Partikel vun engem Neutrino: Definitioun, Eegeschafte, Beschreiwung. Oscillatiounen vun Neutrinoen sinn ...

E Neutrino ass e elementaresche Partikel, wat e ganz ähnlech wéi en Elektron ass, awer keng elektresch Ladung. Et huet eng ganz kleng Mass, déi et souguer Null sinn. D'Neutrino-Geschwindegkeet hänkt och vun der Mass. Den Ënnerscheed an der Ankunftszäit vum Partikel a Liicht ass 0.0006% (± 0,0012%). Am Joer 2011, am OPERA Experiment, gouf festgestallt datt d'Geschwindegkeet vun Neutrinos schneller ass wéi d'Liicht, awer onofhängeg Erfahrung huet dat net bestätegt.

Den elusive Stéck

Dëst ass ee vun de gänglecht Partikelen am Universum. Well et wierklech ganz mat Matière interagéiert, ass et onheemlech schwéier z'entdecken. Elektronen an Neutrinos bedeelegen net mat staarken nuklearen Interaktiounen, awer gläichberechtegt an de Schwieregkeeten. Partikel déi sou Bestietten hunn Leptonen genannt. Zousätzlech zum Elektron (an hirem Antipartikel, dem Posron), beherrschen d'Leptonen en Muon (200 Elektronenmassen), tau (3500 Elektronenmassen) an hiren Antipartikel. Si ginn sou genannt: Elektron, Muon a Tau Neutrinos. Jiddwer vun hinnen huet en Antimaterialkomponent, genannt Antineutrinos.

D'Muon a tau, wéi en Elektron, hunn Partikelen begleeden se. Et ass e Muon a Tau Neutrino. Dräi Arten vu Partikel ënnerscheede vuneneen. Zum Beispill, wann muon Neutrinoen mat engem Zil interagéieren, produzéiere se ëmmer Muons a keng Tau oder Elektronen. An der Interaktioun vu Partikelen, obwuel Elektronong an Elektronenneutrinos kënnen zerstéiert ginn an zerstéiert ginn, bleift hir Summe onverännert. Dëst Resultat féiert op d'Trennung vu Leptonen an dräi Zorten, déi all ee geluedenen Lepton an déi begleetend Neutrino hunn.

Fir dëst Partikel ze detektéieren, sinn ganz grouss an extrem sensibel Detektoren gebraucht ginn. Typesch, niddregenergesch Neutrinoen reese fir vill Liichtjährege virun enger Interaktioun mat Matière. Duerfir sinn all Terrain-based Experimente mat hinnen op d'Mäert déi hir kleng Fraktioun mëssbrauchen mat Rekordern vu vernünft Gréisst. Zum Beispill, am Sudbury Neutrino Observatoire, mat 1000 Tonnen schwéieren Waasser, ronn 1012 Sonneguttrinos pro Sekonn duerch den Detektor. A nëmmen 30 pro Dag sinn fonnt.

Geschicht vun der Entdeckung

Wolfgang Pauli war déi éischt fir d'Existenz vun engem Partikel am Joer 1930 ze postuléieren. Zu dëser Zäit gouf e Problem entstoen, well et schéngt wéi energiespuersam an e klenge Moment net am Beta-Verfall war. Mee Pauli dodrun, wann et do net Neutrinoen proposéiert neutral ëm Emissiounen, d' Energie Conservatioun Gesetz wäert observéiert ginn. Den italienesche Physiker Enrico Fermi huet 1934 d'Theorie vum Beta-Verfall entwéckelt an dem Partikel säin Numm genannt.

Trotz all Prognosen fir 20 Joer, kann Neutrinoen net experimentally wéinst senge fonnt ginn schwaach Interaktioun mat Matière. Well d'Partikelen net elektresch gelueden sinn, elektromagnetesch Kräfte sinn net op hinnen, a konsequent datt se d'Ioniséierung vun der Substanz verursaachen. Zousätzlech reagéiere se mat Materie nëmmen duerch schwaach Interaktiounen vu vernifizbarer Gewalt. Dofir si se déi meescht penetrazéierend subatomesch Partikel, déi sech duerch eng rieseg Zuel vun Atomer hannerloossen, ouni irgend eng Reaktioun ze verursachen. Nëmme 1 vun 10 Milliarden dës Partikelen, déi duerch Materie op Distanz gleich dem Duerchmiesser vun der Äerd reest, reagéiert mat engem Proton oder Neutron.

