наличие ненулевых масс нейтрино несколько усложняет ситуацию. Нейтрино образуются при слабых взаимодействиях как собственные состояния киральности. Хиральность массивной частицы не является константой движения; спиральность есть, но оператор киральности не разделяет собственные состояния с оператором спиральности. Свободные нейтрино распространяются как смеси состояний левой и правой спиральности с амплитудами смешивания порядка ⁄ E. Это не оказывает существенного влияния на эксперименты, потому что нейтрино почти всегда ультрарелятивистские, и поэтому амплитуды смешивания исчезающе малы. Фактически, они путешествуют так быстро, а время в их системах покоя течет так медленно, что у них нет достаточно времени, чтобы изменить какой-либо наблюдаемый путь. Например, большинство солнечных нейтрино имеют энергию порядка 0,100 МэВ – 1 МэВ, поэтому доля нейтрино с «неправильной» спиральностью среди них не может превышать 10.

аномалия GSI

Неожиданное Серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высокозарядных радиоактивных ионов, циркулирующих в накопительном кольце, вызвала теоретическую активность в попытка найти убедительное объяснение. Установлено, что скорости слабого распада двух радиоактивных частиц с периодом полураспада около 40 секунд и 200 секунд имеют значительную колебательную модуляцию с периодом около 7 секунд. Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI, поскольку накопительное кольцо является объектом в Центре исследований тяжелых ионов GSI в Дармштадте Германия.. Поскольку в процессе распада образуется электронное нейтрино, некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемой скорости осцилляций включают свойства нейтрино. Первоначальные идеи, связанные с колебаниями вкуса, были встречены скептически. Более недавнее предложение включает разницу масс между массами нейтрино собственными состояниями.

Источники

Искусственные

Реакторные нейтрино

Ядерные реакторы являются основным источником нейтрино, генерируемых человеком.. Большая часть энергии в ядерном реакторе вырабатывается путем деления (четыре основных делящихся изотопа в ядерных реакторах: . U., . U., . Pu. и . Pu. ), образующиеся в результате богатые нейтронами дочерние нуклиды быстро подвергаются дополнительным бета-распадам, каждый превращает один нейтрон в протон и электрон и высвобождает электронный антинейтрино (. n. →. p. +. e. +. ν. e). Включая эти последующие распады, при среднем делении ядра выделяется около 200 МэВ энергии, из которых примерно 95,5% остается в ядре в виде тепла, а примерно 4,5% (или около 9 МэВ) излучается в виде антинейтрино. Для типичного ядерного реактора с тепловой мощностью 4000 МВт общая мощность, производимая делящимися атомами, на самом деле составляет 4185 МВт, из которых 185 МВт испускаются в виде излучения антинейтрино и никогда не используются в технике. Это означает, что 185 МВт энергии деления теряется из этого реактора и не является теплом, доступным для работы турбин, поскольку антинейтрино проникают во все строительные материалы практически без взаимодействия.

Энергетический спектр антинейтрино зависит от степени сгорания топлива (антинейтрино деления плутония-239 в среднем имеют немного больше энергии, чем уран-235), но в целом обнаруживаемые антинейтрино от деления имеют пиковую энергию от 3,5 до 4 МэВ с максимальной энергией около 10 МэВ. Не существует установленного экспериментального метода для измерения потока низкоэнергетических антинейтрино. Только антинейтрино с энергией выше порога 1,8 МэВ могут запускать обратный бета-распад и, таким образом, быть однозначно идентифицированы (см. § Обнаружение ниже). По оценкам, 3% всех антинейтрино из ядерного реактора несут энергию выше этого порога. Таким образом, средняя атомная электростанция может генерировать более 10 антинейтрино в секунду выше этого порога, но также и гораздо большее их количество (97% / 3% ≈ 30 раз больше этого числа) ниже энергетического порога, что невозможно увидеть с помощью существующей технологии обнаружения.

