Нейтрино

Нейтрино / Антинейтрино

Первое использование водородной пузырьковой камеры для обнаружения нейтрино 13 ноября 1970 года в Аргоннской национальной лаборатории . Здесь нейтрино попадает в протон в атоме водорода; столкновение происходит в точке выхода трех следов справа от фотографии.
Сочинение	Элементарная частица
Статистика	Фермионный
Поколение	Первый, второй и третий
Взаимодействия	Слабое взаимодействие и гравитация
Символ	ν е, ν μ, ν τ, ν е, ν μ, ν τ
Античастица	Противоположная хиральность от частицы
Теоретически	ν е, электронное нейтрино: Вольфганг Паули (1930) ν μ, мюонное нейтрино: конец 1940-х гг. ν τ, тау-нейтрино: середина 1970-х
Обнаруженный	ν е: Клайд Коуэн , Фредерик Райнс (1956) ν μ: Леон Ледерман , Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер (1962) ν τ: Сотрудничество DONUT (2000)
Типы	3: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино
Масса	<0,120  эВ (<2,14 × 10 -37  кг), уровень достоверности 95%, сумма 3 ароматов [1]
Электрический заряд	0  e
Вращение	1/2
Слабый изоспин	LH : +1/2, RH : 0
Слабый гиперзаряд	LH : -1, RH : 0
B - L	−1
Икс	−3

Нейтрино ( / п ¯u т т я п oʊ / или / щ ¯u т т я п oʊ / ) (обозначается греческой буквой v , ) является фермионное (ые элементарной частицы со спином1/2), который взаимодействует только через слабую субатомную силу и гравитацию . ^{[2] [3]} Нейтрино названо так потому, что оно электрически нейтрально и потому, что его масса покоя настолько мала ( -ино ), что долгое время считалось, что она равна нулю. Масса нейтрино гораздо меньше , чем у других известных элементарных частиц. ^[1] Слабое взаимодействие имеет очень короткий диапазон действия, гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабое, и нейтрино не участвуют в сильном взаимодействии . ^[4] Таким образом, нейтрино обычно проходят через нормальную материю беспрепятственно и незамеченными. ^{[2] [3]}

Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов : электронных нейтрино (
ν
_е), мюонные нейтрино (
ν
_μ) или тау-нейтрино (
ν
_τ) вместе с соответствующим заряженным лептоном. ^[5] Хотя долгое время считалось, что нейтрино безмассовые, теперь известно, что существуют три дискретных массы нейтрино с разными крошечными значениями, но они не соответствуют трем разновидностям. Нейтрино, созданное с определенным ароматом, имеет связанную определенную квантовую суперпозицию всех трех массовых состояний. В результате нейтрино колеблются между различными ароматами в полете. Например, электронное нейтрино, образовавшееся в реакции бета-распада, может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино. ^{[6] [7]} Хотя по состоянию на 2019 год известны только различия между квадратами трех значений массы, ^[8] космологические наблюдения предполагают, что сумма трех масс должна быть меньше одной миллионной массы электрона . ^{[1] [9]}

Для каждого нейтрино также существует соответствующая античастица , называемая антинейтрино , которая также имеет спин1/2и никакого электрического заряда. Антинейтрино отличаются от нейтрино тем, что имеют противоположные знаки лептонного числа и правую, а не левую хиральность . Чтобы сохранить общее лептонное число (при бета-распаде ядра ), электронные нейтрино появляются только вместе с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, тогда как электронные антинейтрино появляются только вместе с электронами или электронными нейтрино. ^{[10] [11]}

Нейтрино создаются различными радиоактивными распадами ; следующий список не является исчерпывающим, но включает некоторые из этих процессов:

• бета - распад в атомных ядер или адронов ,
• естественные ядерные реакции, такие как те, что происходят в ядре звезды
• искусственные ядерные реакции в ядерных реакторах , ядерных бомбах или ускорителях частиц
• во время сверхновой
• во время замедления нейтронной звезды
• когда космические лучи или пучки ускоренных частиц попадают на атомы.

Большинство нейтрино, обнаруженных на Земле, вызвано ядерными реакциями внутри Солнца. У поверхности Земли поток составляет около 65 миллиардов (6,5 × 10 ¹⁰ ) солнечных нейтрино , в секунду на квадратный сантиметр. ^{[12] [13]} Нейтрино можно использовать для томографии недр Земли. ^{[14] [15]}

В поисках объяснения сущностной природы нейтрино ведутся интенсивные исследования с целью открытия:

• три значения массы нейтрино
• степень нарушения CP в лептонном секторе (что может привести к лептогенезу )
• свидетельство физики , которые могли бы сломать Стандартную модель в физике элементарных частиц , таких как безнейтринного двойного бета - распада , которое было бы доказательством нарушения закона сохранения лептонного числа.

История [ править ]

Предложение Паули [ править ]

Нейтрино ^[a] было впервые постулировано Вольфгангом Паули в 1930 году, чтобы объяснить, как бета-распад может сохранять энергию , импульс и угловой момент ( спин ). В отличие от Нильса Бора , который предложил статистическую версию законов сохранения для объяснения наблюдаемых непрерывных энергетических спектров в бета-распаде , Паули выдвинул гипотезу о необнаруженной частице, которую он назвал «нейтроном», используя то же окончание -on, используемое для обозначения обоих протон и электрон. Он считал, что новая частица испускается из ядра вместе с электроном или бета-частицей в процессе бета-распада. ^{[16] [b]}

Джеймс Чедвик открыл гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году и назвал ее также нейтроном , оставив два вида частиц с одинаковым именем. Ранее (в 1930 году) Паули использовал термин «нейтрон» как для нейтральной частицы, сохраняющей энергию при бета-распаде, так и для предполагаемой нейтральной частицы в ядре; первоначально он не считал эти две нейтральные частицы отличными друг от друга. ^[16] Слово «нейтрино» вошло в научный словарь благодаря Энрико Ферми , который использовал его во время конференции в Париже в июле 1932 года и на конференции Solvay в октябре 1933 года, где его использовал и Паули. Название ( итальянский эквивалент «маленький нейтральный») в шутку придумалЭдоардо Амальди во время разговора с Ферми в Институте физики на улице Виа Панисперна в Риме, чтобы отличить эту легкую нейтральную частицу от тяжелого нейтрона Чедвика. ^[17]

В теории бета-распада Ферми большая нейтральная частица Чедвика могла распадаться на протон, электрон и меньшую нейтральную частицу (теперь называемую электронным антинейтрино ):

п⁰
→
п⁺
+
е^-
+
ν
_е

Статья Ферми, написанная в 1934 году, объединила нейтрино Паули с позитроном Поля Дирака и нейтрон-протонную модель Вернера Гейзенберга и дала прочную теоретическую основу для будущей экспериментальной работы. Журнал Nature отклонил статью Ферми, заявив, что теория «слишком далека от реальности». Он отправил статью в итальянский журнал, который принял ее, но общее отсутствие интереса к его теории в то время заставило его переключиться на экспериментальную физику. ^{[18] : 24 [19]}

