Nobel-díj a fizikában
főszereplők
Az oszcilláló neutrínók ezért. Egy bizonyos típusú neutrínó, például elektronikus, nem rendelkezik állandó tömeggel. Ez a neutrínóállapotok szuperpozíciója határozott és különböző tömeggel: ν1. v2. v3. A muon neutrínó ugyanazon ν1 kvantum szuperpozíciója is. v2. és ν3. de csak ez egy másik szuperpozíció. Az elemi részecskékkel reakcióval született neutrínosok bizonyos típusúak. és egy bizonyos tömegű neutrínó elterjedhet az űrben. Amikor tiszta elektron neutrínia születik, három tömegkomponense nagyon egyértelműen szinkronizálódik egymással. De ahogy a mozgás mozog, ez a kiegyenlítés elveszik, és egy tiszta elektronikus neutrínia megszerzi a "muonness" bizonyos mértékét. Mindez tiszta kvantumhatás az összes dicsőségében, kvantummechanika demonstrációja kilométermérlegen.
Ábra. 1. Az alakváltozás illusztrációja egy muonikai fajtának egy neutrínójának egy elektronikus neutrínóba, majd vissza a muonikává. Kép a physicsworld.com-ról
A színészek második csoportja a Nap, a Föld és a légkör, vagyis azok a helyek, ahol a neutrínók születnek. A nap középpontjaiból kifelé távozik a neutronok hatalmas áramlása, a termonukleáris fúzió reakciókörülményeitől. A légkörben nagy neutronos fluxus is keletkezik, amikor a Földet kozmikus sugarakkal bombázzák. Mindkét fluxust jól mérik a neutrínó detektorok, és mindkettő a 20. század végén erősen megegyezik az elméleti előrejelzésekkel. Ez a két neutrínó anomáliája, a napsugárzás és az atmoszférikus, ezután a fizikusok állandó fejfájásainak forrása lett.
És végül, a főszereplők - két együttműködések, Super-Kamiokande Japánban és SNO (Sudbury Neutrino Observatory), Kanada két csapat a kísérleti fizikusok, akik először egyértelműen bizonyította a valóság neutrínóoszcilláció és elegáns mozgás lehetővé tette a két neutrínó puzzle. Hangsúlyozzuk, hogy a díjat a vezetők és ihletői e csoportok Takaaki Kaji (Takaaki Kajita) és Arthur Macdonald (Arthur B. McDonald), - tisztelgés a Nobel hagyomány; A díjazásnak tulajdonított valódi tudományos érdemek teljes egészében az együttműködéshez tartoznak.
Action Arena
Az első cselekedet: a légköri neutrínók problémája
A földet folyamatosan bombázzák különböző energiák, főleg protonok (pl. Protonok) kozmikus sugarai. A légkörben magas molekulákkal szemben a szekunder részecskék, köztük a pi-mezonok áramlását okozzák. Ha a p-meson nem ragad be egy másik magba az út mentén, akkor viszont egy muonba és egy muon antineutrino-ba bomlik. Továbbá a muon egy elektronba, egy muon neutrínóba és egy elektron antineutrino-ba bomlik. Ennek a láncolatnak köszönhetően a neutrínó eléri a Földet νμ: νe = 2: 1 arányban. (Pontosabban: a légköri neutrínok fluxusa a neutrínók és az antineutrinok teljes fluxusát jelenti).
Ez egy kissé idealizált helyzet; feltételezi, hogy a muonok bomlanak, mielőtt összeütköznének a Földdel. Ez olyan mértékű energiaigényű, 1 GeV alatt van. A magasabb energiájú muonok esetében a bomlás olyan lassú, hogy elérik a Földet és kölcsönhatásba lépnek ott. Ezután nem termelnek neutrínópárt, ami azt jelenti, hogy a νμ: νe arány átlagosan tovább növekszik. Az 1980-as évektől azonban a kísérletek sokkal kisebb arányt mutattak, mint az áhított kenyeret - és ez a rejtély.
1983-ban Japánban kísérletet indítottak Kamiokande-nak, amelynek eredeti célja egy proton bomlása. Az érzékelő egy nagy földalatti ciszterna, amely egy régi bányában helyezkedik el a hegyen belül, és tele van ultrapure vízzel. Az érzékelő belső falai teljesen érzékeny fotomultiplikátorokkal vannak lefedve, amelyek a munkadarab belsejében lévő eseményből villámgyorsan érzékelik. Az elektron vagy muonaváltozat elégséges neutrínói energiája, amely összeütközik az atommaggal, elektronba vagy muonba fordul, amely nagy sebességgel repül és fényt bocsát ki a Vavilov-Cerenkov-hatás miatt. Ennek köszönhetően az érzékelő nem csak a neutrínókat érzékeli, hanem meghatározza a rendezést, energiát és az érkezés irányát - ez pedig egyszerűbb akkumulációs kísérletektől különbözteti meg, amelyek egyszerűen számolják a neutrínókat. Igaz, ez a kimutatási módszer csak a száz MeV fölötti energiákon működik, de a légköri neutrínók számára, hogy elérjék az ilyen energiákat, nem jelent problémát.