Endlech, eng Grupp vun amerikanesche Physiker vun 1956, ugefouert vun Frederick Reines gemellt der Entdeckung vun der Elektronen antineutrino. In hiren Experimenten hunn d'Antineutroen emittéiert duerch engem Atomreaktor mat Protonen interagéiert, Neutronen a Positimer ze bilden. Déi eenzegaarteg (an eelste) Energie Ënnerschrëften vun dësen leschter Niewesprooch ass Beweis fir d'Existenz vum Partikel ze ginn.

D'Entdeckung vu beladeschen Muon-Leptonen ass de Startpunkt fir d'spéider Identifikatioun vun engem zweeten Typ Neutrino-Muon. Seng Identifikatioun gouf 1962 gemaach a baséiert op d'Resultater vun engem Experiment an engem Partikelbeschleuniger. Ho-Energie-Muon-Neutrinos goufen duerch de Zerfall vu Pionen geformt an de Detektor geleet esou datt hir Reaktiounen mat Matière kënnen studéiert ginn. Obwuel si net reaktiv sinn, wéi aner Zorte vu Partikelen, ass et fonnt ginn, datt an deene seltenen Fäll, wou se mat Protonen oder Neutronen reagéiert hunn, d'Muonneutrinos muonsen, awer ni Elektronen bilden. 1998 hunn déi amerikanesch Physiker Leon Lederman, Melvin Schwarz a Jack Steinberger den Nobelpräis fir Physik fir d'Identitéit vu Muonneutrinos kritt.

An der Mëtt vun den 1970er Jore gouf d'Neutrino Physik ergänzt duerch eng aner Zort vu gelueden Leptonen - tau. Tau Neutrinos a Tau Antineutrinos goufen fonnt mat deem drëtt geluedenen Lepton ass verbonne ginn. Am Joer 2000 hunn d'Physiker am National Accelerator Laboratoire no Yu genannt. Enrico Fermi meldte déi éischt Experimenter fir d'Existenz vun dëser Zort Partikel.

Gewiicht

All Typ vun Neutrinos hunn eng Mass, déi vill méi kleng ass wéi hir opgeléist Partner. Zum Beispill, Experimente weisen datt d'Elektron-Neutrino-Mass manner wéi 0,002% vun der Elektronemass sinn, a datt d'Zuel vun de Massen vun de dräi Arten manner wéi 0,48 eV soll sinn. Fir ville Joer schéngt et d'Mass vun der Partikel Null, obwuel et net den theoreteschen Beweis huet firwat dat esou ze sinn. Dann, am Joer 2002, am Neutrino Observatoire am Sudbury, ass déi éischt direkte Beweiser datt den Elektron neutrunn emittéiert vun nuklearen Reaktiounen am Kär vum Sonn wéi se duerchgoën änneren hiren Typ. Sot sou "Schwammen" vun Neutrinos méiglech, wann een oder méi Arten vun Partikeln eng gewësse kleng Mass hunn. Hir Unstudie iwwer d'Interaktioun vu kosmesche Strahlen an der Äerdatmosphär weist och d'Präsenz vu Mass, awer weider Experimenter ze verlaangen, méi genau ze bestëmmen.

Quellen

Natierlech Quellen vun Neutrinos sinn den radioaktiven Zerfall vun Elementer an den Dieren vun der Äerd, ënnert deenen e grousse Stroum vun nidderegen Elektronen-Antineutrinos emittéiert gëtt. Supernovae sinn och haaptsächlech e Neutrino-Phänomen, well nëmmen dës Partikel kënnen de Superdensmaterial, deen am stierfleche Stär geformt gëtt; Nëmmen e klenge Deel vun der Energie gëtt ëmgewandelt. Berechnungen weisen, datt ronn 2% vun Solarenergie - d'Energie an gemaach Neutrinoen Reaktioune vun thermonuclear Fusioun. Et ass méiglech datt déi meescht donkel Matière vum Universum aus Neutrinos besteet aus dem Big Bang.

Problemer vun der Physik

D'Gebidder, déi mat Neutrinos a Astrophysik verbonne sinn, sinn divers a séier entwéckelt. Aktuelle Sujeten, déi eng grouss Unzuel vun experimentellen a theoreteschen Efforten bedeelegen, sinn:

• Wat sinn d'Mass vun verschidden Neutrinos?
• Wéi beaflosse se d'Kosmologie vum Big Bang?
• Méng Schwäert?
• Kann e Neutrino vun engem Typ widderhuelen an eng aner esou laang wéi se duerch Materie a Weltraum reesen?
• Ginn Neutrinoen grondsätzlech ënnerscheede vun hiren Antipartikelen?
• Wéi stéiren d'Stären duerchzesetzen a Form vun Supernovae?
• Wat ass d'Roll vun Neutrinoen an der Kosmologie?

Ee vun de laangjäreg Problemer vu besonneschem Interesse ass dat sougenannte Problem vu Sonnemuthrinos. Dëst Numm bezitt sech op datt et bei verschiddene Grondexperimenter an de leschten 30 Joer manner Partikelen konstant beobachtet ginn wéi néideg fir d'Produktioun vun Energie vun der Sonn ausstrahlen. Ee vun sengen Léisungen ass Oszillatioun, d. H. D'Konversioun vun elektronesche Neutrinos bis Muonike oder Tau beim Reesend op d'Äerd. Well et vill méi schwéier schwiereg Energie-Muon- oder Tau-Neutrinos misst ginn, kann dës Art der Transformation erkläre firwat mir d'korrekt Zuel vun Partikelen op der Äerd observéieren.

De Véierten Nobelpräis

Den Nobelpräis fir Physik fir 2015 ass fir Takaaki Kadzite an Arthur MacDonald ausgezeechent fir d'Neutrino Mass ze entdecken. Dëst war de véierte sougenannte Präis, bezuelt déi experimentell Miessunge vun dëse Partikelen. Et kann een an der Fro stëmmen, firwat mir solle eppes iwwer eppes maachen, wat kaum mat der normale Matière interagéiert.

Déi Tatsaach, datt mir dës ephemeresche Partikel kënnen erkennen ass e Testament fir mënschlech Entdeedung. Well d'Reguléierung vun der Quantemechanik probabilistesch ass, wësse mer, datt trotz der Tatsaach datt bal all d'Neutrinoen duerch d'Äerd passen, ginn et e puer dovun. En Detektor vun enger grouss genuch Gréisst kann enregistréieren.

Den éischten sougenannten Apparat gouf an de Sixties déif an enger Mine vun South Dakota gebaut. D'Minett ass mat 400 Tausend Liter Liichte Flëssegkeet gefüllt. Am Duerchschnëtt interagéiert all Partikel vun Neutrinoe all Dag mat dem Chloratom, ëmgeleet bei Argon. Onheemlech, Raymond Davis, zoustänneg fir den Detektor, koum mat engem Wee fir dës verschidden Argonatome z'entdecken, a véier Joerzéngter spéit 2002 fir dës wonnerschéin Technik huet hien den Nobelpräis verginn.

Nei Astronomie

Well Neutrinoen esou schwaach interagéieren, kënnen se eng grouss Distanz reesen. Si ginn eis d 'Chance, an Plazen ze kucken, déi soss nach ni gesinn hunn. Neutrinos, entdeckt vum Davis, goufe geformt als Nuklearreaktioun, déi am Zentrum vun der Sonn stattfonnt hunn an dëst onheemlech däischter a waarme Plaz erreechen kéint ginn, well se net mat aner Matière interagéieren. Et kann een Neutrino och erkennen aus dem Zentrum vun engem Explosiounstären op enger Distanz vu méi wéi honnerte Liichtjähre vun der Äerd.

Zousätzlech, dës Deelchen maachen et méiglech Universum an hirer ganz kleng Skala, vill méi kleng wéi déi an deem Look an der Large Hadron Collider zu Genf kënne ze fest, entdeckt de Higgs boson. Aus dësem Grond huet d'Nobel-Komitee beschloss de Nobelpräis fir d'Entdeckung vun enger anerer Art Neutrino ze verginn.

Mysteriéis Mangel

Wann Ray Davis observéiert Solarneutrinos fonnt huet, huet hien nëmmen en Drëttel vun der erwarteter Zuel vun Neutrinos fonnt. Déi meescht Physiker hunn ugeholl datt de Grond fir dëst e schlechte Wësse vun der Astrophysik vun der Sonn ass: Vläicht hunn d'Modelle vun den Intressen vun der Sonn d'Nummer vun Neutrinos produzéiert. Trotzdem huet et nach vill Joer, och no de Solarodellen, de Defizit fortgesat. Physiker hunn d'Opmierksamkeet op eng aner Méiglechkeet: de Problem kann mat den Iddien iwwer dës Partikelen bezuelt ginn. Geméiss den deemoleg herrschten Thema, hunn se net eng Mass. Awer puer Physiker hunn behaapt, datt eigentlech d'Partikel eng infinitesimal Mass hunn, an dës Mass ass de Grond fir hir Mank.