К 1934 году появились экспериментальные доказательства против идеи Бора о том, что сохранение энергии для бета-распада недопустимо: на конференции в Сольве.того года сообщалось об измерениях энергетических спектров бета-частиц (электронов), показывающих, что существует строгий предел энергии электронов от каждого типа бета-распада. Такой предел не ожидается, если закон сохранения энергии недействителен, и в этом случае любое количество энергии будет статистически доступным по крайней мере в нескольких распадах. Естественным объяснением спектра бета-распада, впервые измеренного в 1934 году, было то, что было доступно только ограниченное (и сохраненное) количество энергии, и новая частица иногда забирала изменяющуюся часть этой ограниченной энергии, оставляя остальное для бета-частицы. . Паули воспользовался случаем, чтобы публично подчеркнуть, что еще не обнаруженное «нейтрино» должно быть реальной частицей. ^{[18] : 25}

Прямое обнаружение [ править ]

В 1942 году Ван Ганьчан впервые предложил использовать бета-захват для экспериментального обнаружения нейтрино. ^[20] В выпуске журнала Science от 20 июля 1956 года Клайд Коуэн , Фредерик Рейнс , Ф. Б. Харрисон, Х. У. Круз и А. Д. Макгуайр опубликовали подтверждение того, что они обнаружили нейтрино, ^{[21] [22],} результат, который был вознагражден почти сорок лет назад. позже с Нобелевской премией 1995 года . ^[23]

В этом эксперименте, теперь известном как нейтринный эксперимент Коуэна-Райнеса , антинейтрино, созданные в ядерном реакторе в результате бета-распада, реагировали с протонами с образованием нейтронов и позитронов :

ν
_е +
п⁺
→
п⁰
+
е⁺

Позитрон быстро находит электрон, и они аннигилируют друг друга. Два результирующих гамма-излучения (γ) можно обнаружить. Нейтрон может быть обнаружен по его захвату соответствующим ядром, испускающему гамма-луч. Совпадение обоих событий - аннигиляции позитрона и захвата нейтрона - дает уникальную сигнатуру взаимодействия антинейтрино.

В феврале 1965 года первое нейтрино, обнаруженное в природе, было идентифицировано на одном из золотых приисков Южной Африки группой, в которую входил Фридель Селлшоп . ^[24] Эксперимент проводился в специально подготовленной камере на глубине 3 км в шахте ERPM недалеко от Боксбурга. Мемориальная доска в главном здании посвящена открытию. Эксперименты также реализовали примитивную нейтринную астрономию и рассматривали вопросы физики нейтрино и слабых взаимодействий. ^[25]

Нейтринный аромат[ редактировать ]

Антинейтрино, открытое Коуэном и Райнесом, является античастицей электронного нейтрино .

В 1962 году Леон М. Ледерман , Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюонного нейтрино (уже выдвинутые под названием « нейтретто» ) ^[26], что принесло им Нобелевскую премию 1988 г. Физика .

Когда в 1975 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей был открыт третий тип лептона , тау , ожидалось, что он будет иметь ассоциированное нейтрино (тау-нейтрино). Первое свидетельство этого третьего типа нейтрино было получено из наблюдения недостающей энергии и импульса в распадах тау, аналогичных бета-распаду, что привело к открытию электронного нейтрино. Первое обнаружение взаимодействий тау-нейтрино было объявлено в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе ; о его существовании уже говорилось как на основании теоретической согласованности, так и на основании экспериментальных данных Большого электрон-позитронного коллайдера . ^[27]

Проблема солнечных нейтрино [ править ]

В 1960-х годах в знаменитом эксперименте Хоумстейк было проведено первое измерение потока электронных нейтрино, приходящих из ядра Солнца, и было обнаружено значение, которое было от одной трети до половины числа, предсказанного Стандартной солнечной моделью . Это несоответствие, получившее название проблемы солнечных нейтрино., оставалась нерешенной в течение примерно тридцати лет, в то время как возможные проблемы как с экспериментом, так и с солнечной моделью были исследованы, но не были обнаружены. В конце концов выяснилось, что оба они были на самом деле правильными, и что несоответствие между ними было связано с тем, что нейтрино были более сложными, чем предполагалось ранее. Было высказано предположение, что три нейтрино имели ненулевые и немного разные массы, и поэтому могли колебаться в необнаруживаемые ароматы во время полета к Земле. Эта гипотеза была исследована в новой серии экспериментов, тем самым открыв новую важную область исследований, которая продолжается до сих пор. Окончательное подтверждение феномена осцилляции нейтрино привело к получению двух Нобелевских премий Раймонду Дэвису-младшему , который задумал и возглавил эксперимент Хоумстейк, иАрт Макдональд , руководивший экспериментом SNO , который смог обнаружить все ароматы нейтрино и не обнаружил дефицита. ^[28]

Колебание [ править ]

Практический метод исследования осцилляций нейтрино был впервые предложен Бруно Понтекорво в 1957 г. с использованием аналогии с осцилляциями каона ; в течение последующих 10 лет он разработал математический аппарат и современную формулировку вакуумных колебаний. В 1985 году Станислав Михеев и Алексей Смирнов (продолжая работу Линкольна Вольфенштейна 1978 года ) отметили, что колебания аромата могут быть изменены, когда нейтрино распространяются через материю. Этот так называемый эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна ( эффект МСВ) важно понимать, потому что многие нейтрино, испускаемые термоядерным синтезом на Солнце, проходят через плотную материю в солнечном ядре. (где, по сути, происходит весь солнечный синтез) на пути к детекторам на Земле.

Начиная с 1998 года, эксперименты начали показывать, что солнечные и атмосферные нейтрино меняют аромат (см. Нейтринную обсерваторию Супер-Камиоканде и Садбери ). Это разрешило проблему солнечных нейтрино: электронные нейтрино, произведенные на Солнце, частично изменились на другие ароматы, которые эксперименты не могли обнаружить.

Хотя отдельные эксперименты, такие как серия экспериментов с солнечными нейтрино, согласуются с неосцилляторными механизмами преобразования аромата нейтрино, взятыми вместе, нейтринные эксперименты предполагают существование осцилляций нейтрино. Особенно актуальными в этом контексте являются реакторный эксперимент KamLAND и ускорительные эксперименты, такие как MINOS . Эксперимент KamLAND действительно идентифицировал осцилляции как механизм преобразования аромата нейтрино, участвующий в солнечных электронных нейтрино. Точно так же MINOS подтверждает колебания атмосферных нейтрино и дает лучшее определение квадрата массы расщепления. ^[29] Такааки Кадзита из Японии и Артур Б. Макдональд. из Канады, получили Нобелевскую премию по физике 2015 года за свое знаменательное открытие, теоретическое и экспериментальное, что нейтрино могут менять аромат.

Космические нейтрино [ править ]

Раймонд Дэвис-младший и Масатоши Кошиба были совместно удостоены Нобелевской премии по физике 2002 года . Оба провели новаторскую работу по обнаружению солнечных нейтрино , и работа Кошибы также привела к первому наблюдению в реальном времени нейтрино от сверхновой SN 1987A в близлежащем Большом Магеллановом Облаке . Эти усилия положили начало нейтринной астрономии . ^[30]

SN 1987A представляет собой единственное подтвержденное обнаружение нейтрино от сверхновой. Однако многие звезды во Вселенной превратились в сверхновые, оставив теоретический диффузный нейтринный фон сверхновой .

Свойства и реакции [ править ]

Нейтрино имеют полуцелую спину ( ¹ / ₂ ħ ); следовательно, они фермионы . Нейтрино - лептоны . Было замечено, что они взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия , хотя предполагается, что они также взаимодействуют гравитационно.

