'n Neutrino is 'n elementêre deeltjie wat baie soortgelyk is aan 'n elektron, maar het geen elektriese lading nie. Dit het 'n baie klein massa, wat selfs nul kan wees. Die spoed van die neutrino hang ook af van die massa. Die verskil in die aankomstyd van die deeltjie en lig is 0,0006% (± 0,0012%). In 2011, tydens die OPERA-eksperiment, is gevind dat die spoed van neutrino's die spoed van lig oorskry, maar onafhanklike ervaring het dit nie bevestig nie.
The Elusive Particle
Dit is een van die mees algemene deeltjies in die heelal. Aangesien dit baie min met materie in wisselwerking is, is dit ongelooflik moeilik om op te spoor. Elektrone en neutrino's neem nie deel aan sterk kerninteraksies nie, maar neem ewe veel deel aan swakkes. Deeltjies met hierdie eienskappe word leptone genoem. Benewens die elektron (en sy antipartikel, die positron), sluit gelaaide leptone die muon (200 elektronmassas), die tau (3500 elektronmassas) en hul antipartikels in. Hulle word so genoem: elektron-, muon- en tau-neutrino's. Hulle het elkeen 'n anti-materiaal komponent wat 'n antineutrino genoem word.
Muon en tau, soos 'n elektron, het deeltjies wat hulle vergesel. Dit is muon en tau neutrino's. Die drie tipes deeltjies verskil van mekaar. Byvoorbeeld, wanneer muonneutrino's met 'n teiken in wisselwerking tree, produseer hulle altyd muone, nooit tau of elektrone nie. In die interaksie van deeltjies, hoewel elektrone en elektron-neutrino's geskep en vernietig kan word, bly hul som onveranderd. Hierdie feit lei tot die verdeling van leptone in drie tipes, wat elkeen 'n gelaaide lepton en 'n gepaardgaande neutrino het.
Baie groot en uiters sensitiewe detektors is nodig om hierdie deeltjie op te spoor. Tipies sal lae-energie neutrino's baie ligjare reis voordat hulle met materie omgaan. Gevolglik maak alle grondgebaseerde eksperimente met hulle staat op die meting van hul klein fraksie wat interaksie het met opnemers van redelike grootte. Byvoorbeeld, by die Sudbury Neutrino Observatory, wat 1000 ton swaar water bevat, gaan ongeveer 1012 sonneutrino's per sekonde deur die detektor. En net 30 per dag word gevind.
Ontdekkinggeskiedenis
Wolfgang Pauli het die eerste keer die bestaan van 'n deeltjie in 1930 gepostuleer. 'n Probleem het destyds ontstaan omdat dit gelyk het of energie en hoekmomentum nie in beta-verval bewaar is nie. Maar Pauli het opgemerk dat as 'n nie-interaksie neutrale neutrino-deeltjie vrygestel word, die wet van behoud van energie nagekom sal word. Die Italiaanse fisikus Enrico Fermi het die teorie van beta-verval in 1934 ontwikkel en die deeltjie sy naam gegee.
Ondanks al die voorspellings kon neutrino's vir 20 jaar nie eksperimenteel opgespoor word nie weens die swak interaksie met materie. Aangesien die deeltjies nie elektries is niegelaai word, word hulle nie deur elektromagnetiese kragte beïnvloed nie, en daarom veroorsaak hulle nie ionisasie van materie nie. Daarbenewens reageer hulle slegs met materie deur swak interaksies van geringe sterkte. Daarom is dit die mees deurdringende subatomiese deeltjies wat deur 'n groot aantal atome kan beweeg sonder om enige reaksie te veroorsaak. Slegs 1 uit 10 biljoen van hierdie deeltjies, wat 'n afstand gelyk aan die deursnee van die Aarde deur materie beweeg, reageer met 'n proton of neutron.
