Oscilații ale neutrinilor. Oscilații neutrino

Neutrinii - la fel ca leptonii încărcați (electron, muon, tau), cuarcii sus (sus, farmec, adevărat) și cuarcii down (jos, ciudat, farmec) - vin în trei tipuri. Dar ele pot fi împărțite în tipuri în moduri diferite. Mai mult, datorită naturii cuantice a lumii noastre, doar unul dintre ele poate fi folosit la un moment dat. În acest articol voi explica de ce se întâmplă acest lucru și cum acest fapt duce la un fapt atât de interesant și important din punct de vedere științific precum oscilațiile neutrinilor.

Ai putea crede că fiecare particulă are o anumită masă - de exemplu, energia masei electronilor este (E = mc 2) 0,000511 GeV - și dintr-un punct de vedere posibil, cele trei tipuri de neutrini nu fac excepție. Putem clasifica cei trei neutrini după masele lor (care nu sunt încă cunoscute cu exactitate) și îi putem numi, de la cel mai ușor la cel mai greu, neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3. Vom numi această diviziune clasificare a masei, iar aceste tipuri de neutrini – tipuri de masă.


Orez. 1

O altă modalitate de a clasifica neutrinii este prin asocierea lor cu leptonii încărcați (electron, muon și tau). Acest lucru este menționat în articol despre cum ar arăta particulele dacă câmpul Higgs ar fi zero. Cel mai bun mod de a înțelege acest lucru este să vă concentrați asupra modului în care neutrinii sunt afectați de forța nucleară slabă, care se reflectă în interacțiunile lor cu particula W. Particula W este foarte grea și, dacă o produceți, se poate descompune (Figura 1). ) într-unul din trei antileptoni încărcați și unul din trei neutrini. Dacă W se descompune în anti-tau, va apărea un neutrin tau. În mod similar, dacă W se descompune într-un antimuon, va apărea un neutrin muon. (Critic pentru crearea unui fascicul de neutrini, pionul se descompune prin interacțiuni slabe, iar pionii încărcați pozitiv produc un antimuon și un neutrin muon). Și dacă W se descompune într-un pozitron, va apărea un neutrin electronic. Să numim asta o clasificare slabă, iar acești neutrini sunt neutrini de tip slab, deoarece sunt determinați de interacțiunea slabă.

Ei bine, care este problema aici? Folosim în mod constant diferite clasificări pentru a le aplica oamenilor. Vorbim despre faptul că oamenii sunt tineri, adulți și bătrâni; sunt înalți, de înălțime medie și scunzi. Dar oamenii pot fi împărțiți în continuare după bunul plac, de exemplu, în nouă categorii: tineri și înalți, tineri și înălțime medie, adulți și scunzi, vârstnici și scunzi și așa mai departe. Dar mecanica cuantică ne interzice să facem același lucru cu clasificările neutrinilor. Nu există neutrini care să fie atât neutrini muoni cât și neutrini-1; Nu există neutrino-3 tau. Dacă vă spun masa unui neutrin (și, prin urmare, dacă aparține grupului de neutrini 1, 2 sau 3), pur și simplu nu vă pot spune dacă este un electron, un muon sau un neutrin tau. Un neutrin de un anumit tip de masă este un amestec, sau „suprapoziție”, a trei neutrini de un tip slab. Fiecare neutrin de masă - neutrin 1, neutrin 2 și neutrin 3 - este un amestec precis, dar distinct de neutrini de electroni, muoni și tau.

Este adevărat și contrariul. Dacă văd dezintegrarea unui pion într-un antimuon și un neutrin, voi ști imediat că neutrinul rezultat va fi un neutrin muon - dar nu voi putea să-i cunosc masa, deoarece va fi un amestec de neutrin 1, neutrin 2 și neutrino 3 . Un neutrin electronic și un neutrin tau sunt, de asemenea, amestecuri precise, dar diferite, de trei neutrini de anumite mase.