Ускоритель нейтрино

Некоторые ускорители элементарных частиц использовались для создания нейтринных пучков. Метод заключается в столкновении протонов с неподвижной мишенью, в результате чего образуются заряженные пионы или каоны. Эти нестабильные частицы затем магнитно фокусируются в длинный туннель, где они распадаются во время полета. Из-за релятивистского ускорения распадающейся частицы нейтрино производятся в виде пучка, а не изотропно. Продолжаются попытки разработать ускорительную установку, в которой нейтрино образуются в результате распада мюонов. Такая установка обычно известна как «нейтринная фабрика».

Ядерное оружие

Ядерное оружие также производит очень большие количества нейтрино. Фред Райнс и Клайд Коуэн рассматривали возможность обнаружения нейтрино от бомбы до их поиска реакторных нейтрино; реактор деления был рекомендован в качестве лучшей альтернативы руководителем физического отдела Лос-Аламоса Дж. Келлогг. Оружие деления производит антинейтрино (в процессе деления), а термоядерное оружие производит как нейтрино (в процессе термоядерного синтеза), так и антинейтрино (в результате инициирующего взрыва деления).

Геологические

Нейтрино производятся вместе с естественным фоновым излучением. В частности, цепи распада изотопов . U. и . Th., а также . K. включают в себя бета-распады, которые испускают антинейтрино. Эти так называемые геонейтрино могут предоставить ценную информацию о недрах Земли. Первое указание на геонейтрино было обнаружено в эксперименте KamLAND в 2005 году, обновленные результаты были представлены KamLAND и Borexino. Основным фоном в измерениях геонейтрино являются антинейтрино, исходящие от реакторов.

Солнечные нейтрино (протон-протонная цепочка ) в Стандартной модели Солнца

Атмосфера

Атмосферные нейтрино возникают в результате взаимодействия космических лучей с атомными ядрами в атмосфере Земли, создавая потоки частиц, многие из которых нестабильны и при распаде производят нейтрино. Сотрудничество физиков элементарных частиц из Института фундаментальных исследований Тата (Индия), Городского университета Осаки (Япония) и Даремского университета (Великобритания) зарегистрировало первый космический луч. взаимодействие нейтрино в подземной лаборатории в Колар Голд Филдс в Индии в 1965 году.

Солнце

Солнечные нейтрино возникают в результате ядерного синтеза, питающего Солнце и другие звезды. Подробности работы Солнца объясняются в Стандартной модели Солнца. Вкратце: когда четыре протона сливаются, чтобы стать одним ядром гелия, два из них должны преобразоваться в нейтроны, и каждое такое преобразование высвобождает одно электронное нейтрино.

Солнце испускает огромное количество нейтрино во всех направлениях. Каждую секунду около 65 миллиардов (6,5 × 10) солнечных нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр на части Земли, перпендикулярной направлению Солнца. Поскольку нейтрино незначительно поглощаются массой Земли, площадь поверхности на стороне Земли, противоположной Солнцу, получает примерно такое же количество нейтрино, как и сторона, обращенная к Солнцу.

Сверхновые

SN 1987A

В 1966 году Колгейт и Уайт подсчитали, что нейтрино уносит большую часть гравитационной энергии, высвобождаемой при коллапсе массивных звезд; события теперь классифицируются как Типа Ib и Ic. и Тип II сверхновые. Когда такие звезды коллапсируют, плотности вещества в ядре становятся настолько высокими (10 кг / м), что вырождения электронов недостаточно для предотвращения объединения протонов и электронов с образованием нейтрона. и электронное нейтрино. Второй и более обильный источник нейтрино - это тепловая энергия (100 миллиардов кельвинов ) вновь образованного нейтронного ядра, которая рассеивается за счет образования пар нейтрино-антинейтрино всех видов.