Uiteindelik, in 1956, het 'n groep Amerikaanse fisici onder leiding van Frederick Reines die ontdekking van die elektron-antineutrino aangekondig. In haar eksperimente het antineutrino's wat uit 'n kernreaktor vrygestel is, met protone in wisselwerking gegaan om neutrone en positrone te vorm. Die unieke (en skaars) energie-handtekeninge van hierdie nuutste neweprodukte verskaf bewyse vir die bestaan van die deeltjie.
Die ontdekking van gelaaide muon-leptone het die beginpunt geword vir die daaropvolgende identifikasie van die tweede tipe neutrino – muon. Hulle identifikasie is in 1962 uitgevoer op grond van die resultate van 'n eksperiment in 'n partikelversneller. Hoë-energie muoniese neutrino's is geproduseer deur die verval van pi-mesone en op so 'n manier na die detektor gestuur dat hul reaksies met materie bestudeer kon word. Alhoewel hulle nie-reaktief is, soos ander tipes van hierdie deeltjies, is gevind dat in die seldsame geleenthede wanneer hulle met protone of neutrone reageer, muon-neutrino's muone vorm, maar nooit elektrone nie. In 1998 het die Amerikaanse fisici Leon Lederman, Melvin Schwartz en Jack Steinbergerhet die Nobelprys in Fisika ontvang vir die identifikasie van die muon-neutrino.
In die middel-1970's is neutrinofisika aangevul met 'n ander tipe gelaaide leptone - tau. Die tau neutrino en tau antineutrino blyk geassosieer te word met hierdie derde gelaaide lepton. In 2000, fisici by die National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi het die eerste eksperimentele bewyse vir die bestaan van hierdie tipe deeltjie gerapporteer.
massa
Alle soorte neutrino's het 'n massa wat baie minder is as dié van hul gelaaide eweknieë. Eksperimente toon byvoorbeeld dat die elektron-neutrinomassa minder as 0,002% van die elektronmassa moet wees en dat die som van die massas van die drie spesies minder as 0,48 eV moet wees. Vir baie jare het dit gelyk of die massa van 'n deeltjie nul was, hoewel daar geen oortuigende teoretiese bewyse was waarom dit so moes wees nie. Toe, in 2002, het die Sudbury Neutrino Observatory die eerste direkte bewys gelewer dat elektronneutrino's wat deur kernreaksies in die Son se kern vrygestel word, tipe verander soos hulle daardeur beweeg. Sulke "ossillasies" van neutrino's is moontlik as een of meer soorte deeltjies 'n klein massa het. Hul studies van die interaksie van kosmiese strale in die Aarde se atmosfeer dui ook op die teenwoordigheid van massa, maar verdere eksperimente is nodig om dit meer akkuraat te bepaal.
Bronne
Natuurlike bronne van neutrino's is die radioaktiewe verval van elemente in die ingewande van die Aarde, waarin'n groot stroom lae-energie elektrone-antineutrino's word vrygestel. Supernovas is ook 'n oorwegend neutrinofenomeen, aangesien slegs hierdie deeltjies die superdigte materiaal kan binnedring wat in 'n ineenstortende ster geproduseer word; slegs 'n klein deel van die energie word in lig omgesit. Berekeninge toon dat ongeveer 2% van die Son se energie die energie is van neutrino's wat in termonukleêre samesmeltingsreaksies geproduseer word. Dit is waarskynlik dat die meeste van die donker materie in die heelal bestaan uit neutrino's wat tydens die Oerknal geproduseer is.
Probleme van fisika
Die velde wat verband hou met neutrino's en astrofisika is uiteenlopend en ontwikkel vinnig. Die huidige vrae wat 'n groot aantal eksperimentele en teoretiese pogings lok, is soos volg:
- Wat is die massas van verskillende neutrino's?
- Hoe beïnvloed hulle Oerknal-kosmologie?
- Ossilleer hulle?
- Kan neutrino's van een soort in 'n ander transformeer terwyl hulle deur materie en ruimte reis?
- Verskil neutrino's fundamenteel van hul teendeeltjies?
