Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Проблема солнечного нейтрино касается большого расхождения между потоком солнечных нейтрино , как предсказано из Sun «S светимости и измеренных непосредственно. Расхождение впервые наблюдалось в середине 1960-х годов и окончательно разрешилось примерно в 2002 году.

Поток нейтрино на Земле составляет несколько десятков миллиардов на квадратный сантиметр в секунду, в основном из ядра Солнца . Тем не менее их трудно обнаружить, потому что они очень слабо взаимодействуют с веществом, пересекая всю Землю, как свет делает тонкий слой воздуха. Из трех типов ( ароматов ) нейтрино известных в стандартной модели в физике элементарных частиц , Солнце производит только электронные нейтрино . Когда детекторы нейтриностал достаточно чувствительным, чтобы измерить поток электронных нейтрино от Солнца, обнаруженное число оказалось намного меньше, чем предполагалось. В различных экспериментах дефицит численности составлял от половины до двух третей.

Физики элементарных частиц знали, что механизм, обсужденный еще в 1957 году Бруно Понтекорво , может объяснить дефицит электронных нейтрино. [ необходима цитата ] Однако они не решались принять его по разным причинам, включая тот факт, что это требовало модификации принятой Стандартной модели. Сначала они указали на солнечную модель для корректировки, которая была исключена. Сегодня принято считать, что нейтрино, рожденные на Солнце, не являются безмассовыми частицами, как предсказывает Стандартная модель, а скорее смешанными квантовыми состояниями, состоящими из собственных состояний с определенной массой в различных ( сложных ) пропорциях. Это позволяет нейтрино, полученному как чистое электронное нейтрино,изменяются при распространении в смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино с уменьшенной вероятностью обнаружения детектором, чувствительным только к электронным нейтрино.

Несколько детекторов нейтрино, нацеленных на разные ароматы, энергии и пройденное расстояние, внесли свой вклад в наши нынешние знания о нейтрино. В 2002 и 2015 годах в общей сложности четыре исследователя, связанные с некоторыми из этих детекторов, были удостоены Нобелевской премии по физике .

Фон [ править ]

Солнце осуществляет ядерный синтез посредством протон-протонной цепной реакции , которая превращает четыре протона в альфа-частицы , нейтрино , позитроны и энергию. Эта энергия выделяется в форме электромагнитного излучения, в виде гамма-лучей , а также в форме кинетической энергии заряженных частиц и нейтрино. Нейтрино перемещаются от ядра Солнца к Земле без какого-либо заметного поглощения внешними слоями Солнца.

В конце 1960 - х годов, Рэй Дэвис и Джон Бакал «s Homestake Эксперимент был первым , чтобы измерить поток нейтрино от Солнца и обнаружить дефицит. В эксперименте использовался детектор на основе хлора . Многие последующие радиохимические и водяные черенковские детекторы подтвердили этот дефицит, включая обсерваторию Камиока и нейтринную обсерваторию Садбери .

Ожидаемое количество солнечных нейтрино было вычислено с использованием стандартной солнечной модели , которую помог установить Бахколл. Модель дает подробный отчет о внутренней работе Солнца.

В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба выиграли часть Нобелевской премии по физике за экспериментальную работу, в ходе которой было обнаружено, что количество солнечных нейтрино составляет около трети от числа, предсказываемого стандартной солнечной моделью. [1]

В знак признания убедительных доказательств, предоставленных экспериментами 1998 и 2001 годов "для осцилляции нейтрино", Такааки Кадзита из обсерватории Супер-Камиоканде и Артур Макдональд из нейтринной обсерватории Садбери (SNO) были удостоены Нобелевской премии по физике 2015 года . [2] [3] Нобелевский комитет по физике, однако, ошибся, упомянув нейтринные осцилляции в отношении эксперимента SNO: для высокоэнергетических солнечных нейтрино, наблюдаемых в этом эксперименте, это не осцилляции нейтрино, а осцилляции Михеева – Смирнова– Эффект Вольфенштейна . [4] [5] Бруно Понтекорво не был включен в эти Нобелевские премии с тех пор, как умер в 1993 году.