Теория Колгейта и Уайта о рождении нейтрино сверхновой была подтверждена в 1987 году, когда были обнаружены нейтрино от Сверхновой 1987A. Детекторы на водной основе Kamiokande II и IMB зарегистрировали 11 и 8 антинейтрино (лептонное число = −1) теплового происхождения, соответственно, в то время как сцинтилляторные Баксанский детектор обнаружил 5 нейтрино (лептонное число = +1) либо теплового происхождения, либо происхождения захвата электронов, во всплеске длительностью менее 13 секунд. Нейтринный сигнал от сверхновой достиг Земли за несколько часов до прихода первого электромагнитного излучения, как и ожидалось из того очевидного факта, что последнее возникает вместе с ударной волной. Исключительно слабое взаимодействие с нормальным веществом позволило нейтрино пройти через взбалтывающую массу взрывающейся звезды, в то время как электромагнитные фотоны замедлились.

Поскольку нейтрино так мало взаимодействуют с веществом, считается, что выбросы нейтрино сверхновой несут информацию о самых внутренних областях взрыва. Большая часть видимого света возникает в результате распада радиоактивных элементов, вызванных ударной волной сверхновой, и даже свет от самого взрыва рассеивается плотными и турбулентными газами и, таким образом, задерживается. Ожидается, что нейтринный взрыв достигнет Земли раньше, чем любые электромагнитные волны, включая видимый свет, гамма-лучи или радиоволны. Точное время задержки прихода электромагнитных волн зависит от скорости ударной волны и толщины внешнего слоя звезды. Для сверхновой типа II астрономы ожидают, что поток нейтрино будет выпущен через несколько секунд после коллапса ядра звезды, в то время как первый электромагнитный сигнал может появиться через несколько часов, после того как ударная волна взрыва успела достичь поверхности звезды. В проекте Система раннего предупреждения о сверхновых используется сеть детекторов нейтрино для наблюдения за небом на предмет возможных событий сверхновых; сигнал нейтрино обеспечит полезное заблаговременное предупреждение о взрыве звезды в Млечном Пути.

. Хотя нейтрино проходят через внешние газы сверхновой без рассеяния, они предоставляют информацию о более глубоком ядре сверхновой с доказательством того, что здесь даже нейтрино сильно разлетаются. В ядре сверхновой звезды плотности соответствуют плотности нейтронной звезды (которая, как ожидается, будет образована в этом типе сверхновой), становясь достаточно большой, чтобы влиять на продолжительность нейтринного сигнала, задерживая некоторые нейтрино. Сигнал нейтрино длительностью 13 секунд от SN 1987A длился намного дольше, чем это потребовалось бы нейтрино, чтобы беспрепятственно пересечь ядро ​​сверхновой, генерирующее нейтрино, которое, как ожидается, будет иметь диаметр всего 3200 километров для SN 1987A.

Подсчитанное количество нейтрино также соответствовало общей энергии нейтрино 2,2 × 10 джоулей, которая, по оценкам, составляла почти всю полную энергию сверхновой.

Для средней сверхновой, выделяется примерно 10 (октодециллион ) нейтрино, но фактическое количество, обнаруженное наземным детектором N {\ displaystyle N}N , будет намного меньше, на уровне

N ∼ 10 4 (M 25 тыс. Тонн) (10 тыс. Шт. / Сутки) 2 {\ displaystyle N \ sim 10 ^ {4} \ left ({\ frac {M} {25 \, \ mathrm {kton}}} \ right) \ left ({\ frac {10 \, \ mathrm {kpc}} {d}} \ right) ^ {2}}{\ displaystyle N \ sim 10 ^ {4} \ left ({\ frac {M} {25 \, \ mathrm {kton}}} \ right) \ left ({\ frac {10 \, \ mathrm {kpc}} {d} } \ right) ^ {2}} ,

где M {\ displaystyle M}M - это масса детектора (например, Супер Камиоканде, имеющий массу 50 ктон) и d {\ displaystyle d}d - расстояние до сверхновой. Следовательно, на практике можно будет регистрировать нейтринные всплески от сверхновых только в пределах Млечного Пути (нашей собственной галактики) или поблизости от него. В дополнение к обнаружению нейтрино от отдельных сверхновых, должно быть также возможно обнаружение диффузного нейтринного фона сверхновой, который происходит от всех сверхновых во Вселенной.