Вкус, масса и их смешивание [ править ]

Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов : электронных нейтрино (
ν
_е), мюонные нейтрино (
ν
_μ) или тау-нейтрино (
ν
_τ), 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 обозначенными «1», «2» и «3»). По состоянию на 2016 год неизвестно, какой 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 рамках любой практической траектории полета из-за принципа неопределенности . Было обнаружено, что доля каждого массового состояния в полученном состоянии чистого ароматизатора в значительной степени 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 [ править ]

В полете нейтрино колеблются между разными вкусами. Например, электронное нейтрино, образующееся в реакции бета-распада, может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино, что определяется ароматом заряженного лептона, произведенного в детекторе. Эти колебания возникают из-за того, что три компонента массового состояния производимого аромата движутся с немного разными скоростями, так что их квантово-механические волновые пакеты развивают относительные фазовые сдвиги.которые меняют способ их сочетания, чтобы создать различную суперпозицию трех ароматов. Таким образом, каждый ароматический компонент колеблется по мере перемещения 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 [ править ]

Нейтрино, движущиеся через материю, в общем, проходят процесс, аналогичный свету, движущемуся через прозрачный материал . Этот процесс не наблюдается напрямую, потому что он не производит ионизирующего излучения , но вызывает эффект МСВ . Лишь малая часть энергии нейтрино передается материалу. ^[35]

Антинейтрино [ править ]

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 не было обнаружено никаких доказательств каких-либо других различий. 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]}

Антинейтрино образуются в ядерном бета-распаде вместе с бета-частицей , в котором, например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Все антинейтрино, наблюдаемые до сих пор, обладают правой спиральностью (т.е. когда-либо наблюдалось только одно из двух возможных спиновых состояний), а нейтрино - левосторонние. Тем не менее, поскольку нейтрино имеют массу, их спиральность зависит от системы отсчета , поэтому здесь имеет значение связанное с ней не зависящее от системы отсчета свойство киральности.

Антинейтрино были впервые обнаружены в результате их взаимодействия с протонами в большом резервуаре с водой. Он был установлен рядом с ядерным реактором в качестве управляемого источника антинейтрино (см. Нейтринный эксперимент Коуэна – Рейнеса ). Исследователи во всем мире начали изучать возможность использования антинейтрино для мониторинга реакторов в контексте предотвращения распространения ядерного оружия . ^{[36] [37] [38]}

Майоранская масса [ править ]

Поскольку антинейтрино и нейтрино являются нейтральными частицами, возможно, что это одна и та же частица. Частицы, обладающие этим свойством, известны как частицы Майораны , названные в честь итальянского физика Этторе Майорана, который первым предложил эту концепцию. В случае нейтрино эта теория приобрела популярность, поскольку ее можно использовать в сочетании с механизмом качелей для объяснения того, почему массы нейтрино настолько малы по сравнению с массами других элементарных частиц, таких как электроны или кварки. Нейтрино Майораны обладали бы тем свойством, что нейтрино и антинейтрино можно было различить только по хиральности.; то, что наблюдают эксперименты, как разница между нейтрино и антинейтрино, может быть просто результатом одной частицы с двумя возможными хиральностями.

По состоянию на 2019 год ^{[Обновить]}неизвестно, являются ли нейтрино частицами Майорана или Дирака . Это свойство можно проверить экспериментально. Например, если нейтрино действительно являются майорановскими частицами, то процессы, нарушающие лептонное число, такие как безнейтринный двойной бета-распад , будут разрешены, в то время как они не будут, если нейтрино являются частицами Дирака . Несколько экспериментов были и проводятся для поиска этого процесса, например, GERDA , ^[39] EXO , ^[40] и SNO + . ^[41] космический фон нейтрино также зонд , является ли нейтриноМайорановские частицы , поскольку в случае Дирака или Майорана должно быть зарегистрировано другое количество космических нейтрино. ^[42]

Ядерные реакции [ править ]

Нейтрино могут взаимодействовать с ядром, превращая его в другое ядро. Этот процесс используется в радиохимических детекторах нейтрино . В этом случае для оценки вероятности взаимодействия необходимо учитывать энергетические уровни и спиновые состояния в ядре-мишени. В общем, вероятность взаимодействия увеличивается с количеством нейтронов и протонов в ядре. ^{[28] [43]}

Однозначно идентифицировать нейтринные взаимодействия среди естественного фона радиоактивности очень сложно. По этой причине в ранних экспериментах был выбран специальный канал реакции для облегчения идентификации: взаимодействие антинейтрино с одним из ядер водорода в молекулах воды. Ядро водорода представляет собой отдельный протон, поэтому одновременные ядерные взаимодействия, которые могли бы происходить в более тяжелом ядре, не нужно учитывать для эксперимента по обнаружению. В кубическом метре воды, помещенном прямо за пределы ядерного реактора, можно зарегистрировать лишь относительно небольшое количество таких взаимодействий, но сейчас установка используется для измерения скорости производства плутония в реакторе.

Вынужденное деление [ править ]

Подобно нейтронам в ядерных реакторах , нейтрино могут вызывать реакции деления в тяжелых ядрах . ^[44] До сих пор эта реакция не измерялась в лаборатории, но предсказывается, что она будет происходить внутри звезд и сверхновых. Этот процесс влияет на количество изотопов, наблюдаемых во Вселенной . ^[43] Нейтринное деление ядер дейтерия наблюдалось в нейтринной обсерватории Садбери , в которой используется детектор тяжелой воды .

Типы [ править ]

Существует три известных типа ( аромата ) нейтрино: электронное нейтрино.
ν
_е, мюонное нейтрино
ν
_μ, и тау-нейтрино
ν
_τ, названные в честь лептонов- партнеров в Стандартной модели (см. таблицу справа). На данный момент наилучшее измерение количества типов нейтрино происходит при наблюдении за распадом Z- бозона . Эта частица может распадаться на любое легкое нейтрино и его антинейтрино, и чем больше доступных типов легких нейтрино ^[c], тем короче время жизни Z-  бозона. Измерения Z жизней показали , что три света нейтрино ароматов пары к Z . ^[31] Соответствие шести кварков в Стандартной модели и шесть лептонов, в том числе три нейтрино, подсказывают интуиции физиков, что должно быть ровно три типа нейтрино.

Исследование [ править ]

Есть несколько активных областей исследований, связанных с нейтрино. Некоторые озабочены проверкой предсказаний поведения нейтрино. Другие исследования сосредоточены на измерении неизвестных свойств нейтрино; особый интерес представляют эксперименты, которые определяют их массы и скорость нарушения СР , что не может быть предсказано с помощью современной теории.

Детекторы около искусственных источников нейтрино [ править ]

Международные научные коллаборации устанавливают большие детекторы нейтрино возле ядерных реакторов или в нейтринных пучках от ускорителей частиц, чтобы лучше ограничивать массы нейтрино и значения величины и скорости колебаний между ароматами нейтрино. Таким образом, в этих экспериментах проводится поиск существования CP-нарушения в нейтринном секторе; то есть независимо от того, по-разному ли законы физики трактуют нейтрино и антинейтрино. ^[8]

KATRIN эксперимент в Германии стал данными приобретают в июне 2018 года ^[45] , чтобы определить значение массы электронного нейтрино с другими подходами к этой проблеме в стадии планирования. ^[1]

Гравитационные эффекты [ править ]

Несмотря на свои крошечные массы, нейтрино настолько многочисленны, что их гравитационная сила может влиять на другие вещества во Вселенной.