Предлагаемые решения [ править ]

Ранние попытки объяснить это несоответствие предполагали, что модели Солнца были неправильными, то есть температура и давление внутри Солнца существенно отличались от предполагаемых. Например, поскольку нейтрино измеряют количество текущего ядерного синтеза, было высказано предположение, что ядерные процессы в ядре Солнца могли временно прекратиться. Поскольку тепловая энергия переходит от ядра к поверхности Солнца за тысячи лет, это не сразу станет очевидным.

Достижения в области гелиосейсмологических наблюдений позволили определить внутренние температуры Солнца; эти результаты согласуются с хорошо известной стандартной солнечной моделью . Подробные наблюдения за спектром нейтрино с более продвинутых нейтринных обсерваторий дали результаты, которые никакая корректировка солнечной модели не могла учесть: в то время как общий более низкий поток нейтрино (который был обнаружен в результате эксперимента Хоумстейка) требовал снижения температуры ядра Солнца, детали в энергии спектр нейтрино требовал более высокоготемпература ядра. Это происходит потому, что разные ядерные реакции, скорость которых по-разному зависит от температуры, порождают нейтрино с разной энергией. Любая корректировка солнечной модели усугубила по крайней мере один аспект несоответствий. [6]

Разрешение [ править ]

Основные статьи: Осцилляции нейтрино и эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна.

Проблема солнечных нейтрино была решена благодаря более глубокому пониманию свойств нейтрино. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует три разновидности нейтрино: электронные нейтрино , мюонные нейтрино и тау-нейтрино . Электронные нейтрино - это те, которые производятся на Солнце, и те, которые обнаруживаются в вышеупомянутых экспериментах, в частности в эксперименте Homestake Mine с детектором хлора.

В 1970-х годах было широко распространено мнение, что нейтрино безмассовые и их ароматы неизменны. Однако в 1968 году Понтекорво предположил, что если нейтрино имеют массу, то они могут меняться от одного аромата к другому. [7] Таким образом, «недостающие» солнечные нейтрино могли быть электронными нейтрино, которые изменились на другие ароматы по пути к Земле, делая их невидимыми для детекторов в шахте Хоумстейк и современных нейтринных обсерваториях.

Сверхновая 1987A показала , что нейтрино может иметь массу , из - за разницы во время прихода нейтрино обнаружена в Kamiokande и ИОМ . [8] Однако, поскольку было зарегистрировано очень мало нейтринных событий, было трудно сделать какие-либо выводы с уверенностью. Если бы у Камиоканде и IMB были высокоточные таймеры для измерения времени прохождения нейтринного взрыва через Землю, они могли бы более точно установить, имеют ли нейтрино массу. Если бы нейтрино были безмассовыми, они бы двигались со скоростью света; если бы у них была масса, они бы двигались со скоростью, немного меньшей, чем скорость света. Поскольку детекторы не предназначались для регистрации нейтрино от сверхновых, это было невозможно сделать.

Убедительное свидетельство осцилляции нейтрино было получено в 1998 году коллаборацией Супер-Камиоканде в Японии. [9] Он произвел наблюдения, согласующиеся с мюонными нейтрино (произведенными в верхних слоях атмосферы космическими лучами ), превращающимися в тау-нейтрино внутри Земли: было зарегистрировано меньше атмосферных нейтрино, проходящих через Землю, чем исходящих непосредственно сверху детектора. Эти наблюдения касались только мюонных нейтрино. На Супер-Камиоканде тау-нейтрино не наблюдалось. Однако результат сделал более правдоподобным тот факт, что дефицит нейтрино с электронным ароматом, наблюдаемый в (относительно низкоэнергетическом) эксперименте Хоумстейк, также связан с массой нейтрино.