Relația dintre aceste tipuri masive și slabe este mai asemănătoare cu (dar nu exact aceeași cu) relația dintre clasificările autostrăzilor americane ca „nord-sud” și „vest-est” (guvernul SUA le împarte astfel prin atribuirea numere impare către autostrăzi C/ S și chiar drumuri simple V/E) și împărțirea lor în drumuri care merg de la „nord-est la sud-vest” și de la „sud-est la nord-vest”. Există avantaje în utilizarea oricăreia dintre clasificări: clasificarea N/S – V/E este potrivită dacă vă concentrați pe latitudine și longitudine, în timp ce clasificarea NE/SW – SE/NV va fi mai utilă în apropierea coastei, deoarece pornește de la de la sud-vest la nord-vest.Est. Dar ambele clasificări nu pot fi folosite în același timp. Drumul care merge spre nord-est este parțial nord și parțial est; Nu poți spune că ea este nici asta, nici asta. Și drumul de nord este un amestec de nord-est și nord-vest. La fel este și cu neutrinii: neutrinii de tip masă sunt un amestec de neutrini de tip slab, iar neutrinii de tip slab sunt un amestec de neutrini de masă. (Analogia se descompune dacă decideți să utilizați clasificarea rutieră îmbunătățită N/S - NE/SW - E/V - SE/NW; nu există o astfel de opțiune pentru neutrini).

Incapacitatea de a clasifica neutrinii într-un anumit tip de masă și într-un anumit tip slab este un exemplu al principiului incertitudinii, similar cu ciudățenia care interzice cunoașterea poziției exacte și a vitezei exacte a unei particule în același timp. Dacă cunoști exact una dintre aceste proprietăți, habar n-ai despre cealaltă. Sau puteți afla ceva despre ambele proprietăți, dar nu despre toate. Mecanica cuantică vă spune exact cum să vă echilibrați cunoștințele și ignoranța. Apropo, aceste probleme nu se aplică doar neutrinilor. Ele sunt, de asemenea, asociate cu alte particule, dar sunt deosebit de importante în contextul comportamentului neutrinilor.

Cu câteva decenii în urmă, totul era mai simplu. La acea vreme se credea că neutrinii nu aveau masă, așa că era suficient să folosim o clasificare slabă. Dacă te uiți la hârtii vechi sau la cărți vechi pentru oameni obișnuiți, vei vedea doar nume precum neutrinul electronic, neutrinul muon și neutrinul tau. Cu toate acestea, după descoperirile din anii 1990, acest lucru nu mai este suficient.

Și acum începe distracția. Să presupunem că aveți neutrini de tip electron de înaltă energie, adică un anumit amestec de neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3. Neutrinii se mișcă prin spațiu, dar cele trei tipuri diferite de masă ale lor se mișcă la viteze ușor diferite, foarte aproape de viteza luminii. De ce? Deoarece viteza unui obiect depinde de energia și masa acestuia, iar cele trei tipuri de masă au trei mase diferite. Diferența dintre vitezele lor este extrem de mică pentru orice neutrin pe care îl putem măsura - nu a fost niciodată observat - dar efectul său este surprinzător de mare!

Diferența de viteză a neutrinului - câteva formule

Viteza unei particule v în teoria relativității a lui Einstein poate fi scrisă prin masa particulei m și energia E (aceasta este energia totală, adică energia mișcării plus energia masei E=mc 2) și viteza luminii c, ca:

Dacă particula are o viteză foarte mare și energia sa totală E este mult mai mare decât energia masei mc 2, atunci

Amintiți-vă că 1/2 înălțat înseamnă „luați rădăcina pătrată”. Dacă particula are o viteză foarte mare și energia sa totală E este mult, mult mai mare decât masa-energia sa mc2, atunci

Unde punctele vă amintesc că această formulă nu este o aproximare exactă, ci o bună aproximare a E mare. Cu alte cuvinte, viteza unei particule care se mișcă aproape cu viteza luminii diferă de viteza luminii cu o sumă egală cu jumătate din pătratul raportului dintre energia masei particulei și energia sa totală. Din această formulă este clar că dacă doi neutrini au mase diferite m 1 și m 2, dar aceeași energie mare E, atunci vitezele lor diferă foarte puțin.