Три известных типа нейтрино являются единственными установленными кандидатами в элементарные частицы для темной материи , в частности горячей темной материи , хотя обычные нейтрино, по-видимому, по существу исключены как значительная часть темной материи на основе наблюдений за космическим микроволновым фоном . По-прежнему кажется правдоподобным, что более тяжелые и стерильные нейтрино могут составлять теплую темную материю , если они существуют. ^[46]

Поиски стерильных нейтрино [ править ]

Другие усилия направлены на поиск свидетельств стерильного нейтрино - четвертого аромата нейтрино, который не взаимодействует с веществом, как три известных аромата нейтрино. ^{[47] [48] [49] [50]} На возможность стерильных нейтрино не влияют описанные выше измерения распада Z-бозона: если их масса больше половины массы Z-бозона, они не могут быть продуктом распада. Следовательно, тяжелые стерильные нейтрино имели бы массу не менее 45,6 ГэВ.

На существование таких частиц на самом деле намекают экспериментальные данные эксперимента LSND . С другой стороны, текущий эксперимент MiniBooNE предполагает, что стерильные нейтрино не требуются для объяснения экспериментальных данных ^[51], хотя последние исследования в этой области продолжаются, и аномалии в данных MiniBooNE могут допускать экзотические типы нейтрино, включая стерильные нейтрино. ^[52] Недавний повторный анализ данных эталонных электронных спектров, проведенный Институтом Лауэ-Ланжевена ^[53] , также указал на четвертое, стерильное нейтрино. ^[54]

По данным анализа , опубликованного в 2010 году, данные от Wilkinson Microwave анизотропией зонда от космического фонового излучения совместим с трех или четырех типов нейтрино. ^[55]

Поиски безнейтринного двойного бета-распада [ править ]

Другая гипотеза касается «безнейтринного двойного бета-распада», который, если он существует, нарушил бы сохранение лептонного числа. Поиски этого механизма продолжаются, но пока не нашли доказательств. Если бы это было так, то то, что сейчас называют антинейтрино, не могло бы быть настоящими античастицами.

Нейтрино космических лучей [ править ]

Эксперименты с космическими лучами нейтрино обнаруживают нейтрино из космоса для изучения природы нейтрино и космических источников, их производящих. ^[56]

Скорость [ править ]

До того, как было обнаружено, что нейтрино осциллируют, они обычно считались безмассовыми и распространялись со скоростью света . Согласно специальной теории относительности , вопрос о скорости нейтрино тесно связан с их массой : если нейтрино безмассовые, они должны двигаться со скоростью света, а если они имеют массу, они не могут достичь скорости света. Из-за их крошечной массы предсказанная скорость чрезвычайно близка к скорости света во всех экспериментах, а датчики тока не чувствительны к ожидаемой разнице.

Также некоторые варианты квантовой гравитации с нарушением лоренц-инвариантности могут допускать нейтрино, идущие быстрее скорости света. Комплексной основой для нарушений Лоренца является Расширение стандартной модели (SME).

Первые измерения скорости нейтрино были сделаны в начале 1980-х годов с использованием импульсных пучков пионов (создаваемых импульсными пучками протонов, поражающими цель). Пионы распадались, производя нейтрино, и взаимодействия нейтрино, наблюдаемые в пределах временного окна в детекторе на расстоянии, соответствовали скорости света. Это измерение было повторено в 2007 году с помощью детекторов MINOS , которые обнаружили скоростьПри уровне достоверности 99% нейтрино 3  ГэВ должны находиться в диапазоне0,999 976  c и1.000 126  с . Центральная ценность1.000 051  c выше скорости света, но, с учетом неопределенности, также согласуется со скоростью точно c или немного меньше. Это измерение установило верхнюю границу массы мюонного нейтрино при50 МэВ с достоверностью 99% . ^{[57] [58]} После модернизации детекторов для проекта в 2012 году MINOS уточнила свой первоначальный результат и обнаружила соответствие скорости света с разницей во времени прибытия нейтрино и света -0,0006% (± 0,0012%). ). ^[59]

Аналогичное наблюдение было сделано в гораздо большем масштабе со сверхновой 1987A (SN 1987A). Антинейтрино с энергией 10 МэВ от сверхновой были обнаружены в течение временного окна, которое соответствовало скорости света нейтрино. До сих пор все измерения скорости нейтрино соответствовали скорости света. ^{[60] [61]}

Сверхсветовой нейтринный сбой [ править ]

В сентябре 2011 года коллаборация OPERA опубликовала расчеты, показывающие, что скорости нейтрино 17 ГэВ и 28 ГэВ превышают скорость света в их экспериментах. В ноябре 2011 года OPERA повторила свой эксперимент с изменениями, позволяющими определять скорость индивидуально для каждого зарегистрированного нейтрино. Результаты показали такую ​​же скорость, превышающую скорость света. В феврале 2012 года появились сообщения о том, что результаты могли быть вызваны ослабленным оптоволоконным кабелем, подключенным к одним из атомных часов, которые измеряли время вылета и прибытия нейтрино. Независимое воссоздание эксперимента в той же лаборатории ICARUS не обнаружило заметной разницы между скоростью нейтрино и скоростью света. ^[62]

В июне 2012 года ЦЕРН объявил, что новые измерения, проведенные во всех четырех экспериментах Гран-Сассо (OPERA, ICARUS, Borexino и LVD ), обнаружили соответствие между скоростью света и скоростью нейтрино, окончательно опровергнув первоначальное утверждение OPERA. ^[63]

Масса [ править ]

Стандартная модель физики частиц предполагается , что нейтрино безмассовы. ^{[ необходимая цитата ]} Экспериментально установленное явление осцилляции нейтрино, которое смешивает состояния аромата нейтрино с состояниями массы нейтрино (аналогично смешиванию CKM ), требует, чтобы нейтрино имели ненулевые массы. ^[64] Массивные нейтрино были изобретены Бруно Понтекорво в 1950-х годах. Улучшить базовую структуру, чтобы приспособить их массу, просто путем добавления правого лагранжиана.

Обеспечить массу нейтрино можно двумя способами, и в некоторых предложениях используются оба:

• Если, как и другие фундаментальные частицы Стандартной модели, масса генерируется механизмом Дирака , то для каркаса потребуется синглет SU (2) . Эта частица будет иметь взаимодействия Юкавы с нейтральным компонентом дублета Хиггса , но в противном случае не будет взаимодействовать с частицами Стандартной модели, поэтому называется «стерильным» нейтрино. ^{[ требуется разъяснение ]}
• Или масса может быть создана с помощью механизма Майорана , который требует, чтобы нейтрино и антинейтрино были одной и той же частицей.

Самый строгий верхний предел масс нейтрино исходит из космологии : модель Большого взрыва предсказывает, что существует фиксированное соотношение между числом нейтрино и числом фотонов в космическом микроволновом фоне . Если полная энергия всех трех типов нейтрино превышала в среднем50  эВ на нейтрино, во Вселенной будет столько массы, что она схлопнется. ^[65] Этот предел можно обойти, если предположить, что нейтрино нестабильно, но в Стандартной модели есть ограничения, которые затрудняют это. Гораздо более жесткое ограничение вытекает из тщательного анализа космологических данных, таких как космическое микроволновое фоновое излучение, обзоры галактик и лес Лайман-альфа . Это означает, что суммарные массы трех нейтрино должны быть меньше, чем0,3 эВ . ^[66]

Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Б. Макдональду за их экспериментальное открытие осцилляций нейтрино, которое демонстрирует, что нейтрино имеют массу. ^{[67] [68]}

В 1998 году результаты исследований нейтринного детектора Супер-Камиоканде показали, что нейтрино могут колебаться от одного аромата к другому, что требует, чтобы они имели ненулевую массу. ^[69] Хотя это показывает, что нейтрино имеют массу, абсолютный масштаб массы нейтрино все еще неизвестен. Это потому, что осцилляции нейтрино чувствительны только к разнице квадратов масс. ^[70] По состоянию на 2020 год ^[71] наиболее подходящее значение разности квадратов масс массовых собственных состояний 1 и 2 составляет | Δ m²
₂₁| знак равно0,000 074  эВ ² , а для собственных состояний 2 и 3 это | Δ m²
₃₂| знак равно0,002 51  эВ ² . Поскольку | Δ m²
₃₂| представляет собой разность двух квадратов масс, по крайней мере одна из них должна иметь значение, которое является по крайней мере квадратным корнем из этого значения. Таким образом, существует по крайней мере одно собственное состояние с массой нейтрино с массой не менее0,05 эВ . ^[72]

В 2009 году данные линзирования скопления галактик были проанализированы, чтобы предсказать массу нейтрино около 1,5 эВ . ^[73] Это удивительно высокое значение требует, чтобы массы трех нейтрино были почти равными, с нейтринными осцилляциями порядка миллиэлектронвольт. В 2016 году это было обновлено до массы1,85 эВ . ^[74] Он предсказывает 3 стерильных ^{[ требуется пояснение ]} нейтрино одинаковой массы, связанных с фракцией темной материи Планка и отсутствием наблюдения двойного безнейтринного бета-распада. Массы лежат ниже верхней границы Майнца-Троицка.2,2 эВ для электронного антинейтрино. ^[75] Последний тестируется с июня 2018 года в эксперименте KATRIN , который ищет массу между0,2 эВ и2 эВ . ^[45]

В настоящее время предпринимаются попытки прямого определения абсолютной шкалы масс нейтрино в лабораторных экспериментах. Применяемые методы включают ядерный бета-распад ( KATRIN и MARE ).

31 мая 2010 года исследователи OPERA наблюдали первое событие-кандидат в тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Это преобразование нейтрино было впервые обнаружено, что еще раз подтвердило их массу. ^[76]

В июле 2010 года 3-мерный обзор галактик MegaZ DR7 сообщил, что они измерили предел объединенной массы трех разновидностей нейтрино, который меньше чем 0,28 эВ . ^[77] Более точная верхняя граница для этой суммы масс,0,23 эВ , сообщалось в марте 2013 года в сотрудничестве Планка , ^[78] , тогда как в 2014 результате Февральской оценивает сумму как 0,320 ± 0,081 эВ , основанный на расхождения между космологических следствий , вытекающих из детальных измерений Планком космического микроволнового фона и предсказания , вытекающие из наблюдение других явлений в сочетании с предположением, что нейтрино ответственны за наблюдаемое более слабое гравитационное линзирование, чем можно было бы ожидать от безмассовых нейтрино. ^[79]

Если нейтрино является частицей Майорана , масса может быть вычислена путем нахождения полураспада от безнейтринного двойного бета - распада некоторых ядер. Текущий самый низкий верхний предел майорановской массы нейтрино был установлен KamLAND -Zen: 0,060–0,161 эВ. ^[80]

Размер [ править ]

Нейтрино Стандартной модели - это фундаментальные точечные частицы без какой-либо ширины или объема. Поскольку нейтрино - элементарная частица, его размер не такой, как у обычных предметов. ^[81] Свойства, связанные с обычным «размером», отсутствуют: между ними нет минимального расстояния, и нейтрино не могут конденсироваться в отдельное однородное вещество, занимающее конечный объем.

Хиральность [ править ]

Экспериментальные результаты показывают, что в пределах погрешности все произведенные и наблюдаемые нейтрино имеют левую спиральность (спины антипараллельны импульсам ), а все антинейтрино имеют правую спиральность. ^[82] В безмассовом пределе это означает, что для каждой частицы наблюдается только одна из двух возможных киральностей . Это единственные хиральности, включенные в Стандартную модель взаимодействий частиц.

Возможно, их аналоги (правые нейтрино и левосторонние антинейтрино) просто не существуют. Если они действительно существуют, их свойства существенно отличаются от наблюдаемых нейтрино и антинейтрино. Предполагается, что они либо очень тяжелые (на уровне шкалы GUT - см. Механизм качелей ), либо не участвуют в слабом взаимодействии (так называемые стерильные нейтрино ), либо и то, и другое.

Существование ненулевых масс нейтрино несколько усложняет ситуацию. Нейтрино образуются при слабых взаимодействиях как собственные состояния киральности. Хиральность массивной частицы не является константой движения; спиральность есть, но оператор киральности не разделяет собственные состояния с оператором спиральности. Свободных нейтрино распространяться в виде смесей левых и правых состояний спиральности, при перемешивании амплитуды на порядок ^{м _ν} / _E. Это не оказывает существенного влияния на эксперименты, потому что нейтрино почти всегда ультрарелятивистские, и поэтому амплитуды смешивания исчезающе малы. Фактически, они путешествуют так быстро, а время в их системах покоя течет так медленно, что у них нет достаточно времени, чтобы изменить какой-либо наблюдаемый путь. Например, большинство солнечных нейтрино имеют энергию порядка0,100 МэВ -1 МэВ , поэтому доля нейтрино с «неправильной» спиральностью среди них не может превышать10 ⁻¹⁰ . ^{[83] [84]}

Аномалия GSI [ править ]

Неожиданная серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высокозарядных радиоактивных ионов, циркулирующих в накопительном кольце , вызвала теоретическую активность в попытке найти убедительное объяснение. Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI , поскольку накопительное кольцо находится в Центре исследований тяжелых ионов GSI им. Гельмгольца в Дармштадте, Германия .

Было обнаружено, что скорости слабого распада двух радиоактивных частиц с периодом полураспада около 40 секунд и 200 секунд имеют значительную колебательную модуляцию с периодом около 7 секунд. ^[85] Поскольку в процессе распада образуется электронное нейтрино , некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемой скорости осцилляций предлагают новые или измененные свойства нейтрино. Идеи, связанные с колебаниями вкуса, встретили скептически. ^[86] Более позднее предложение основано на различиях между собственными состояниями масс нейтрино . ^[87]

Источники [ править ]

Искусственный [ править ]

Реакторные нейтрино [ править ]

Ядерные реакторы являются основным источником нейтрино, генерируемых человеком. Большая часть энергии в ядерном реакторе вырабатывается за счет деления (четыре основных делящихся изотопа в ядерных реакторах:235U, 238U, 239Пу и 241Пу) образовавшиеся дочерние нуклиды, богатые нейтронами, быстро претерпевают дополнительные бета-распады , каждый из которых превращает один нейтрон в протон и электрон и высвобождает электронный антинейтрино (
п
→
п
+
е^-
+
ν
_е). Включая эти последующие распады, в среднем выделяется около200 МэВ энергии, из которых примерно 95,5% остается в активной зоне в виде тепла, а примерно 4,5% (или около9 МэВ ) ^[88] излучается в виде антинейтрино. Для типичного ядерного реактора тепловой мощностью4000  МВт , ^[d] полное производство энергии от делящихся атомов на самом деле4185 МВт , из них185 МВт излучается в виде излучения антинейтрино и никогда не используется в технике. Это сказать,185 МВт энергии деления теряется из этого реактора и не является теплом, доступным для работы турбин, поскольку антинейтрино проникают во все строительные материалы практически без взаимодействия.

