En neutrino är en elementarpartikel som är väldigt lik en elektron, men som inte har någon elektrisk laddning. Den har en mycket liten massa, som till och med kan vara noll. Neutrinons hastighet beror också på massan. Skillnaden i ankomsttiden för partikeln och ljuset är 0,0006 % (± 0,0012 %). 2011, under OPERA-experimentet, fann man att neutrinernas hastighet överstiger ljusets hastighet, men oberoende erfarenhet bekräftade inte detta.
The Elusive Particle
Detta är en av de vanligaste partiklarna i universum. Eftersom det interagerar väldigt lite med materia är det otroligt svårt att upptäcka. Elektroner och neutriner deltar inte i starka kärnväxelverkan, men deltar lika mycket i svaga. Partiklar med dessa egenskaper kallas leptoner. Förutom elektronen (och dess antipartikel, positronen), inkluderar laddade leptoner myon (200 elektronmassor), tau (3500 elektronmassor) och deras antipartiklar. De kallas så: elektron-, myon- och tau-neutriner. De har var och en en antimaterialkomponent som kallas en antineutrino.
Muon och tau, som en elektron, har partiklar med sig. Dessa är muon- och tau-neutriner. De tre typerna av partiklar skiljer sig från varandra. Till exempel, när muonneutriner interagerar med ett mål producerar de alltid myoner, aldrig tau eller elektroner. I samspelet mellan partiklar, även om elektroner och elektronneutriner kan skapas och förstöras, förblir deras summa oförändrad. Detta faktum leder till indelningen av leptoner i tre typer, som var och en har en laddad lepton och en åtföljande neutrino.
Mycket stora och extremt känsliga detektorer behövs för att upptäcka denna partikel. Vanligtvis kommer lågenergineutriner att resa många ljusår innan de interagerar med materia. Följaktligen är alla markbaserade experiment med dem beroende av att mäta deras lilla fraktion som interagerar med brännare av rimlig storlek. Till exempel, vid Sudbury Neutrino Observatory, som innehåller 1000 ton tungt vatten, passerar cirka 1012 solneutriner per sekund genom detektorn. Och bara 30 om dagen hittas.
Upptäcktshistorik
Wolfgang Pauli postulerade först existensen av en partikel 1930. Ett problem uppstod vid den tiden eftersom det verkade som om energi och rörelsemängd inte bevarades i beta-förfall. Men Pauli noterade att om en icke-interagerande neutral neutrinopartikel sänds ut, kommer lagen om bevarande av energi att följas. Den italienske fysikern Enrico Fermi utvecklade teorin om beta-sönderfall 1934 och gav partikeln dess namn.
Trots alla förutsägelser kunde inte neutriner upptäckas experimentellt i 20 år på grund av dess svaga interaktion med materia. Eftersom partiklarna inte är elektriskaladdade, de påverkas inte av elektromagnetiska krafter, och därför orsakar de inte jonisering av materia. Dessutom reagerar de med materia endast genom svaga interaktioner av försumbar styrka. Därför är de de mest penetrerande subatomära partiklarna, som kan passera genom ett stort antal atomer utan att orsaka någon reaktion. Endast 1 av 10 miljarder av dessa partiklar, som färdas genom materia en sträcka lika med jordens diameter, reagerar med en proton eller neutron.
Äntligen, 1956, tillkännagav en grupp amerikanska fysiker under ledning av Frederick Reines upptäckten av elektron-antineutrino. I hennes experiment interagerade antineutriner som emitterades från en kärnreaktor med protoner för att bilda neutroner och positroner. De unika (och sällsynta) energisignaturerna för dessa senaste biprodukter ger bevis för partikelns existens.
Upptäckten av laddade muonleptoner blev startpunkten för den efterföljande identifieringen av den andra typen av neutrino - muon. Deras identifiering utfördes 1962 baserat på resultaten av ett experiment i en partikelaccelerator. Högenergiska muoniska neutriner producerades genom sönderfallet av pi-mesoner och skickades till detektorn på ett sådant sätt att deras reaktioner med materia kunde studeras. Även om de är icke-reaktiva, liksom andra typer av dessa partiklar, har det visat sig att vid de sällsynta tillfällena när de reagerar med protoner eller neutroner, bildar muon-neutriner myoner, men aldrig elektroner. 1998, de amerikanska fysikerna Leon Lederman, Melvin Schwartz och Jack Steinbergerfick Nobelpriset i fysik för identifieringen av muon-neutrino.
