Проблема солнечных нейтрино

редактировать

Задача солнечных нейтрино касалась большого расхождения между потоками солнечных нейтрино как было предсказано на основании светимости Солнца и измерено напрямую. Расхождение впервые было обнаружено в середине 1960-х годов и окончательно разрешено примерно в 2002 году.

Поток нейтрино на Земле составляет несколько десятков миллиардов на квадратный сантиметр в секунду., в основном из ядра Sun. Тем не менее их трудно обнаружить, потому что они очень слабо взаимодействуют с веществом, пересекая всю Землю, как свет разрежает воздух. Из трех типов (ароматов ) нейтрино, известных в Стандартной модели раздела физики элементарных частиц, Солнце производит только электронные нейтрино. Когда детекторы нейтрино стали достаточно чувствительными, чтобы измерить поток электронных нейтрино от Солнца, обнаруженное число оказалось намного ниже прогнозируемого. В различных экспериментах дефицит численности составлял от половины до двух третей.

Физики элементарных частиц знали, что механизм, обсужденный еще в 1957 году Бруно Понтекорво, может объяснить дефицит электронных нейтрино. Однако они не решались принять ее по разным причинам, включая тот факт, что это требовало модификации принятой Стандартной модели. Сначала они указали на солнечную модель для корректировки, которая была исключена. Сегодня принято считать, что нейтрино, произведенные на Солнце, не являются безмассовыми частицами, как предсказывает Стандартная модель, а скорее смешанными квантовыми состояниями, состоящими из определенных- масс собственных состояний в различных (сложные ) пропорции. Это позволяет нейтрино, образованному как чистое электронное нейтрино, превращаться во время распространения в смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино, с уменьшенной вероятностью обнаружения детектором, чувствительным только к электронным нейтрино.

Несколько детекторов нейтрино, нацеленных на разные ароматы, энергии и пройденное расстояние, внесли свой вклад в наши нынешние знания о нейтрино. В 2002 и 2015 годах четыре исследователя, связанные с некоторыми из этих детекторов, были удостоены Нобелевской премии по физике.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 Предлагаемые решения
  • 3 Разрешение
  • 4 Ссылки
  • 5 Внешние ссылки

Предпосылки

Солнце осуществляет ядерный синтез посредством протон-протонной цепной реакции, которая преобразует четыре протона на альфа-частицы, нейтрино, позитроны и энергию. Эта энергия высвобождается в форме электромагнитного излучения в виде гамма-лучей, а также в форме кинетической энергии как заряженных частиц, так и нейтрино. Нейтрино перемещаются от ядра Солнца к Земле без заметного поглощения внешними слоями Солнца.

В конце 1960-х годов Рэй Дэвис и Эксперимент Хоумстейк Джона Н. Бэколла были первыми, кто измерил поток . нейтрино от Солнца и обнаруживают дефицит. В эксперименте использовался детектор на основе хлора 4. Многие последующие радиохимические и водные черенковские детекторы подтвердили дефицит, в том числе Обсерватория Камиока и Нейтринная обсерватория Садбери.

. Ожидаемое количество солнечных нейтрино было рассчитано с использованием стандартная солнечная модель, которую помог установить Бахколл. Модель дает подробный отчет о внутренней работе Солнца.

В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба выиграли часть Нобелевской премии по физике за экспериментальную работу, которая показала, что количество солнечных нейтрино составляет около трети от число, предсказанное стандартной солнечной моделью.

В знак признания убедительных доказательств, предоставленных экспериментами 1998 и 2001 годов "для осцилляции нейтрино", Такааки Кадзита из Супер-Камиоканде Обсерватория и Артур Макдональд из Нейтринной обсерватории Садбери (SNO) были удостоены Нобелевской премии по физике 2015 года. Однако Нобелевский комитет по физике ошибся, упомянув нейтринные осцилляции в отношении эксперимента SNO: для высокоэнергетических солнечных нейтрино, наблюдаемых в этом эксперименте, это не осцилляции нейтрино, а эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Бруно Понтекорво не был включен в эти Нобелевские премии, так как он умер в 1993 году.