Энергетический спектр антинейтрино зависит от степени сгорания топлива (антинейтрино деления плутония-239 в среднем имеют немного больше энергии, чем уран-235), но в целом обнаруживаемые антинейтрино от деления имеют пиковую энергию между примерно 3.5 и4 МэВ , с максимальной энергией около10 МэВ . ^[89] Не существует установленного экспериментального метода для измерения потока низкоэнергетических антинейтрино. Только антинейтрино с энергией выше порога1,8 МэВ может вызвать обратный бета-распад и, таким образом, быть однозначно идентифицированным (см. § Обнаружение ниже). По оценкам, 3% всех антинейтрино из ядерного реактора несут энергию выше этого порога. Таким образом, средняя АЭС может генерировать более10 ²⁰ антинейтрино в секунду выше этого порога, но также гораздо большее число ( 97% / 3% ≈ 30 раз больше этого числа) ниже энергетического порога, что невозможно увидеть с помощью современной технологии детекторов.

Ускорительные нейтрино [ править ]

Некоторые ускорители частиц использовались для создания пучков нейтрино. Техника заключается в столкновении протонов с неподвижной мишенью с образованием заряженных пионов или каонов . Эти нестабильные частицы затем магнитно фокусируются в длинный туннель, где они распадаются во время полета. Из-за релятивистского ускорения распадающейся частицы нейтрино производятся в виде пучка, а не изотропно. Продолжаются попытки разработать ускорительную установку, в которой нейтрино образуются в результате распада мюонов . ^[90] Такая установка широко известна как «фабрика нейтрино» .

Ядерное оружие [ править ]

Ядерное оружие также производит очень большое количество нейтрино. Фред Райнс и Клайд Коуэн рассматривали возможность обнаружения нейтрино от бомбы до своих поисков реакторных нейтрино; реактор деления был рекомендован в качестве лучшей альтернативы руководителем физического отдела Лос-Аламоса Дж. М. Б. Келлоггом. ^[91] Оружие деления производит антинейтрино (в процессе деления), а термоядерное оружие производит как нейтрино (в процессе термоядерного синтеза), так и антинейтрино (в результате инициирующего взрыва деления).

Геологический [ править ]

Нейтрино образуются вместе с естественным радиационным фоном . В частности, цепочки распада238U и 232Чт изотопы, а также40K, включают бета-распады, которые выделяют антинейтрино. Эти так называемые геонейтрино могут предоставить ценную информацию о недрах Земли. Первое указание на геонейтрино было обнаружено в эксперименте KamLAND в 2005 году, обновленные результаты были представлены KamLAND ^[92] и Borexino . ^[93] Основным фоном в измерениях геонейтрино являются антинейтрино, исходящие от реакторов.

Атмосферный [ править ]

Атмосферные нейтрино возникают в результате взаимодействия космических лучей с атомными ядрами в атмосфере Земли , создавая потоки частиц, многие из которых нестабильны и при распаде производят нейтрино. Сотрудничество физиков элементарных частиц из Института фундаментальных исследований Тата (Индия), Городского университета Осаки (Япония) и Даремского университета (Великобритания) зарегистрировало первое взаимодействие нейтрино космических лучей в подземной лаборатории на Золотых приисках Колара в Индии в 1965 году ^[94].

Солнечная [ править ]

Солнечные нейтрино происходят от ядерного синтеза , питающего Солнца и других звезд. Подробности работы Солнца объясняются Стандартной солнечной моделью . Короче говоря: когда четыре протона сливаются, чтобы стать одним ядром гелия , два из них должны превратиться в нейтроны, и каждое такое преобразование высвобождает одно электронное нейтрино.

Солнце посылает огромное количество нейтрино во всех направлениях. Каждую секунду около 65 миллиардов (6.5 × 10 ¹⁰ ) солнечные нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр на части Земли, перпендикулярной направлению Солнца. ^[13] Поскольку нейтрино незначительно поглощаются массой Земли, площадь поверхности на стороне Земли, противоположной Солнцу, получает примерно такое же количество нейтрино, как и сторона, обращенная к Солнцу.

Сверхновые [ править ]

В 1966 году Colgate и White ^[95] подсчитали , что нейтрино уносят большую часть гравитационной энергии , выделяющейся при коллапсе массивных звезд, события в настоящее время отнесены к категории типа Ib и Ic и II типа сверхновых . Когда такие звезды коллапсируют, плотность вещества в ядре становится такой высокой (10 ¹⁷  кг / м ³ ), что вырождения электронов недостаточно, чтобы предотвратить объединение протонов и электронов с образованием нейтрона и электронного нейтрино. Второй, более обильный источник нейтрино - это тепловая энергия (100 миллиардов  кельвинов ) вновь образованного нейтронного ядра, которая рассеивается за счет образования пар нейтрино-антинейтрино всех видов. ^[96]

Теория Колгейта и Уайта о рождении нейтрино сверхновой была подтверждена в 1987 году, когда были обнаружены нейтрино от сверхновой звезды 1987A . Детекторы на водной основе Kamiokande II и IMB зарегистрировали 11 и 8 антинейтрино ( лептонное число  = -1) теплового происхождения, ^[96] соответственно, а баксанский детектор на основе сцинтилляторов обнаружил 5 нейтрино ( лептонное число = +1) либо теплового происхождения, либо происхождения электронного захвата во всплеске длительностью менее 13 секунд. Нейтринный сигнал от сверхновой достиг Земли за несколько часов до прибытия первого электромагнитного излучения, как и ожидалось из очевидного факта, что последнее возникает вместе с ударной волной. Исключительно слабое взаимодействие с нормальным веществом позволило нейтрино пройти через взбалтывающую массу взрывающейся звезды, в то время как электромагнитные фотоны замедлились.

Поскольку нейтрино так мало взаимодействуют с веществом, считается, что нейтринное излучение сверхновой несут информацию о самых внутренних областях взрыва. Многое из видимогосвет исходит от распада радиоактивных элементов, образованных ударной волной сверхновой, и даже свет от самого взрыва рассеивается плотными и турбулентными газами и, таким образом, задерживается. Ожидается, что нейтринная вспышка достигнет Земли раньше, чем любые электромагнитные волны, включая видимый свет, гамма-лучи или радиоволны. Точное время задержки прихода электромагнитных волн зависит от скорости ударной волны и толщины внешнего слоя звезды. Для сверхновой типа II астрономы ожидают, что поток нейтрино будет высвобожден через секунды после коллапса ядра звезды, в то время как первый электромагнитный сигнал может появиться через несколько часов, после того как ударная волна взрыва успела достичь поверхности звезды. Система раннего предупреждения о сверхновыхв проекте используется сеть нейтринных детекторов для наблюдения за небом в поисках кандидатов в сверхновые; сигнал нейтрино обеспечит полезное заблаговременное предупреждение о взрыве звезды в Млечном Пути .