Să vedem ce înseamnă asta. Toți neutrinii măsurați din supernova care a explodat în 1987 au ajuns pe Pământ într-un interval de 10 secunde. Să presupunem că un neutrin electronic a fost emis de o supernova cu o energie de 10 MeV. Acest neutrin a fost un amestec de neutrin 1, neutrin 2 și neutrin 3, fiecare mișcându-se cu o viteză ușor diferită! Am observa asta? Nu știm masele exacte ale neutrinilor, dar să presupunem că neutrino-2 are o energie de masă de 0,01 eV, iar neutrino-1 are o energie de masă de 0,001 eV. Apoi, cele două viteze ale lor, având în vedere că energiile lor sunt egale, vor diferi de viteza luminii și una de cealaltă cu mai puțin de o parte din o sută de mii de trilioane:

(eroarea tuturor ecuațiilor nu depășește 1%). Această diferență de viteză înseamnă că porțiunile Neutrino-2 și Neutrino-1 ale neutrinului electronic original ar ajunge pe Pământ cu o milisecundă una de cealaltă - o diferență care, din mai multe motive tehnice, este imposibil de detectat.

Și acum trecem de la lucruri interesante la cele cu adevărat ciudate.

Această mică diferență de viteză face ca amestecul precis de neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3 care formează neutrinul electron să se schimbe treptat pe măsură ce se deplasează prin spațiu. Aceasta înseamnă că neutrinul electronic cu care am început, în timp, încetează să fie el însuși și corespunde unui amestec specific de neutrino-1, neutrino-2 și neutrino-3. Diferitele mase de neutrini de trei tipuri de masă transformă neutrinii electronici inițiali în procesul de mișcare într-un amestec de neutrini de electroni, neutrini muoni și neutrini tau. Procentele amestecului depind de diferența de viteze și, prin urmare, de energia neutrinului inițial, precum și de diferența de mase (mai precis, de diferența de pătrate ale maselor) neutrinului.

Orez. 2

La început efectul crește. Dar, interesant, așa cum se arată în fig. 2, acest efect nu este doar în creștere constantă. Crește, iar apoi scade din nou, apoi crește din nou, scade din nou, din nou și din nou, pe măsură ce neutrinul se mișcă. Aceasta se numește oscilații de neutrini. Modul exact în care apar depinde de ce mase au neutrinii și de modul în care neutrinii de masă și neutrinii slabi sunt amestecați acolo.

Efectul oscilațiilor poate fi măsurat datorită faptului că un neutrin electronic, la ciocnirea cu un nucleu (și așa poate fi detectat un neutrin), se poate transforma într-un electron, dar nu într-un muon sau tau, în timp ce un muonic electrino se poate transforma într-un muon, dar nu în electron sau tau. Deci, dacă am început cu un fascicul de neutrini muoni, iar după ce au parcurs o anumită distanță, unii neutrini s-au ciocnit de nuclee și s-au transformat în electroni, asta înseamnă că în fascicul au loc oscilații, iar neutrinii muoni se transformă în neutrini electronici.

Un efect foarte important complică și îmbogățește această poveste. Deoarece materia obișnuită este formată din electroni, dar nu muoni sau tau, neutrinii de electroni interacționează cu ea diferit decât muonii sau tau. Aceste interacțiuni, care apar prin forța slabă, sunt extrem de mici. Dar dacă un neutrin trece printr-o grosime mare de materie (să zicem, printr-o fracțiune vizibilă a Pământului sau a Soarelui), aceste mici efecte se pot acumula și afecta foarte mult oscilațiile. Din fericire, știm destule despre interacțiunea nucleară slabă pentru a prezice aceste efecte în detaliu și pentru a calcula întregul lanț înapoi, de la măsurători experimentale până la elucidarea proprietăților neutrinilor.