Azt is meg kell mondani, hogy mivel a Föld a neutrínók számára átlátszó, bárhonnan repülhetnek, beleértve a Föld ellenkező oldalát is, és nem csak a detektor feletti légkörből. A neutrínók érkezési irányának mérése alapján megtudhatja, hol született. Ezért a kutatók nemcsak az energia szempontjából képesek terjeszteni az eloszlást, hanem a neutrínó érkezésének szögét is.
Ábra. 4. Csúsztassa a Takaaka Kajita bemutatását, világosan jelezve, hogy a neutrínók oscillálnak. A symmetrymagazine.org nevű kép
Az elektronikus neutrínók esetében ilyen szabályosságot nem figyeltek meg (5. Ha nem volt oszcilláció, az alulról és felülről érkező áramok megközelítőleg egyenlőek lennének. A távoli muon neutrínók "eltűnése" azt jelenti, hogy az érzékelőjüknek ezer kilométeres pályáján lényeges részük további neutrínókká változott. Ezenkívül még tisztázni is lehet: ezek nem elektronikus neutrínók, mivel azok áramlása sokat nem változott; akkor ez egy tau-neutrino, amelyet az érzékelő nem követett.
Ábra. 5. Az alacsony és nagy energiájú elektronikus és muon neutrínók áramlása különböző irányokból származik. A θ szöget a zenitből mérjük; a cos θ = 1 érték egy neutrínónak felel meg, amely felülről lefelé mozog, cos θ = -1 - alulról felfelé, cos θ = 0 - vízszintesen halad. A kék rudak mutatják a várható fluxust, feltételezve, hogy a neutrínók nem oszcillálnak, a piros hisztogram egy fluxus, amelyen oszcillációra van szükség. A Nobel-bizottság által a Svéd Tudományos Akadémia fizikai részlege által készített Neutrino oszcillációról készült grafikon
Hozzá kell tenni, hogy a neutrínó-rezgések javára a kezdeti bizonyítékokat az "eltűnési kísérletekben" kapták meg. Ezek a kísérletek olyanok, amikor mérjük az áramlást, látjuk, hogy a vártnál gyengébb, és feltételezzük, hogy a keresett neutrínók másfajtavá váltak. A nagyobb meggyõzõdés érdekében ugyanazt a folyamatot kell követnie közvetlenül a neutrínók "kísérletezésénél". Ezeket a kísérleteket most végzik, és eredményeik összhangban vannak az eltűnés kísérleteivel. Például a CERN-nek van egy különleges gyorsító vonala, amely a muon neutrínók erőteljes gerjesztését "gurítja" az olasz Gran Sasso laboratórium felé, amely 732 km-re található. Telepítve Olaszországban, az OPERA detektor keresi ezt a tau neutrínó áramot. Öt évig az OPERA már 5 tau neutrínót fogott, így ez végül bizonyítja a korábban felfedezett oszcillációk valóságát.
A második cselekedet: egy szoláris anomália
A neutrínófizika második rejtélye, amely megoldást igényelt, a napenergia neutrínóira vonatkozott. A neutronok a termonukleáris fúzió során a Nap középpontjában születtek, ezek a reakciók kísérik őket, melynek köszönhetően a Nap ragyog. A modern asztrofizikának köszönhetően tudatában vagyunk annak, hogy mi történjen a Nap közepén, ezért kiszámolhatjuk a neutrínók és a Földre eső fluxus termelésének mértékét. Miután megmértük ezt a folyamatot a kísérletben (6. Ábra), így először nézzünk közvetlenül a Nap középpontjába, és ellenőrizzük, mennyire értik meg a szerkezetét és a munkáját.
Ábra. 6. A Nap-neutrínók áramlása napelemes neutrínákban kifejezve, a Homestake-kísérlet eredményei szerint. A piros pontozott vonal a szolár standard modell jóslatait mutatja. Kép: lappweb.in2p3.fr
Annak a bizalomnak, hogy az érzékelő helyesen működik, annyira nagy volt, hogy sok fizikus azt hitte, hogy az asztrofizikai elméleti előrejelzések valahol elmaradtak - túlságosan bonyolult folyamatok zajlottak a Nap közepén. Az asztrofizikusok azonban finomították a modellt, és ragaszkodtak a jóslatok megbízhatóságához. Így a probléma nem tűnt el, és magyarázatot kért.