Хотя нейтрино проходят через внешние газы сверхновой, не рассеиваясь, они предоставляют информацию о более глубоком ядре сверхновой с доказательством того, что здесь даже нейтрино в значительной степени рассеиваются. В ядре сверхновой звезды плотности соответствуют плотности нейтронной звезды (которая, как ожидается, будет образована в этом типе сверхновой) ^[97], становясь достаточно большой, чтобы влиять на продолжительность нейтринного сигнала, задерживая некоторые нейтрино. Сигнал нейтрино длительностью 13 секунд от SN 1987A длился намного дольше, чем это потребовалось бы нейтрино, чтобы беспрепятственно пересечь ядро ​​сверхновой, генерирующее нейтрино, которое, как ожидается, будет иметь диаметр всего 3200 километров для SN 1987A.

Подсчитанное количество нейтрино также соответствовало общей энергии нейтрино, равной 2,2 × 10 ⁴⁶  джоулей , что, по оценкам, составляет почти всю полную энергию сверхновой. ^[30]

Для средней сверхновой звезды испускается примерно 10 ⁵⁷ ( октодециллион ) нейтрино, но фактическое количество, обнаруженное наземным детектором, будет намного меньше, на уровне${\ displaystyle N}$

${\ displaystyle N \ sim 10 ^ {4} \ left ({\ frac {M} {25 \, \ mathrm {kton}}} \ right) \ left ({\ frac {10 \, \ mathrm {kpc}}) {d}} \ right) ^ {2}}$,

где - масса детектора (например, Super Kamiokande имеет массу 50 ктон) и - расстояние до сверхновой. ^[98] Следовательно, на практике будет возможно обнаруживать нейтринные всплески от сверхновых звезд в пределах или поблизости от Млечного Пути (нашей собственной галактики). В дополнение к обнаружению нейтрино от отдельных сверхновых, должно быть также возможно обнаружение диффузного нейтринного фона сверхновой , который исходит от всех сверхновых во Вселенной. ^[99]${\ displaystyle M}$${\ displaystyle d}$

Остатки сверхновой [ править ]

Энергия нейтрино сверхновых колеблется от единиц до нескольких десятков МэВ. Ожидается, что места, где ускоряются космические лучи , будут производить нейтрино, которые по крайней мере в миллион раз более энергичны, произведенные из турбулентных газовых сред, оставшихся после взрыва сверхновых: остатков сверхновых . Вальтер Бааде и Фриц Цвикки приписали происхождение космических лучей сверхновым ; эту гипотезу уточнил Виталий Л. Гинзбург.и Сергей И. Сыроватский, который приписал происхождение остаткам сверхновой и поддержал свое утверждение решающим замечанием, что потери космических лучей в Млечном Пути компенсируются, если эффективность ускорения в остатках сверхновой составляет около 10 процентов. Гипотеза Гинзбурга и Сыроватского подтверждается специфическим механизмом «ускорения ударной волны», происходящим в остатках сверхновой, который согласуется с исходной теоретической картиной, нарисованной Энрико Ферми , и получает подтверждение в данных наблюдений. Нейтрино очень высоких энергий еще предстоит увидеть, но эта ветвь нейтринной астрономии только зарождается. Основные существующие или предстоящие эксперименты, направленные на наблюдение нейтрино очень высоких энергий из нашей галактики, - это Байкал , AMANDA., IceCube , АНТАРЕС , НЕМО и Нестор . Соответствующая информация предоставляется обсерваториями гамма-излучения очень высоких энергий , такими как VERITAS , HESS и MAGIC . Действительно, столкновения космических лучей должны производить заряженные пионы, распад которых дает нейтрино, а также нейтральные пионы, чьи распады дают гамма-лучи: окружение остатка сверхновой прозрачно для обоих типов излучения.

Нейтрино еще более высоких энергий, возникающие в результате взаимодействия внегалактических космических лучей, можно было наблюдать в обсерватории Пьера Оже или в специальном эксперименте под названием ANITA .

Большой взрыв [ править ]

Считается, что так же, как космическое микроволновое фоновое излучение, оставшееся после Большого взрыва , в нашей Вселенной существует фон нейтрино низкой энергии. В 1980-х годах было высказано предположение, что это может быть объяснением существования темной материи во Вселенной. У нейтрино есть одно важное преимущество перед большинством других кандидатов в темную материю: известно, что они существуют. У этой идеи тоже есть серьезные проблемы.

Из экспериментов с частицами известно, что нейтрино очень легкие. Это означает, что они легко перемещаются со скоростью, близкой к скорости света . По этой причине темная материя, состоящая из нейтрино, называется « горячей темной материей ». Проблема в том, что, будучи быстро движущимися, нейтрино, как правило, равномерно распределялись по Вселенной, прежде чем космологическое расширение сделало бы их достаточно холодными, чтобы собираться в сгустки. Это приведет к тому, что часть темной материи, состоящая из нейтрино, будет размазана и не сможет образовывать большие галактические структуры, которые мы видим.

Эти же самые галактики и группы галактик, кажется, окружены темной материей, которая не достаточно быстра, чтобы покинуть эти галактики. Предположительно этот вопрос при условии , что гравитационное ядро для формирования . Это означает, что нейтрино не могут составлять значительную часть от общего количества темной материи.

Из космологических аргументов, реликтовые фоновые нейтрино оцениваются как имеющие плотность 56 каждого типа на кубический сантиметр и температуру 1.9 К (1,7 × 10 ⁻⁴  эВ ), если они безмассовые, намного холоднее, если их масса превышает0,001 эВ . Хотя их плотность довольно высока, они еще не наблюдались в лаборатории, поскольку их энергия ниже пороговых значений большинства методов обнаружения и из-за чрезвычайно низких сечений взаимодействия нейтрино при энергиях ниже эВ. Напротив, солнечные нейтрино из бора-8, которые испускаются с более высокой энергией, были обнаружены окончательно, несмотря на то, что их космическая плотность ниже, чем у реликтовых нейтрино, примерно на 6 порядков.

Обнаружение [ править ]

Нейтрино как таковые нельзя обнаружить напрямую, потому что они не ионизируют материалы, через которые проходят (они не несут электрический заряд, а другие предлагаемые эффекты, такие как эффект MSW, не производят прослеживаемого излучения). Уникальная реакция для идентификации антинейтрино, иногда называемая обратным бета-распадом , применяемая Райнесом и Коуэном (см. Ниже), требует очень большого детектора для обнаружения значительного количества нейтрино. Все методы обнаружения требуют, чтобы нейтрино несли минимальную пороговую энергию. До сих пор не существует метода обнаружения нейтрино низкой энергии в том смысле, что потенциальные нейтринные взаимодействия (например, посредством эффекта MSW) нельзя однозначно отличить от других причин. Детекторы нейтрино часто строят под землей, чтобы изолировать детектор откосмические лучи и другой радиационный фон.

Впервые антинейтрино были обнаружены в 1950-х годах возле ядерного реактора. Рейнес и Коуэн использовали две мишени, содержащие раствор хлорида кадмия в воде. Рядом с кадмиевыми мишенями размещались два сцинтилляционных детектора. Антинейтрино с энергией выше порога1,8 МэВ вызвали взаимодействие заряженного тока с протонами в воде с образованием позитронов и нейтронов. Это очень похоже на
β⁺
распад, где энергия используется для преобразования протона в нейтрон, позитрон (
е⁺
) и электронное нейтрино (
ν
_е) испускается:

Из известных
β⁺
разлагаться:

Энергия +
п
→
п
+
е⁺
+
ν
_е

В эксперименте Коуэна и Райнеса вместо выходящего нейтрино у вас есть входящий антинейтрино (
ν
_е) от ядерного реактора:

Энергия (>1,8 МэВ ) +
п
+
ν
_е →
п
+
е⁺

В результате аннигиляция позитронов с электронами в материале детектора создала фотоны с энергией около 0,5 МэВ . Совпадающие пары фотонов могут быть обнаружены двумя сцинтилляционными детекторами выше и ниже цели. Нейтроны захватывались ядрами кадмия, что приводило к образованию гамма-излучения с8 МэВ, которые были зарегистрированы через несколько микросекунд после фотонов от события аннигиляции позитрона.