Toate acestea se fac folosind mecanica cuantică. Dacă acest lucru nu este intuitiv pentru tine, relaxează-te; Nici pentru mine nu este intuitiv. Am obținut toată intuiția pe care am avut-o din ecuații.

Se dovedește că măsurarea cu atenție a oscilațiilor neutrinilor este cea mai rapidă modalitate de a studia proprietățile neutrinilor! Această lucrare a primit deja un premiu Nobel. Toată această poveste reiese din interacțiunea clasică dintre experiment și teorie, care se întinde din anii 1960 până în zilele noastre. Voi aminti cele mai importante măsurători luate.

Pentru început, putem studia neutrinii de electroni produși în centrul Soarelui, în cuptorul său nuclear bine studiat. Acești neutrini călătoresc prin Soare și prin spațiul gol către Pământ. S-a descoperit că atunci când ajung pe Pământ sunt la fel de probabil să fie de tip muon sau tau, precum sunt de tip neutrino electronic. Acest lucru în sine oferă dovezi ale oscilației neutrinului, iar distribuția precisă ne oferă informații detaliate despre neutrin.

Avem și neutrini muoni, care sunt produși prin dezintegrarea pionilor produși în razele cosmice. Razele cosmice sunt particule de înaltă energie care provin din spațiul cosmic și se ciocnesc cu nucleele atomice din atmosfera superioară. Cascadele de particule rezultate conțin adesea pioni, mulți dintre care se descompun în neutrini muoni și antimuoni sau antineutrini muoni și muoni. Detectăm unii dintre acești neutrini (și antineutrini) în detectoarele noastre și putem măsura cât de mulți dintre ei sunt neutrini electronici (și antineutrini) în funcție de cât de mult din Pământ au trecut înainte de a lovi detectorul. Acest lucru ne oferă din nou informații importante despre comportamentul neutrinilor.

Acești neutrini „solari” și „atmosferici” ne-au învățat multe despre proprietățile neutrinilor în ultimii douăzeci de ani (și primul indiciu despre ceva interesant s-a întâmplat acum aproape 50 de ani). Iar acestor surse naturale de energie se adaugă diverse studii efectuate cu ajutorul fasciculelor de neutrini, precum cele folosite în experimentul OPERA, precum și folosind neutrini din reactoare nucleare convenționale. Fiecare dintre măsurători este în mare măsură în concordanță cu interpretarea standard a neutrinilor solari și atmosferici și permite măsurători mai precise ale amestecurilor de neutrini de tip masă și de tip slab și diferențe în masele pătrate ale neutrinilor de tip masă.

Așa cum ar fi de așteptat, există mici discrepanțe cu așteptările teoretice în experimente, dar niciuna nu a fost confirmată și majoritatea, dacă nu toate, sunt doar întâmplări sau probleme statistice la nivel experimental. Până acum, în mai multe experimente nu a fost confirmată nicio contradicție cu înțelegerea neutrinilor și a comportamentului lor. Pe de altă parte, toată această imagine este destul de nouă și prost testată, așa că este foarte posibil, deși puțin probabil, să existe interpretări complet diferite. Într-adevăr, au fost deja propuse alternative destul de serioase. Deci, clarificarea detaliilor proprietăților neutrinilor este un domeniu de cercetare în curs de dezvoltare, în care în cea mai mare parte există acord, dar unele întrebări rămân deschise - inclusiv o determinare completă și irevocabilă a maselor neutrinilor.