I mitten av 1970-talet fylldes neutrinofysiken på med en annan typ av laddade leptoner - tau. Tau neutrino och tau antineutrino visade sig vara associerade med denna tredje laddade lepton. År 2000, fysiker vid National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi rapporterade det första experimentella beviset för förekomsten av denna typ av partikel.
Mass
Alla typer av neutrinos har en massa som är mycket mindre än deras laddade motsvarigheter. Experiment visar till exempel att elektronneutrinomassan måste vara mindre än 0,002% av elektronmassan och att summan av massorna av de tre arterna måste vara mindre än 0,48 eV. Under många år verkade det som om massan av en partikel var noll, även om det inte fanns några övertygande teoretiska bevis för varför det skulle vara så. Sedan, 2002, gav Sudbury Neutrino Observatory det första direkta beviset för att elektronneutriner som emitteras av kärnreaktioner i solens kärna ändrar typ när de färdas genom den. Sådana "oscillationer" av neutriner är möjliga om en eller flera typer av partiklar har någon liten massa. Deras studier av samspelet mellan kosmiska strålar i jordens atmosfär indikerar också närvaron av massa, men ytterligare experiment krävs för att bestämma den mer exakt.
Källor
Naturliga källor till neutriner är det radioaktiva sönderfallet av grundämnen i jordens tarmar, dären stor ström av lågenergielektroner-antineutrinos emitteras. Supernovor är också ett övervägande neutrinofenomen, eftersom endast dessa partiklar kan penetrera det supertäta material som produceras i en kollapsande stjärna; endast en liten del av energin omvandlas till ljus. Beräkningar visar att cirka 2 % av solens energi är energin från neutriner som produceras i termonukleära fusionsreaktioner. Det är troligt att det mesta av den mörka materien i universum består av neutriner som producerades under Big Bang.
Problems of physics
Fälten relaterade till neutriner och astrofysik är olika och utvecklas snabbt. De aktuella frågorna som lockar ett stort antal experimentella och teoretiska ansträngningar är följande:
- Vilka är massorna av olika neutriner?
- Hur påverkar de Big Bang-kosmologin?
- Svänger de?
- Kan neutriner av en typ förvandlas till en annan när de färdas genom materia och rymden?
- Är neutriner fundament alt annorlunda än deras antipartiklar?
- Hur kollapsar stjärnor och bildar supernovor?
- Vilken roll spelar neutriner i kosmologi?
Ett av de långvariga problemen av särskilt intresse är det så kallade solneutrinoproblemet. Detta namn syftar på det faktum att under flera markbaserade experiment som genomförts under de senaste 30 åren, observerades färre partiklar konsekvent än vad som behövdes för att producera energi som sänds ut av solen. En av dess möjliga lösningar är oscillation, d.v.s. transformationen av elektroniskneutriner till myoner eller tau när de reser till jorden. Eftersom det är mycket svårare att mäta lågenergimyon eller tau-neutriner, kan denna typ av transformation förklara varför vi inte observerar det korrekta antalet partiklar på jorden.
fjärde nobelpriset
2015 års Nobelpris i fysik tilldelades Takaaki Kajita och Arthur McDonald för deras upptäckt av neutrinomassan. Detta var den fjärde sådan utmärkelsen relaterad till experimentella mätningar av dessa partiklar. Vissa kanske undrar varför vi ska bry oss så mycket om något som knappt interagerar med vanlig materia.
Själva det faktum att vi kan upptäcka dessa tillfälliga partiklar är ett bevis på mänsklig uppfinningsrikedom. Eftersom kvantmekanikens regler är probabilistiska vet vi att även om nästan alla neutriner passerar genom jorden, kommer några av dem att interagera med den. En detektor som är tillräckligt stor för att upptäcka detta.
Den första sådana enheten byggdes på sextiotalet djupt i en gruva i South Dakota. Gruvan fylldes med 400 tusen liter rengöringsvätska. I genomsnitt interagerar en neutrinopartikel varje dag med en kloratom och förvandlar den till argon. Otroligt nog kom Raymond Davis, som var ansvarig för detektorn, på ett sätt att detektera dessa få argonatomer, och fyra decennier senare, 2002, tilldelades han Nobelpriset för denna fantastiska tekniska bedrift.
Ny astronomi
Eftersom neutriner interagerar så svagt kan de resa långa sträckor. De ger oss möjlighet att titta in på platser som vi annars aldrig skulle se. De neutriner som Davis upptäckte producerades av kärnreaktioner som ägde rum i själva mitten av solen och kunde undkomma denna otroligt täta och varma plats bara för att de knappast interagerar med annan materia. Det är till och med möjligt att upptäcka en neutrino som flyger från centrum av en exploderande stjärna över hundra tusen ljusår från jorden.