Természetesen itt is a teoretikusok már régóta gondolkodtak a neutrínói rezgéseken. Feltételezték, hogy az elektronikus neutrínók napelem belső részéből muon vagy tau alakul át. Mivel kísérleteket, mint az Homestake és GALLEX miatt fogási eszköz csak elektron neutrínó, ők, és találtuk magunkat rövid. Sőt, a 70-80-as években elmélet jósolta, hogy a neutrínók szaporítóanyag a Nap belsejében kell oszcillál kicsit másképp, mint a vákuum (ezt a jelenséget nevezik Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein), ami szintén segíthet a napenergia anomália magyarázatot .
A napsemleges neutrínók problémájának megoldásához egy egyszerű, látszólagos dologra volt szükség: olyan detektort kell készíteni, amely képes felvenni az összes neutrínófajta teljes áramlását, és külön-külön az elektronikai neutrínóáramot. Ezután biztos lehet benne, hogy a Nap belsejében keletkező neutrínók nem tűnnek el, de egyszerűen megváltoztatják a rendszert. De a neutrínó energiájának kicsi volta miatt ez problémás volt: elvégre nem tudnak átalakulni egy muonból vagy tau leptonból. Tehát meg kell keresned őket valahogy másképp.
A Super-Kamiokande detektor megpróbálta megbirkózni ezzel a feladattal, elasztikus neutrínószórással az atom elektronjain, és rögzíti az elektron visszajöveteleit. Az ilyen folyamat elvileg érzékeny mindenféle neutrínóznak, de a gyenge kölcsönhatás jellemzői miatt az elnyomó hozzájárulást az elektron neutrínó biztosítja. Ezért a teljes neutrínóáram érzékenysége gyenge volt.
És itt a döntő szót egy másik neutrínó detektor, SNO mondja. Ebben, a Super-Kamiokande-tól eltérően, deutériumot nem rendes, de nehéz vizet használtak. A deutériummag, a deuteron egy gyengén kötött rendszer egy proton és egy neutron. A neutrínók több MeV energiával való hatásából a deuteron bomlik protonba és neutronba: ν + d → ν + p + n. Ez a folyamat, az úgynevezett semleges gyenge kölcsönhatás komponens (hordozó - Z-bozon) rendelkezik azonos érzékenysége mindhárom típusú neutrínók, és ez könnyen által rögzített neutronbefogási és kijelzése deutérium atommag gamma-kvantum. Ezenkívül az SNO külön-külön detektálhat tisztán elektronikus neutrínokat a deuteronból két protonra osztással, ν e + d → e + p + p. ami a gyenge kölcsönhatások töltött összetevője (hordozó - W-bozon) miatt következik be.
Ábra. 7. Elektronikus (vízszintesen) és muon plus tau neutrínók (függőlegesen) áramlik a Napból. A szürke sáv a Super-Kamiokande eredménye, a színsávok az SNO kísérlet eredményei, amelyeket különböző módon nyertek. A zenekart szaggatott vonalak határolják. - a szoláris modell előrejelzései. Jelölés: CC - a gyenge kölcsönhatások része, NC - semleges rész, ES - elasztikus szóródás elektronokon keresztül. A Nobel-bizottság által a Svéd Tudományos Akadémia fizikai részlege által készített Neutrino oszcillációról készült grafikon
Harmadik aktus, folyamatban van
Ezután a század fordulóján további neutrínó kísérleteket végeztünk. És bár a fizikusok régóta gyanítottak, hogy a neutrínók rezegnek, a Super-Kamiokande és az SNO olyan vitathatatlan érveket mutatott be - ez a tudományos érdeme. Miután az eredményeket neutrínó fizika ismét volt egy fázisátalakulás: vulkáni folyadékgyülem minden probléma eltűnt, és a rezgéseket vált tény, a téma a kísérleti kutatás, nem csak elméleti megfontolások. A neutronfizika a robbanásszerű növekedés szakaszán ment keresztül, és most az elemi részecskefizika egyik legaktívabb területe. Lehetővé teszi, hogy a rendszeres új felfedezések a világ elindított egy új kísérleti berendezés - detektorok légköri, hely, reaktor, gázpedál neutrínók - és több ezer elmélet próbálják megtalálni a mért paraméterek neutrínó tippeket az új fizika.
Lehetőség van arra, hogy előbb-utóbb sikerül, hogy a keresés találni egy elmélet, amely felváltaná a standard modell, akkor kapcsolja össze több észrevételt és lehetővé teszi a természetes módon megmagyarázni neutrínó tömege és rezgések, és a sötét anyag és az eredete az aszimmetria az anyag és az antianyag az a mi világunk, és más rejtvények. Az a tény, hogy a neutrínó szektor kulcsszerepet játszott ebben a kutatásban, nagyrészt a Super-Kamiokande és az SNO-nak köszönhető.