С тех пор использовались различные методы обнаружения. Супер Камиоканде - это большой объем воды, окруженный фотоумножителями, которые следят за черенковским излучением, испускаемым, когда входящее нейтрино создает электрон или мюон в воде. Садбери нейтринная обсерватория аналогична, но использовал тяжелую воду в качестве детектирующей среды, которая использует те же самые эффекты, но и позволяет дополнительно реакция любого аромату нейтрино фото-диссоциации дейтерия, в результате свободного нейтрона , который затем детектируемый из гаммы - излучения после улавливания хлора. Другие детекторы содержат большие объемы хлора илигаллий, которые периодически проверяются на наличие избытков аргона или германия соответственно, которые создаются электронными нейтрино, взаимодействующими с исходным веществом. MINOS использовал твердый пластиковый сцинтиллятор, соединенный с фотоумножительными трубками, в то время как Borexino использует жидкий псевдокуменовый сцинтиллятор, за которым также наблюдают фотоумножительные трубки, а в детекторе NOνA используется жидкий сцинтиллятор, за которым наблюдают лавинные фотодиоды . В обсерватории IceCube Neutrino использует1 км ³ из антарктического ледяного покрова вблизи южного полюса с фотоэлектронных умножителей , распределенных по всему объему.

В детекторе ND280 Ливерпульского университета используется новое применение детекторов света в гадолиниевом корпусе в магнитном поле с регулируемой температурой, улавливающих события двойных световых импульсов. Эксперимент T2K разработал технологию, и практические эксперименты были успешными как в Японии, так и на электростанции Wylfa. ^[100]

Научный интерес [ править ]

Малая масса и нейтральный заряд нейтрино означают, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами и полями. Эта особенность слабого взаимодействия интересует ученых, потому что это означает, что нейтрино можно использовать для исследования среды, в которую не может проникнуть другое излучение (например, свет или радиоволны).

Использование нейтрино в качестве зонда было впервые предложено в середине 20 века как способ обнаружения условий в ядре Солнца. Солнечное ядро ​​невозможно отобразить напрямую, потому что электромагнитное излучение (например, свет) рассеивается большим количеством и плотностью материи, окружающей ядро. С другой стороны, нейтрино проходят через Солнце с небольшим количеством взаимодействий. В то время как фотонам, испускаемым из ядра Солнца, может потребоваться 40 000 лет для диффузии во внешние слои Солнца, нейтрино, генерируемые в реакциях звездного синтеза в ядре, пересекают это расстояние практически беспрепятственно со скоростью, близкой к скорости света. ^{[101] [102]}

Нейтрино также полезны для исследования астрофизических источников за пределами Солнечной системы, потому что они являются единственными известными частицами, которые не сильно ослабляются в результате своего путешествия через межзвездную среду. Оптические фотоны могут затеняться или рассеиваться пылью, газом и фоновым излучением. Космические лучи высоких энергий в виде быстрых протонов и ядер атомов не могут преодолевать расстояние более 100  мегапарсек из-за предела Грейзена – Зацепина – Кузьмина ( граница ГЗК). Нейтрино, напротив, могут путешествовать даже на большие расстояния практически без ослабления.

Галактическое ядро Млечного Пути полностью закрыто плотным газом и множеством ярких объектов. Нейтрино, образующиеся в ядре Галактики, можно измерить с помощью нейтринных телескопов с Земли . ^[18]

Еще одно важное применение нейтрино - это наблюдение сверхновых , взрывов, которые заканчивают жизнь очень массивных звезд. Фаза коллапса ядра сверхновой - чрезвычайно плотное и энергичное событие. Он настолько плотный, что никакие известные частицы не могут покинуть передний фронт ядра, кроме нейтрино. Следовательно, известно, что сверхновые выделяют примерно 99% своей лучистой энергии за короткий (10 секунд) всплеск нейтрино. ^[103] Эти нейтрино - очень полезный зонд для изучения коллапса активной зоны.

Масса покоя нейтрино - важная проверка космологических и астрофизических теорий (см. Темная материя ). Значение нейтрино в исследовании космологических явлений так же велико, как и любой другой метод, и, таким образом, является одним из основных направлений исследований в астрофизических сообществах. ^[104]

Изучение нейтрино важно в физике элементарных частиц, потому что нейтрино обычно имеют наименьшую массу и, следовательно, являются примерами частиц с наименьшей энергией, теоретизированными в расширениях Стандартной модели физики частиц.

В ноябре 2012 года американские ученые использовали ускоритель элементарных частиц, чтобы отправить когерентное нейтринное сообщение через 780 футов скалы. Это знаменует собой первое использование нейтрино для связи, и будущие исследования могут позволить отправлять двоичные нейтринные сообщения на огромные расстояния даже через самые плотные материалы, такие как ядро ​​Земли. ^[105]

В июле 2018 г. IceCube нейтринной обсерватории объявили , что они проследили чрезвычайно-нейтрино высоких энергий , которые поражают своей Антарктида на основе научно - исследовательской станции в сентябре 2017 обратно в исходную точку в блазара TXS 0506 +056 расположенного 3,7 миллиарда световых лет в сторону созвездия Ориона . Это первый раз, когда детектор нейтрино был использован для определения местоположения объекта в космосе и что был идентифицирован источник космических лучей . ^{[106] [107] [108]}

См. Также [ править ]

• Список нейтринных экспериментов
• Колебания нейтрино
• Нейтринная астрономия
• Астрономия с несколькими мессенджерами  - скоординированное наблюдение и интерпретация разрозненных сигналов "мессенджеров", созданных различными астрофизическими процессами.

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Найдите нейтрино в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Каспер, Дэйв. "Что такое нейтрино?" . Калифорнийский университет в Ирвине .
• «Нейтрино освобождено» . Он-лайн обзор и электронный архив по нейтринной физике и астрофизике .
• Призрачная частица (документальный фильм). Новая звезда. Бостон, Массачусетс: WGBH.
• «Все Нейтрино» . Фермилаб .
• «Вселенная, погруженная в море охлажденных нейтрино» . Новый ученый . 5 марта 2008 г.
• «Индустрия нейтринных осцилляций» .
• «Поиск безнейтринного двойного бета-распада с обогащенным 76Ge в Гран-Сассо 1990–2003» (PDF) . 27 сентября 2007 г. Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2007 г.
• Джордж Джонсон (28 апреля 2002 г.). «Космическое увеличение веса: тонкая частица набухает» . Нью-Йорк Таймс .
• «Нейтрино« призрачная частица », определенная астрономами» . BBC News . 22 июня 2010 г.
• Меррифилд, Майкл; Коупленд, Эд; Боули, Роджер (2010). «Нейтрино» . Шестьдесят символов . Ноттингемский университет - через Брэди Харана .
• Коуэн, Клайд. «Нейтрино с доктором Клайдом Л. Коуэном» . Лекция о проекте «Полтергейст».
• «Письмо Паули с изложением гипотезы нейтрино» . Декабрь 1930 г. (онлайн и проанализированы, для английской версии нажмите «Télécharger»)