Год спустя Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) начала сбор данных. Этот эксперимент направлен на 8 B солнечных нейтрино, которые на уровне около 10 МэВ не сильно влияет на колебания в обоих Солнца и Земли. Тем не менее ожидается большой дефицит из-за эффекта Михеева – Смирнова – Вольфенштейна, который был рассчитан Алексеем Смирновым в 1985 году. Уникальная конструкция SNO, использующая большое количество тяжелой воды в качестве среды обнаружения, была предложена Хербом Ченом также в 1985 году. [ 10] SNO наблюдала электронные нейтрино, в частности, и все разновидности нейтрино, вместе взятые, отсюда и часть электронных нейтрино. [11]После обширного статистического анализа коллаборация SNO определила, что эта доля составляет около 34% [12], что полностью соответствует прогнозу. Общее количество зарегистрированных нейтрино 8 B также согласуется с тогдашними приблизительными предсказаниями солнечной модели. [13]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Нобелевская премия по физике 2002" . Проверено 16 февраля 2020 .
  2. ^ «Нобелевская премия по физике 2015» . Проверено 16 февраля 2020 .
  3. Рианна Уэбб, Джонатан (6 октября 2015 г.). «Флип нейтрино» удостоен Нобелевской премии по физике . BBC News . Проверено 6 октября 2015 года .
  4. ↑ Алексей Ю. Смирнов : "Солнечные нейтрино: колебания или отсутствие осцилляций?" 8 сентября 2016 г., arXiv : 1609.02386 .
  5. ↑ Адриан Чо: «Нобелевский комитет неправильно понял физику?» Science , 14 декабря 2016 г., DOI: 10.1126 / science.aal0508 .
  6. ^ Хэкстон, туалет Годовой обзор астрономии и астрофизики, том 33, стр. 459-504, 1995.
  7. ↑ Грибов, В. (1969). «Нейтринная астрономия и лептонный заряд». Физика Письма Б . 28 (7): 493–496. Полномочный код : 1969PhLB ... 28..493G . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (69) 90525-5 .
  8. ^ В. Дэвид Арнетт и Джонатан Л. Рознер (1987). «Пределы массы нейтрино из SN1987A». Письма с физическим обзором . 58 (18): 1906–1909. Bibcode : 1987PhRvL..58.1906A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.58.1906 . PMID 10034569 . 
  9. ↑ Эдвард Кирнс, Такааки Кадзита и Ёдзи Тоцука: «Обнаружение массивных нейтрино». Scientific American , август 1999 г.
  10. ^ HH Чен, «Прямой подход к решению проблемы солнечных нейтрино», Physical Review Letters 55, 1985, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.55.1534 .
  11. ^ QR Ахмад и др., "Измерение скорости взаимодействий ν e + d → p + p + e - производимых 8 B солнечных нейтрино в нейтринной обсерватории Садбери", Physical Review Letters 87, 2001, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.87.071301 .
  12. ^ A. Bellerive et al. (Сотрудничество с SNO): «Нейтринная обсерватория Садбери». Nucl. Phys. B 908, 2016, arXiv : 1602.02469 .
  13. ^ Suzuki, Yoichiro (2000), "Солнечный Нейтрино" (PDF) , Международный журнал современной физики А , 15 : 201-228, Bibcode : 2000IJMPA..15S.201S , DOI : 10,1142 / S0217751X00005164

Внешние ссылки [ править ]

  • Данные о солнечных нейтрино
  • Раскрытие тайны пропавшего нейтрино
  • Журнал Рэймонда Дэвиса-младшего
  • Нова - Призрачная частица
  • Проблема солнечного нейтрино , Джон Н. Бэколл
  • Проблема солнечного нейтрино, Л. Стокман
  • Набор фотографий различных детекторов нейтрино
  • Веб-сайт Джона Бахколла