Începutul secolului XXI a fost o perioadă de descoperiri senzaționale în domeniul fizicii neutrinilor. Rezultatele obținute până în prezent inițiază studii experimentale și teoretice suplimentare ale proprietăților neutrinilor în două direcții principale:

1. Studierea caracteristicilor neutrinilor de ultra-înaltă energie ca singurele particule care pot oferi științei informații despre zonele îndepărtate ale Universului nostru.
2. Studiul interconversiilor neutrinilor de diferite arome - așa-numitele „oscilații” neutrinilor.

Acest articol este dedicat prezentării principalelor rezultate obținute în această a doua direcție de cercetare.
Neutrinii aparțin fermionilor fundamentali (vezi tabel) Toate particulele indicate în tabel au spin J/ћ. Doisprezece fermioni fundamentali corespund la 12 antifermioni fundamentali.

S-a stabilit existența a trei tipuri de neutrini, care diferă prin numărul cuantic „aromă ( aromă)". Ele corespund la trei tipuri de antineutrini. Numele diferiților neutrini provin de la numele „partenerii” lor încărcați din grupul de leptoni: electron, muon și tau lepton, ale căror mase de repaus sunt, respectiv, 0,511 MeV, 106 MeV și 1777 MeV.
În 1930, Wolfgang Pauli a sugerat că natura continuă a spectrului electronilor de dezintegrare β poate fi explicată prin faptul că, împreună cu electronul în timpul dezintegrarii β, este emisă o particulă fără sarcină cu spin semiîntreg, care nu este detectată. de detectoare convenționale. Studiul spectrelor β a arătat că masa acestei particule ar trebui să fie foarte mică - mult mai mică decât masa unui electron. (Numele acestei particule este neutrin=”neutron” aparţine lui E. Fermi şi a fost introdus în 1932 după descoperirea neutronului).
Prima confirmare experimentală a existenței neutrinilor a fost obținută prin măsurarea energiei cinetice a nucleului de Li produsă în timpul captării unui electron de către un nucleu de beriliu:

7 Fi + e - → 7 Li + ν e .

Printre numeroasele probleme asociate cu fizica neutrinilor, problema masei neutrinilor (antineutrinilor) a atras o atentie deosebita.
Studiul formei spectrelor de dezintegrare β a făcut posibilă afirmarea că masa neutrinilor este foarte mică, iar estimarea acestei valori a devenit din ce în ce mai scăzută de-a lungul anilor. S-au efectuat cercetări pentru acele dezintegrari în care energia totală a electronului și antineutrinului (sau pozitronului și neutrinului) este mică. Această degradare este degradarea tritiului:

Cum se dovedește diferența dintre proprietățile neutrinilor și antineutrinilor? Soarele (ca și alte stele) este o sursă de electroni neutrini datorită reacției de fuziune a deuteronului:

p + p → d + e + + ν e .

Orice reactor nuclear este o sursă puternică de electronică antineutrino, care rezultă din dezintegrarea neutronilor:

n → p + e- + e.