- Hoe stort sterre ineen en vorm supernovas?
- Wat is die rol van neutrino's in kosmologie?
Een van die jarelange probleme van besondere belang is die sogenaamde sonneutrino-probleem. Hierdie naam verwys na die feit dat tydens verskeie grondgebaseerde eksperimente wat oor die afgelope 30 jaar uitgevoer is, minder deeltjies konsekwent waargeneem is as wat nodig is om energie te produseer wat deur die son vrygestel is. Een van sy moontlike oplossings is ossillasie, dit wil sê die transformasie van elektronieseneutrino's in muone of tau in terwyl hulle na die aarde reis. Aangesien dit baie moeiliker is om lae-energie muon of tau neutrino's te meet, kan hierdie soort transformasie verduidelik hoekom ons nie die korrekte aantal deeltjies op Aarde waarneem nie.
Vierde Nobelprys
Die 2015 Nobelprys in Fisika is toegeken aan Takaaki Kajita en Arthur McDonald vir hul ontdekking van die neutrino-massa. Dit was die vierde sulke toekenning wat verband hou met eksperimentele metings van hierdie deeltjies. Sommige sal dalk wonder hoekom ons so baie moet omgee vir iets wat skaars in wisselwerking is met gewone materie.
Die feit dat ons hierdie kortstondige deeltjies kan opspoor, is 'n bewys van menslike vernuf. Aangesien die reëls van kwantummeganika waarskynlik is, weet ons dat alhoewel byna alle neutrino's deur die Aarde gaan, sommige van hulle daarmee in wisselwerking sal tree. 'n Detektor groot genoeg om dit op te spoor.
Die eerste so 'n toestel is in die sestigerjare gebou diep in 'n myn in Suid-Dakota. Die myn was gevul met 400 duisend liter skoonmaakvloeistof. Gemiddeld wissel een neutrino-deeltjie elke dag met 'n chlooratoom en verander dit in argon. Ongelooflik genoeg het Raymond Davis, wat in beheer van die detektor was, met 'n manier vorendag gekom om hierdie paar argon-atome op te spoor, en vier dekades later, in 2002, is die Nobelprys vir hierdie wonderlike tegniese prestasie aan hom toegeken.
Nuwe sterrekunde
Omdat neutrino's so swak interaksie het, kan hulle groot afstande reis. Hulle gee ons die geleentheid om na plekke te kyk wat ons andersins nooit sou sien nie. Die neutrino's wat Davis ontdek het, is geproduseer deur kernreaksies wat in die middel van die Son plaasgevind het, en was in staat om hierdie ongelooflik digte en warm plek te ontsnap net omdat hulle skaars met ander materie interaksie het. Dit is selfs moontlik om 'n neutrino op te spoor wat vanaf die middel van 'n ontplofbare ster meer as 'n honderdduisend ligjare van die Aarde af vlieg.
Boonop maak hierdie deeltjies dit moontlik om die heelal op 'n baie klein skaal waar te neem, baie kleiner as wat die Large Hadron Collider in Genève, wat die Higgs-boson ontdek het, kan kyk. Dit is om hierdie rede dat die Nobelkomitee besluit het om die Nobelprys toe te ken vir die ontdekking van nog 'n ander soort neutrino.
Mysterious Missing
Toe Ray Davis sonneutrino's waargeneem het, het hy net 'n derde van die verwagte getal gevind. Die meeste fisici het geglo dat die rede hiervoor 'n swak kennis van die astrofisika van die Son was: miskien het modelle van die binnekant van die ster die aantal neutrino's wat daarin geproduseer word, oorskat. Tog het tekorte oor die jare, selfs terwyl sonmodelle verbeter het, voortgeduur. Fisici het die aandag op 'n ander moontlikheid gevestig: die probleem kan verband hou met ons begrip van hierdie deeltjies. Volgens die destyds heersende teorie het hulle geen massa gehad nie. Maar sommige fisici het aangevoer dat die deeltjies eintlik 'n oneindige klein wasmassa, en hierdie massa was die rede vir hul tekort.