Предлагаемые решения

Ранние попытки объяснить несоответствие предполагали, что модели Солнце ошибалось, т.е. температура и давление внутри Солнца существенно отличались от предполагаемых. Например, поскольку нейтрино измеряют количество текущего ядерного синтеза, было высказано предположение, что ядерные процессы в ядре Солнца могли временно прекратиться. Поскольку тепловая энергия переходит от ядра к поверхности Солнца за тысячи лет, это не сразу станет очевидным.

Достижения в гелиосейсмологии наблюдений позволили сделать вывод о внутренней температуре Солнца; эти результаты согласуются с хорошо известной стандартной солнечной моделью. Подробные наблюдения за спектром нейтрино с более продвинутых нейтринных обсерваторий дали результаты, которые никакая корректировка солнечной модели не могла учесть: в то время как общий более низкий поток нейтрино (который был обнаружен в результате эксперимента Хоумстейка) требовал снижения температуры ядра Солнца, подробности в энергетический спектр нейтрино требовал более высокой температуры ядра. Это происходит потому, что разные ядерные реакции, скорость которых по-разному зависит от температуры, порождают нейтрино с разной энергией. Любая корректировка солнечной модели ухудшила по крайней мере один аспект расхождений.

Разрешение

Проблема солнечных нейтрино была решена благодаря более глубокому пониманию свойств нейтрино. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует три вида нейтрино: электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Электронные нейтрино - это те, которые производятся на Солнце, и те, которые обнаруживаются в вышеупомянутых экспериментах, в частности, в эксперименте Homestake Mine с детектором хлора.

На протяжении 1970-х годов было широко распространено мнение, что нейтрино безмассовы, а их ароматы неизменны. Однако в 1968 г. Понтекорво предположил, что если нейтрино имеют массу, то они могут меняться от одного аромата к другому. Таким образом, «недостающие» солнечные нейтрино могут быть электронными нейтрино, которые на пути к Земле изменились на другие ароматы, что сделало их невидимыми для детекторов в шахте Хоумстейк и в современных нейтринных обсерваториях.

сверхновая 1987A указывает, что нейтрино могут иметь массу из-за разницы во времени прибытия нейтрино, обнаруженных в Камиоканде и ММБ. Однако, поскольку было зарегистрировано очень мало нейтринных событий, было трудно сделать какие-либо выводы с уверенностью. Если бы у Камиоканде и IMB были высокоточные таймеры для измерения времени прохождения нейтринного взрыва через Землю, они могли бы более точно установить, имеют ли нейтрино массу. Если бы нейтрино были безмассовыми, они бы двигались со скоростью света; если бы у них была масса, они бы двигались со скоростью, немного меньшей, чем скорость света. Поскольку детекторы не предназначались для регистрации нейтрино сверхновых, это было невозможно сделать.

Убедительное доказательство осцилляции нейтрино было получено в 1998 году в результате сотрудничества Супер-Камиоканде в Японии. Он произвел наблюдения, согласующиеся с мюонными нейтрино (произведенными в верхних слоях атмосферы космическими лучами ), превращающимися в тау-нейтрино внутри Земли: было обнаружено меньше атмосферных нейтрино, проходящих через Землю, чем непосредственно над детектором. Эти наблюдения касались только мюонных нейтрино. На Супер-Камиоканде тау-нейтрино не наблюдалось. Однако результат сделал более правдоподобным тот факт, что дефицит нейтрино с электронным ароматом, наблюдаемый в (относительно низкоэнергетическом) эксперименте Хоумстейк, также связан с массой нейтрино.

Год спустя Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) начала сбор данных. Этот эксперимент был направлен на солнечные нейтрино группы B, на которые при энергии около 10 МэВ не сильно влияют колебания как Солнца, так и Земли. Тем не менее ожидается большой дефицит из-за эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна, который был рассчитан Алексеем Смирновым в 1985 году. Уникальная конструкция SNO с использованием большого количества тяжелой воды в качестве среды обнаружения был предложен Хербом Ченом также в 1985 году. SNO наблюдала электронные нейтрино, в частности, и все разновидности нейтрино, вместе взятые, следовательно, часть электронных нейтрино. После обширного статистического анализа коллаборация SNO определила, что эта доля составляет около 34%, что полностью соответствует прогнозу. Общее количество обнаруженных нейтрино B также согласуется с тогдашними приблизительными предсказаниями солнечной модели.

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-08 08:47:46
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте