НЕЙТРИНО • Большая российская энциклопедия

Немного истории

Нейтрино — это совокупное название группы легчайших элементарных частиц, относящихся к фермионам. Существование нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году, а экспериментально подтверждено в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом. При этом Паули лишь неформально, в виде чистой гипотезы, предположил, что «имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона». Таким образом он пытался объяснить наблюдаемую природу бета-распада. Он назвал такую неоткрытую частицу «нейтроном». Только через два года, в 1932, Джеймс Чедвик открыл в атоме крупную элементарную частицу, сравнимую по массе с протоном, и назвал ее «нейтрон», а неуловимый фермион Паули впоследствии удостоился названия «нейтрино» (нейтрончик) с легкой руки Энрико Ферми.

Видео

Заметки

^ Более конкретно, Паули постулировал то, что сейчас называется электронным нейтрино . Позже были обнаружены два других типа: см. Аромат нейтрино ниже . ^ Нильс Бор был особенно против этой интерпретации бета-распада — он был готов признать, что энергия, импульс и угловой момент не являются сохраняемыми величинами на атомном уровне. ^ В этом контексте «легкое нейтрино» означает нейтрино с массой менее половины Z-  бозона. ^ Как и на всех тепловых электростанциях , только около трети вырабатываемого тепла может быть преобразовано в электричество, поэтому Реактор мощностью 4000 МВт будет производить только1300 МВт электрической мощности, с2700 МВт — это отходящее тепло .

Природа нейтрино

Н. мо­гут быть че­ты­рёх­ком­по­нент­ны­ми фер­мио­на­ми, т. е. иметь пра­вые ком­по­нен­ты и об­ла­дать ди­ра­ков­ски­ми мас­са­ми, их дви­же­ние опи­сы­ва­ет­ся урав­не­ни­ем Ди­ра­ка. Пра­вые ком­по­нен­ты име­ют ну­ле­вой изо­спин и ну­ле­вой ги­пер­за­ряд и не взаи­мо­дей­ст­ву­ют с про­ме­жу­точ­ны­ми бо­зо­на­ми, мо­гут иметь свя­зи с бо­зо­на­ми Хигг­са и рож­дать­ся в их взаи­мо­дей­ст­ви­ях с леп­то­на­ми и квар­ка­ми.

Ма­лость масс Н. мо­жет сви­де­тель­ст­во­вать в поль­зу то­го, что Н. яв­ля­ет­ся час­ти­цей Май­о­ра­на, т. е. от­но­сит­ся к ис­тин­но ней­траль­ным фер­мио­нам, у ко­то­рых час­ти­ца сов­па­да­ет с ан­ти­час­ти­цей. Вол­но­вая функ­ция Н. сов­па­да­ет с вол­но­вой функ­ци­ей ан­ти­ней­три­но с точ­но­стью до фа­зо­во­го фак­то­ра: $\tilde ν=e^{іφ}ν$, где $φ$ – т. н. май­о­ра­нов­ская фа­за. Все со­хра­няю­щие­ся за­ря­ды та­ко­го Н. рав­ны ну­лю. Пол­ное леп­тон­ное чис­ло на­ру­ша­ет­ся май­о­ра­нов­ски­ми мас­со­вы­ми чле­на­ми на две еди­ни­цы: $|ΔL|=2$ и, сле­до­ва­тель­но, долж­ны су­ще­ст­во­вать про­цес­сы с $|ΔL|=2$. Наи­бо­лее пер­спек­тив­ным для де­тек­ти­ро­ва­ния яв­ля­ет­ся без­ней­трин­ный двой­ной $β$-рас­пад: $Z→(Z+2)+e+e (Z$ – за­ряд яд­ра), ве­ро­ят­ность $Γ$ ко­то­ро­го про­пор­цио­наль­на квад­ра­ту эф­фек­тив­ной май­о­ра­нов­ской мас­сы элек­трон­но­го Н.: $Γ∼m^2_{ee}$. Чув­ст­ви­тель­ность совр. экс­пе­ри­мен­тов, по­зво­ляю­щая из­ме­рить $m_{ее}≈ 0,4–0,5$ эВ, бу­дет улуч­ше­на до $m_{ее}≈ 0,02–0,05$ эВ сле­дую­щей се­ри­ей экс­пе­ри­мен­тов.