Остатки сверхновых

Энергия нейтрино сверхновых колеблется от единиц до нескольких десятков МэВ. Ожидается, что места, где ускоряются космические лучи, будут производить нейтрино, которые по крайней мере в миллион раз более энергичны, произведенные из турбулентных газовых сред, оставшихся после взрыва сверхновых: остатки сверхновой. Вальтер Бааде и Фриц Цвикки приписали происхождение космических лучей сверхновым; эта гипотеза была уточнена Виталием Л. Гинзбургом и Сергеем И. Сыроватским, которые приписали происхождение остаткам сверхновой и подкрепили свое утверждение решающим замечанием о том, что потери космических лучей Млечным путем компенсируются, если эффективность ускорения в остатках сверхновой составляет около 10 процентов. Гипотеза Гинзбурга и Сыроватского подтверждается специфическим механизмом «ускорения ударной волны», происходящим в остатках сверхновой, который согласуется с исходной теоретической картиной, нарисованной Энрико Ферми, и получает подтверждение в данных наблюдений. Нейтрино очень высоких энергий еще предстоит увидеть, но эта ветвь нейтринной астрономии только зарождается. Основные существующие или предстоящие эксперименты, направленные на наблюдение нейтрино очень высоких энергий из нашей галактики: Байкал, AMANDA, IceCube, ANTARES и Нестор. Соответствующая информация предоставлена ​​обсерваториями гамма-излучения очень высоких энергий, такими как VERITAS, HESS и MAGIC. Действительно, столкновения космических лучей должны производить заряженные пионы, распад которых дает нейтрино, а также нейтральные пионы, чьи распады дают гамма-лучи: окружение остатка сверхновой прозрачно для обоих типов излучения.

Нейтрино еще более высоких энергий, возникающие в результате взаимодействия внегалактических космических лучей, можно было наблюдать с помощью Обсерватории Пьера Оже или с помощью специального эксперимента под названием ANITA.

Big Взрыв

Считается, что, как и космическое микроволновое фоновое излучение, оставшееся после Большого взрыва, в нашей Вселенной существует фон нейтрино низкой энергии.. В 1980-х годах было высказано предположение, что это может быть объяснением темной материи, которая, как считается, существует во Вселенной. У нейтрино есть одно важное преимущество перед большинством других кандидатов в темную материю: известно, что они существуют. У этой идеи тоже есть серьезные проблемы.

Из экспериментов с частицами известно, что нейтрино очень легкие. Это означает, что они легко перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. По этой причине темная материя, состоящая из нейтрино, называется «горячей темной материей ». Проблема в том, что, будучи быстро движущимися, нейтрино имели бы тенденцию равномерно распространяться по вселенной до того, как космологическое расширение сделало бы их достаточно холодными, чтобы собираться в сгустки. Это приведет к тому, что часть темной материи, состоящая из нейтрино, будет размазана и не сможет вызвать большие галактические структуры, которые мы видим.

Те же самые галактики и группы галактик, кажется, окружены темной материей, которая не достаточно быстра, чтобы покинуть эти галактики. Предположительно эта материя дала гравитационное ядро ​​для образования . Это означает, что нейтрино не могут составлять значительную часть от общего количества темной материи.

Из космологических аргументов, реликтовые фоновые нейтрино имеют плотность 56 каждого типа на кубический сантиметр и температуру 1,9 К (1,7 × 10 эВ), если они безмассовые, и намного холоднее, если их масса превышает 0,001 эВ. Хотя их плотность довольно высока, они еще не наблюдались в лаборатории, поскольку их энергия ниже пороговых значений большинства методов обнаружения и из-за чрезвычайно низких сечений взаимодействия нейтрино при энергиях ниже эВ. Напротив, солнечные нейтрино бор-8, которые испускаются с более высокой энергией, были обнаружены окончательно, несмотря на то, что их пространственная плотность ниже, чем у реликтовых нейтрино, примерно на 6 порядков.