Dessa partiklar gör det dessutom möjligt att observera universum i mycket liten skala, mycket mindre än vad Large Hadron Collider i Genève, som upptäckte Higgs-bosonen, kan titta in i. Det är av denna anledning som Nobelkommittén beslutade att dela ut Nobelpriset för upptäckten av ännu en typ av neutrino.
Mystisk saknad
När Ray Davis observerade solneutriner hittade han bara en tredjedel av det förväntade antalet. De flesta fysiker trodde att orsaken till detta var en dålig kunskap om solens astrofysik: kanske modeller av stjärnans inre överskattade antalet neutriner som producerades i den. Men under åren, även när solcellerna förbättrades, kvarstod bristen. Fysiker uppmärksammade en annan möjlighet: problemet kan vara relaterat till vår förståelse av dessa partiklar. Enligt den då rådande teorin hade de ingen massa. Men vissa fysiker har hävdat att partiklarna faktiskt hade en oändlig litenmassa, och denna massa var orsaken till deras brist.
Partikel med tre sidor
Enligt teorin om neutrinoscillationer finns det tre olika typer av neutrinos i naturen. Om en partikel har massa kan den ändras från en typ till en annan när den rör sig. Tre typer - elektron, muon och tau - kan när de interagerar med materia omvandlas till motsvarande laddade partikel (elektron, muon eller taulepton). "Oscillation" uppstår på grund av kvantmekaniken. Typen av neutrino är inte konstant. Det förändras med tiden. En neutrino, som började sin existens som en elektron, kan förvandlas till en myon och sedan tillbaka. Således kan en partikel som bildas i solens kärna, på väg till jorden, periodvis förvandlas till en muon-neutrino och vice versa. Eftersom Davis-detektorn bara kunde upptäcka elektronneutriner som kan leda till kärntransmutation av klor till argon, verkade det möjligt att de saknade neutrinerna hade förvandlats till andra typer. (Det visar sig att neutriner svänger inuti solen, inte på väg till jorden.)
kanadensiskt experiment
Det enda sättet att testa detta var att bygga en detektor som fungerade för alla tre typer av neutriner. Sedan 1990-talet har Arthur McDonald från Queen's Ontario University lett laget som gjorde detta i en gruva i Sudbury, Ontario. Anläggningen innehöll massor av tungt vatten på lån från den kanadensiska regeringen. Tungvatten är en sällsynt men naturligt förekommande form av vatten där väte, som innehåller en proton,ersatt av dess tyngre isotop deuterium, som innehåller en proton och en neutron. Den kanadensiska regeringen lagrade tungt vatten eftersom det används som kylvätska i kärnreaktorer. Alla tre typer av neutriner kunde förstöra deuterium för att bilda en proton och en neutron, och neutronerna räknades sedan. Detektorn registrerade ungefär tre gånger antalet partiklar jämfört med Davis - exakt det antal som förutspåddes av de bästa modellerna av solen. Detta antydde att elektronneutrino kunde svänga till sina andra typer.
japanskt experiment
Ungefär samtidigt gjorde Takaaki Kajita vid University of Tokyo ytterligare ett anmärkningsvärt experiment. En detektor installerad i en gruva i Japan registrerade neutriner som inte kom från solens tarmar, utan från den övre atmosfären. När kosmiska strålprotoner kolliderar med atmosfären bildas regnskurar av andra partiklar, inklusive muonneutriner. I gruvan förvandlade de vätekärnor till myoner. Kajita-detektorn kunde se partiklar komma i två riktningar. Några föll från ovan, från atmosfären, medan andra rörde sig underifrån. Antalet partiklar var olika, vilket indikerade deras olika natur - de befann sig vid olika punkter i deras svängningscykler.
Revolution in science
Det hela är exotiskt och fantastiskt, men varför väcker svängningar och neutrinomassor så mycket uppmärksamhet? Anledningen är enkel. I den standardmodell för partikelfysik som utvecklats under de senaste femtio åren av 1900-talet,som korrekt beskrev alla andra observationer i acceleratorer och andra experiment, borde neutriner ha varit masslösa. Upptäckten av neutrinomassan tyder på att något saknas. Standardmodellen är inte komplett. De saknade elementen har ännu inte upptäckts, antingen genom Large Hadron Collider eller en annan maskin som ännu inte har skapats.