Общие сведения

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

Нейтрино – это лептоны, которые входят в Стандартную модель. Существует три типа нейтральных частиц – нейтрино, а также их три античастицы, каждый из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд:

  • Электронное нейтрино. Первое открытое нейтрино, а потому относится к первому поколению лептонов. Оно рождается в процессе бета-распада и высвобождает остаточную энергию, «не взятую» электронном, по этой причине и получило свое название.
  • Мюонное нейтрино – второй тип, описанный в 1940-х годах, и экспериментально обнаруженный в 1962-м году. Зачастую оно излучается в реакциях с участием космических лучей и при распаде π-мезонов с высокими энергиями.
  • Тау-нейтрино – соответствует тау-лептону, открытому в 1975-м году, и вместе с ним является лептоном третьего поколения. Экспериментально обнаружена в 2000-м году и стала предпоследней частицей, предсказанной Стандартной моделью.

Нейтрино имеет очень малое сечения взаимодействия с веществом, а потому обладает большой проникающей способностью. Например, чтобы со 100%-ной вероятностью «захватить» нейтрино при помощи железной стены, ее толщина должна достигать 1018 метров (108 св. лет), что в 25 раз больше расстояния до ближайшей звезды — Проксима Центавра.

Свойства и реакции

Нейтрино обладают полуцелым спином ( 1/2ħ ); следовательно, они фермионы . Нейтрино — это лептоны . Было замечено, что они взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия , хотя предполагается, что они также взаимодействуют гравитационно.

Ароматизатор, масса и их смешивание

Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов : электронных нейтрино (νе), мюонные нейтрино (νμ) или тау-нейтрино (ντ), связанный с соответствующими заряженными лептонами, электрон (е), мюон (μ) и тау (τ), соответственно. [31]

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 по состоянию на 2016 год известны только разности квадратов трех значений массы, [8] эксперименты показали, что эти массы крошечные по величине. На основе космологических измерений было подсчитано, что сумма трех масс нейтрино должна быть меньше одной миллионной массы электрона. [1] [9]

Более формально, собственные состояния аромата нейтрино (комбинации создания и уничтожения) не совпадают с собственными состояниями массы нейтрино (просто обозначены «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» все наоборот. В настоящее время проводится несколько крупных экспериментальных работ, чтобы помочь установить, что является правильным. [32]

Нейтрино, созданное в определенном собственном состоянии аромата, находится в связанной определенной 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 сильно зависит от этого аромата. Связь между собственными состояниями вкуса и массы закодирована в матрице PMNS . Эксперименты установили значения для элементов этой матрицы. [8]

Ненулевая масса позволяет нейтрино иметь крошечный магнитный момент ; Если это так, нейтрино будут взаимодействовать электромагнитно, хотя такого взаимодействия никогда не наблюдалось. [33]

Колебания вкуса

В полете нейтрино колеблются между разными вкусами. Например, электронное нейтрино, образовавшееся 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 движутся с немного разными скоростями, так что их квантово-механические волновые пакеты развивают относительные фазовые сдвиги, которые изменяют способ их объединения, создавая изменяющуюся суперпозицию трех ароматов. Таким образом, каждый ароматический компонент колеблется по мере движения 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. [6] [7]

Есть и другие возможности, в которых нейтрино могло бы осциллировать, даже если бы они были безмассовыми: если бы лоренц-симметрия не была точной симметрией, нейтрино могли бы испытывать лоренц-нарушающие осцилляции . [34]

Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна

Нейтрино, путешествуя через материю, в общем, подвергаются процессу, аналогичному свету, движущемуся через прозрачный материал . Этот процесс не наблюдается напрямую, потому что он не производит ионизирующего излучения , но вызывает эффект МСВ . Лишь небольшая часть энергии нейтрино передается материалу. [35]

Антинейтрино

Для каждого нейтрино также существует соответствующая античастица , называемая антинейтрино , которая также не имеет электрического заряда и полуцелого спина. Они отличаются от нейтрино противоположными знаками лептонного числа и противоположной хиральностью . По состоянию на 2016 год никаких доказательств каких-либо других различий обнаружено не было. Во всех наблюдениях лептонных процессов (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. [10] [11]