Обнаружение

Нейтрино как таковые нельзя обнаружить напрямую, потому что они не ионизируют материалы, через которые проходят (они не несут электрический заряд, и другие предлагаемые эффекты, такие как эффект MSW, не производят прослеживаемого излучения). Уникальная реакция для идентификации антинейтрино, иногда называемая обратным бета-распадом, применяемая Рейнесом и Коуэном (см. Ниже), требует очень большого детектора для обнаружения значительного количества нейтрино. Все методы обнаружения требуют, чтобы нейтрино несли минимальную пороговую энергию. До сих пор не существует метода обнаружения нейтрино низкой энергии в том смысле, что потенциальные нейтринные взаимодействия (например, посредством эффекта MSW) нельзя однозначно отличить от других причин. Детекторы нейтрино часто строят под землей, чтобы изолировать детектор от космических лучей и другого фонового излучения.

Впервые антинейтрино были обнаружены в 1950-х годах возле ядерного реактора. Рейнес и Коуэн использовали две мишени, содержащие раствор хлорида кадмия в воде. Рядом с кадмиевыми мишенями размещались два сцинтилляционных детектора. Антинейтрино с энергией выше порогового значения 1,8 МэВ вызвали взаимодействие заряженного тока с протонами в воде с образованием позитронов и нейтронов. Это очень похоже на распад. β., где энергия используется для преобразования протона в нейтрон, испускается позитрон (. e.) и электронное нейтрино (. ν. e):

Из известного распада. β. :

Энергия +. p. →. n. +. e. +. ν. e

В эксперименте Коуэна и Райнеса вместо выходящего нейтрино у вас есть входящий антинейтрино (. ν. e) из ядерного реактора:

Энергия (>1,8 МэВ) +. p. +. ν. e→. n. +. e.

В результате аннигиляция позитронов с электронами в материале детектора создала фотоны с энергией около 0,5 МэВ. Совпадающие пары фотонов могут быть обнаружены двумя сцинтилляционными детекторами выше и ниже цели. Нейтроны были захвачены ядрами кадмия, что привело к появлению гамма-лучей с энергией около 8 МэВ, которые были обнаружены через несколько микросекунд после фотонов от события аннигиляции позитрона.

С тех пор использовались различные методы обнаружения. Супер Камиоканде - это большой объем воды, окруженный фотоумножителями, которые следят за черенковским излучением, испускаемым, когда входящее нейтрино создает электрон или мюон в воде. Нейтринная обсерватория Садбери аналогична, но использует тяжелую воду в качестве среды обнаружения, которая использует те же эффекты, но также допускает дополнительную реакцию нейтринной фотодиссоциации любого аромата дейтерия, в результате образуется свободный нейтрон, который затем обнаруживается гамма-излучением после захвата хлора. Другие детекторы состояли из больших объемов хлора или галлия, которые периодически проверяются на наличие избытка аргона или германия соответственно, которые являются создается электронными нейтрино, взаимодействующими с исходным веществом. MINOS использовал твердый пластик сцинтиллятор, соединенный с фотоумножительными трубками, в то время как Borexino использует жидкий псевдокумол сцинтиллятор, также наблюдаемый с помощью фотоэлектронных умножителей и В детекторе NOνA используется жидкий сцинтиллятор, за которым наблюдают лавинные фотодиоды. Нейтринная обсерватория IceCube использует 1 км антарктического ледяного покрова около южного полюса с фотоумножителями, распределенными по всему объему.