Drie-gesigdeeltjie
Volgens die teorie van neutrino-ossillasies is daar drie verskillende tipes neutrino's in die natuur. As 'n deeltjie massa het, kan dit, soos dit beweeg, van een tipe na 'n ander verander. Drie tipes - elektron, muon en tau - wanneer interaksie met materie in die ooreenstemmende gelaaide deeltjie omgeskakel word (elektron, muon of tau lepton). "Ossillasie" vind plaas as gevolg van kwantummeganika. Die tipe neutrino is nie konstant nie. Dit verander met verloop van tyd. 'n Neutrino, wat sy bestaan as 'n elektron begin het, kan in 'n muon verander, en dan terug. Dus kan 'n deeltjie wat in die kern van die Son gevorm word, op pad na die Aarde, periodiek in 'n muon-neutrino verander en omgekeerd. Aangesien die Davis-detektor slegs elektronneutrino's kon opspoor wat tot die kerntransmutasie van chloor na argon kon lei, het dit moontlik gelyk of die ontbrekende neutrino's in ander tipes verander het. (Soos dit blyk, ossilleer neutrino's binne die Son, nie op pad aarde toe nie.)
Kanadese eksperiment
Die enigste manier om dit te toets, was om 'n detektor te bou wat vir al drie tipes neutrino's gewerk het. Sedert die 1990's het Arthur McDonald van Queen's Ontario Universiteit die span gelei wat dit in 'n myn in Sudbury, Ontario, gedoen het. Die fasiliteit het tonne swaar water bevat wat deur die Kanadese regering geleen is. Swaar water is 'n seldsame maar natuurlik voorkomende vorm van water waarin waterstof, wat een proton bevat,vervang deur sy swaarder isotoop deuterium, wat 'n proton en 'n neutron bevat. Die Kanadese regering het swaar water gestoor omdat dit as koelmiddel in kernreaktors gebruik word. Al drie tipes neutrino's kon deuterium vernietig om 'n proton en 'n neutron te vorm, en die neutrone is dan getel. Die detektor het ongeveer drie keer die aantal deeltjies in vergelyking met Davis geregistreer – presies die getal wat deur die beste modelle van die Son voorspel is. Dit het voorgestel dat die elektron-neutrino in sy ander tipes kan ossilleer.
Japannese eksperiment
Omtrent dieselfde tyd het Takaaki Kajita van die Universiteit van Tokio nog 'n merkwaardige eksperiment gedoen. 'n Detektor wat in 'n myn in Japan geïnstalleer is, het neutrino's geregistreer wat nie uit die ingewande van die Son kom nie, maar uit die boonste atmosfeer. Wanneer kosmiese straalprotone met die atmosfeer bots, word buie van ander deeltjies gevorm, insluitend muonneutrino's. In die myn het hulle waterstofkerne in muone verander. Die Kajita-detektor kon deeltjies in twee rigtings sien kom. Sommige het van bo af geval, uit die atmosfeer gekom, terwyl ander van onder af beweeg het. Die aantal deeltjies was verskillend, wat hul verskillende aard aangedui het - hulle was op verskillende punte van hul ossillasiesiklusse.
Revolusie in wetenskap
Dis alles eksoties en ongelooflik, maar hoekom trek ossillasies en neutrinomassas soveel aandag? Die rede is eenvoudig. In die standaardmodel van partikelfisika wat oor die laaste vyftig jaar van die twintigste eeu ontwikkel is,wat alle ander waarnemings in versnellers en ander eksperimente korrek beskryf het, moes neutrino's massaloos gewees het. Die ontdekking van die neutrinomassa dui daarop dat iets ontbreek. Die Standaardmodel is nie volledig nie. Die ontbrekende elemente moet nog ontdek word, hetsy deur die Large Hadron Collider of 'n ander masjien wat nog geskep moet word.