Dréiene Partikel

Laut der Theorie vun Neutrino Oszillatiounen, sinn et dräi Arten vun Neutrinoen an der Natur. Wann e Partikel eng Mass ass, dann ass et sou datt se bewegt, et kann ee vun engem Typ op en aneren goen. Dräi Tip - Elektron, Muon a Tau - kënne mat Materie an e korrespondéierte gelagertes Partikel (Elektron, Muon oder Tau Lepton) interagieren. "Oscillatioun" ass wéinst der Quantemechanik. D'Zort vun Neutrino ass net konstant. Et verännert sech mat der Zäit. Den Neutrino, deen seng Existenz als elektronesch huet, huet sech an en Muon zréckzebréngen, an dann zréck. Soumat kann e Partikel deen am Sonnekinn gebaut ass, op dem Wee zu der Äerd kann regelméisseg zu engem Muonneutrino a vice-versa. Well den Davis-Detektor nëmmen e Elektron-Neutrino entdeckt huet, deen zu enger nuklearer Transmutation vu Chlor an Argon féiere kann, schéngt et méiglech datt déi fehlende Neutrinos an aner Typen ëmgewandelt hunn. (Wéi et sech erausstellt, datt Neutrinoen an der Sonn schwätzen, an net op dem Wee op d'Äerd).

Kanadeschen Experiment

Déi eenzeg Méiglechkeet fir dëst ze kontrolléieren war eng Detektioun ze schafen, déi fir all dräi Arten vun Neutrinos geschafft huet. Zënter den 90er huet de Martin MacDonald vun der Royal University of Ontario d'Team gespillt, déi et an der Mine am Sudbury, Ontario, getraff huet. D'Installatioun entlooss Tonnen schwer Waasser, déi d'Regierung vu Kanada kritt. Heavy Waasser ass eng selten mee natiirlich vernoolend Form vu Waasser, an där Waasserstoff mat engem Proton ersetzt gëtt duerch säin héicht Isotop Deuterium, deen e Proton an en Neutron enthält. D'kanadesch Regierung huet hiert Waasser gespuart, well et als Kälkraft an Atomreaktoren benotzt gëtt. All dräi Typen vun Neutrinoen konnten deuterium mat der Bildung vu Protonen a Neutron zerstéieren, an d'Neutronen goufen dann gezielt. De Detektor huet ongeféier dräimol d'Unzuel vun de Partikel am Verglach zu Davis - genee d'Zuel vu de beschte Modellen vun der Sonn. Dëst huet erlaabt datt mir den Elektron-Neutrino op aner Typen schwächen.

De japaneschen Experiment

Zur selwechter Zäit huet Takaaki Kajita vun der University of Tokyo en aussergewéinlecht Experiment gemaach. En Detektor installéiert an enger Mine vun Japan registréiert neutrunnesch, déi net aus der Tiefe vun der Sonn kommen, mä vun den ieweschte Schichten vun der Atmosphär. Am Kollisioun vun Protonen vu kosmesche Strahlen mat der Atmosphär, Duschen vu aner Partikel, dorënner Muonneutrinos, Form. An der Grou sinn se de Kär vum Waasserstoff an Muons gewunnt. Den Detektor vu Kajita kéint Partikelen an zwou Richtungen kafen. E puer sinn gefall vun der Uewerfläch, vun der Atmosphär komm ginn, während anerer aner vun ënnen. D'Zuel vun den Partikel war ënnerschiddlech, déi eng aner Natur bezeechent hunn - si waren an ënnerschiddleche Punkten vun hirer Oszillationszyklen.

Coup in Science

Et ass ganz exotesch an erstaunlech, awer firwat fillen Schwankungen an Neutrino-Massen esou vill Opmierksamkeet? De Grond ass einfach. Am Standardmodell vun der elementarer Partikelphysik, déi sech an de leschten fofzeg Joer vum 20. Joerhonnert entwéckelt huet, déi all déi aner Beobachtungen an Accelerater an aner Experimente korrekt beschriwwen hunn, musst Neutrinos masslëch sinn. D'Entdeckung vum Neutrino Mass weist datt et eppes fehlt. De Standardmodell ass net komplett. Verschmotzend Elementer hunn nach keng entdeckt - mat der Hëllef vum Large Hadron Collider oder eng aner Maschinn déi nach net geschaaft gouf.