В детекторе ND280 Ливерпульского университета используется новое применение детекторов света в гадолиниевом корпусе в магнитном поле с регулируемой температурой, улавливающем события двойных световых импульсов. Эксперимент T2K разработал технологию, и практические эксперименты были успешными как в Японии, так и на электростанции Wylfa.

Научный интерес

Малая масса и нейтральный заряд нейтрино означают, что они очень слабо взаимодействуют с другими частицами и поля. Эта особенность слабого взаимодействия интересует ученых, потому что это означает, что нейтрино можно использовать для исследования среды, в которую не может проникнуть другое излучение (например, свет или радиоволны).

Использование нейтрино в качестве зонда было впервые предложено в середине 20-го века как способ обнаружения условий в ядре Солнца. Солнечное ядро ​​невозможно отобразить напрямую, потому что электромагнитное излучение (например, свет) рассеивается большим количеством и плотностью материи, окружающей ядро. С другой стороны, нейтрино проходят через Солнце с небольшим количеством взаимодействий. В то время как фотонам, испускаемым из солнечного ядра, может потребоваться 40 000 лет, чтобы диффундировать к внешним слоям Солнца, нейтрино, генерируемые в реакциях звездного синтеза в ядре, практически беспрепятственно пересекают это расстояние почти со скоростью света.

Нейтрино существуют. также полезен для исследования астрофизических источников за пределами Солнечной системы, потому что они - единственные известные частицы, которые не значительно ослабляются при их перемещении через межзвездную среду. Оптические фотоны могут затеняться или рассеиваться пылью, газом и фоновым излучением. Космические лучи высоких энергий в виде быстрых протонов и атомных ядер не могут преодолевать расстояние более 100 мегапарсек из-за предела Грейзена – Зацепина – Кузьмина (отсечка ГЗК). Нейтрино, напротив, могут путешествовать даже на большие расстояния практически без ослабления.

Галактическое ядро ​​Млечного Пути полностью скрыто плотным газом и множеством ярких объектов. Нейтрино, образующиеся в ядре галактики, можно измерить с помощью нейтринных телескопов.

Земных нейтрино. Еще одно важное применение нейтрино - наблюдение сверхновых, взрывов, заканчивающих жизнь очень массивных звезд.. Фаза коллапса ядра сверхновой - чрезвычайно плотное и энергичное событие. Он настолько плотный, что никакие известные частицы не могут покинуть передний фронт ядра, кроме нейтрино. Следовательно, известно, что сверхновые выделяют около 99% своей лучистой энергии за короткий (10 секунд) всплеск нейтрино. Эти нейтрино - очень полезный зонд для изучения коллапса активной зоны.

Масса покоя нейтрино является важной проверкой космологических и астрофизических теорий (см. Темная материя ). Значение нейтрино в исследовании космологических явлений так же велико, как и любой другой метод, и поэтому является основным направлением изучения астрофизических сообществ.

Изучение нейтрино важно в физике элементарных частиц, потому что нейтрино обычно имеют наименьшую массу и, следовательно, являются примерами частиц с наименьшей энергией, теоретизированными в расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц.

В ноябре 2012 года американские ученые использовали ускоритель элементарных частиц, чтобы отправить когерентное нейтринное сообщение через 780 футов скалы. Это первое использование нейтрино для связи, и будущие исследования могут позволить отправлять двоичные нейтринные сообщения на огромные расстояния даже через самые плотные материалы, такие как ядро ​​Земли.

В июле 2018 года IceCube Нейтринная обсерватория объявила, что они отследили нейтрино сверхвысокой энергии, которое поразило их исследовательскую станцию ​​в Антарктиде в сентябре 2017 года, до точки его происхождения в блазаре TXS 0506 +056 расположен на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет в направлении созвездия Орион. Это первый раз, когда детектор нейтрино был использован для определения местоположения объекта в космосе и что был идентифицирован источник космических лучей.

См. Также

Примечания

Ссылки

Библиография

Внешние ссылки

Найдите нейтрино в Викисловаре, бесплатном словаре.
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26