Процессы с участием нейтрино

Взаи­мо­дей­ст­вия Н. с элек­тро­на­ми, ну­кло­на­ми, яд­ра­ми обу­слов­ле­ны об­ме­ном бо­зо­на­ми $W^+, W^–$ и $Z^0$. Экс­пе­ри­мен­таль­но изу­че­ны про­цес­сы рас­сея­ния на элек­тро­нах $ν_e+e→ν_e+e$ и $\tilde ν_e+e→\tilde ν_e+e; ν_μ+ e→ν_μ+ e$ и $\tilde ν_μ+ e→\tilde ν_μ+ e (Z^0$-об­мен). Об­на­ру­же­ние этих про­цес­сов и про­цес­сов рас­сея­ния Н. на ну­кло­нах яви­лось от­кры­ти­ем ней­траль­ных то­ков (ана­ло­гич­ные ре­ак­ции су­ще­ст­ву­ют для $τ$-Н.). В сис­те­ме по­коя элек­тро­нов се­че­ния этих ре­ак­ций рас­тут с рос­том энер­гии Н. $\text{ℰ}_\nu$ как $\text{ℰ} ^2_\nu$ при $\text{ℰ}_\nu < m_e$; квад­ра­тич­ный рост сме­ня­ет­ся ли­ней­ным по $\text{ℰ}_\nu$ при $\text{ℰ}_\nu>m_e$. В об­лас­ти энер­гий $ℰ_\nu∼m^2_W /2m_e$ (где $m_W$ мас­са $W$-бо­зо­на) ли­ней­ный рост за­мед­ля­ет­ся и се­че­ние ре­ак­ции при­бли­жа­ет­ся к кон­стан­те.

При рас­сея­нии на ну­кло­нах Н. низ­ких энер­гий $(ℰ_ν≪m_N)$ ос­нов­ны­ми яв­ля­ют­ся уп­ру­гое и ква­зи­уп­ру­гое взаи­мо­дей­ст­вия: $ν_l+n→p+l^–,\tilde ν_l+p→n+l^+$ и се­че­ния рас­тут про­пор­цио­наль­но $ℰ^2_n$. При $ℰ_ν∼m_N$ су­ще­ст­вен­ный вклад вно­сят не­уп­ру­гие взаи­мо­дей­ст­вия, а при $ℰ_ν>m_N$ до­ми­ни­рую­щи­ми ста­но­вят­ся глу­бо­ко не­уп­ру­гие взаи­мо­дей­ст­вия, напр. $ν_l+N→l+ X$. Вслед­ст­вие слож­ной кварк-пар­тон­ной струк­ту­ры ну­кло­нов се­че­ние про­дол­жа­ет рас­ти по близ­ко­му к ли­ней­но­му за­ко­ну до энер­гий, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щих $ℰ_ν∼m^2_W/2m_N∼3000$ ГэВ. Да­лее бо­лее бы­ст­рый, чем ло­га­риф­ми­че­ский, рост про­дол­жа­ет­ся до сверх­вы­со­ких энер­гий. Се­че­ние мо­жет дос­ти­гать 10–32 см2 при $ℰ_ν∼10^{11}$ ГэВ. Зем­ной шар ста­но­вит­ся не­про­зрач­ным для Н. с энер­гия­ми св. 103 ГэВ.

Интересные факты о нейтрино

  • В 2011-м году, в эксперименте нейтринных осцилляций ЦЕРНа, было обнаружено, что частицы, пролетевшие сквозь Землю из Швеции в Италию, вероятно, превысили скорость света на 0,00248 %.27-километровый подземный тоннель, предназначенный

    27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

    Это вызвало серьезный переполох в научном сообществе. Но сенсация быстро была опровергнута самим же ЦЕРНом, когда стало известно, что «плохо вставленный разъем оптического кабеля» привел к неточному подсчету времени полета.

  • Ежесекундно сквозь человеческое тело пролетает 1014 нейтрино, и это только те, что излучаются Солнцем.
  • Как и большинство нейтринных детекторов, Super-Kamiokande располагается в цинковой шахте под землей, на глубине в 1000 метров. Герметичное помещение лаборатории представляется в виде цилиндра с диаметров 40 м. и высотой 42 м, сконструированное из нержавеющей стали и заполненное очищенной водой – 50 000 тонн. На его стенах располагается 11 тыс. фотоэлектронных умножителей– грибоподобных приборов для повышения чувствительности детектора. Система очень восприимчива к свету и обрабатывает каждый квант, проходящий сквозь нее.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 8609

Запись опубликована: Автор: 

Теги

Adblock
detector