Încercările lui R. Davis de a detecta neutrini dintr-un reactor nuclear folosind o reacție
e + 17 Cl → 17 Ar + e - nu au avut succes. Astfel, s-a dovedit experimental că neutrinii și antineutrinii sunt particule diferite.
Într-o serie mare de experimente realizate de R. Davis, s-a studiat intensitatea reacției ν e + 17 Cl → 17 Ar + e - inițiată de un flux de neutrini produs pe Soare. Experimentele lui Davis, care au fost efectuate pe parcursul a 30 de ani, au arătat că mărimea fluxului măsurat de neutrini solari este semnificativ mai mică decât ar trebui să fie conform modelului Soarelui. Măsurătorile fluxurilor de electroni neutrini de la Soare, efectuate la alte instalații, au arătat invariabil deficiența acestora.
O posibilă explicație pentru acest fenomen este transformarea unui tip de neutrin în altul – așa-numitul. oscilații de neutrini. Ideea oscilațiilor neutrinilor a fost exprimată pentru prima dată de B.M. Pontecorvo.
Diferența dintre neutrini (și antineutrini) de diferite arome se manifestă în reacțiile la care participă neutrinii. Diferența de reacții cauzate de leptoni cu diferite arome a determinat introducerea a trei numere cuantice diferite numite „încărcări de lepton”: L e, L μ, L τ. Leptonii din prima generație (vezi tabelul) au o sarcină de lepton L e = 1, L μ = L τ = 0, a doua L e = 0, L μ = 1, L τ = 0, a treia L e = L μ = 0, L τ =1. Semnele încărcăturii leptone ale antiparticulelor sunt opuse semnelor particulelor. Înainte de stabilirea oscilațiilor neutrinilor ca fapt experimental, se credea că aceste numere cuantice au fost conservate în toate reacțiile. De exemplu, în dezintegrarea π + → μ + + ν μ, un pion care nu are sarcină leptonică se descompune într-un muon pozitiv cu L μ = –1 și un neutrin muon ν μ cu L μ = +1. Astfel, sarcina leptonului este conservată în dezintegrare. În descompunerea muonilor
μ + → e + + ν e + μ încărcăturile leptonilor sunt de asemenea conservate. Într-adevăr, sarcina leptonică a unui muon pozitiv este egală cu L μ = –1, precum și cea a unui antineutrin muonic. Sarcinile leptonului de electroni ale pozitronului și neutrinului electronic sunt egale ca mărime și semn opus. Aceste fapte au condus la concluzia despre existența unor legi exacte de conservare pentru fiecare dintre „tipurile” de încărcături de lepton separat. Confirmarea experimentală a ipotezei despre conservarea exactă a fiecărui tip de sarcină leptonică separat a fost efectuată și la acceleratoare în experimente de căutare a dezintegrarii muonilor într-un electron (pozitron) și un cuantic γ: μ - → e - + γ,
μ + → e + + γ. Faptul că aceste dezintegrari nu au fost depistate se explică prin manifestarea legii conservării încărcăturilor leptonice.
Cu toate acestea, observarea oscilațiilor neutrinilor – i.e. transformările de neutrini de o aromă în neutrini de altă aromă demonstrează că aceste legi de conservare pot fi încălcate. Oscilațiile neutrinilor – iar existența lor a fost deja dovedită – duc la o altă consecință interesantă: neutrinii enumerați în tabelul fermionilor fundamentali nu au o masă strict definită! Funcțiile de undă care le caracterizează sunt suprapuneri ale funcțiilor de undă ale particulelor cu anumite mase, iar oscilațiile sunt o manifestare a naturii undelor cuantice a acestor particule. (Trebuie reamintit că fizica particulelor a întâlnit deja un fenomen similar în studiile despre dezintegrarea mezonilor K neutri). Să luăm în considerare fizica cuantică a oscilațiilor neutrinilor folosind un exemplu simplificat.

Fizica cuantică a oscilațiilor neutrinilor

Dacă numerele leptonilor L e , L μ , L τ nu sunt numere cuantice absolut conservate, iar dacă neutrinii nu au zero, ci mase finite, atunci este posibil ca neutrinii dintr-o „generație” să se transforme în neutrini dintr-o altă „generație”. Acest proces poate fi descris în cadrul fizicii cuantice ca oscilații de neutrini (vezi de exemplu).
Să luăm în considerare procesul oscilațiilor neutrinilor pentru doi neutrini: electroni și muoni. (Generalizarea la trei tipuri de neutrini ar fi prea greoaie.) Funcțiile de undă ale neutrinului electronului și muonului sunt funcții ale timpului și respectă ecuația Schrödinger:

Trecerea de la stările de neutrino ν 1 (t), ν 2 (t) la ν e (t), ν μ (t) și înapoi se realizează printr-o matrice unitară, care este reprezentată convenabil în termeni de cos θ și sin θ a unghiului θ, care va fi numit în continuare „unghi de amestecare”:

	(4)
	(5)

Dacă unghiul de amestecare este 0, nu există amestecare și ν 1 (t), ν 2 (t) coincid cu ν e (t), ν μ (t). (O situație similară apare la θ = π/2 - dar ν 1 (t), ν 2 (t) coincid, respectiv, cu ν μ (t), ν e (t)).
Să luăm în considerare situația când în momentul inițial de timp există un singur tip de neutrini, de exemplu, electron ν μ (t) = 0; ν e (t) = 1. Atunci din (4) rezultă că ν 1 (0) = cos θ; ν 2 (0) = sin θ.
Conform ecuației (3)

(În transformarea (7) se folosesc relații trigonometrice: )
Din (7) obținem intensitatea fluxului de neutrini electronici în funcție de timp:

(Calculul probabilității de detectare a neutrinilor de electroni într-un fascicul constând în principal din neutrini muoni se efectuează exact în același mod și dă același rezultat.)
Astfel, probabilitatea oscilațiilor neutrinilor depinde de trei argumente:

1) din unghiul de amestecare, asociat cu valoarea interacţiunii Hamiltonian H int ;

2) asupra mărimii diferenței

(10)

3) asupra timpului care a trecut de la nașterea unuia sau altui tip de neutrin.

Să luăm în considerare influența fiecăruia dintre argumente asupra oscilațiilor neutrinilor:

1. Amestecarea funcțiilor de undă neutrino este maximă la θ = π/4, deoarece int ~ sin 2θ.

2. La derivarea formulei (10), am folosit faptul că masa neutrinilor este mult mai mică decât energia sa cinetică. Formula pentru energia totală a unei particule E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 în sistemul ћ = c = 1 arată ca E = (p 2 + m 2) 1/2. Cu condiția să m<< p

Conditionm<< p соответствует «почти релятивистской» кинематике нейтрино. При этом импульсы разных нейтрино совпадают и E 2 – E 1 = m 2 /2p

Dacă masele coincid, adică la , fara oscilatii.

3. Valoarea determină argumentul celui de-al doilea dintre factorii formulei (9) De obicei, această valoare este prezentată astfel încât să se utilizeze valorile energiei neutrinilor (E ν) în MeV, valorile lui Δm 2 in (eV) 2, iar distanța până la sursa de neutrini (L) - în metri (m). Folosind o constantă de conversie

ћc = 197 MeV·fm ≡ 1,97·10 -7 eV·m = 1; 1 eV = 10 7 /1,97 m,

primim pentru

(11)

Astfel, dacă diferența dintre masele neutrinilor „primari” este mică, se pot obține rezultate notabile în studiul oscilațiilor numai dacă lungimea L este mare. Acest lucru este deosebit de important dacă energiile neutrinilor sunt mari.

Studii experimentale ale oscilațiilor neutrinilor

În prezent, funcționează sau se creează mai multe complexe experimentale pentru studierea oscilațiilor neutrinilor.
Primele indicii ale oscilațiilor neutrinilor au fost obținute în măsurătorile la detectorul de apă SuperKamiokande Cherenkov în 1998.
Detectorul este un rezervor din oțel inoxidabil de 42 m înălțime și 40 m diametru, umplut cu 50 de mii de tone de apă special purificată. Este situat la o adâncime de 1,6 km (2,7 km echivalent în apă) în Japonia (mina Kamioka). Pe pereții rezervorului sunt 11146 PMT-uri (detector intern + 1885 PMT-uri de 8” (detector extern).
Detectorul a făcut posibilă distingerea în mod fiabil între neutrinii electroni și muoni.
Una dintre sarcinile stabilite de cercetători a fost măsurarea fluxurilor de neutrini atmosferici.
Neutrinii se nasc în atmosferă ca urmare a interacțiunii protonilor de înaltă energie emiși de Soare cu nucleele atmosferice. Rezultatul acestor reacții este în principal producerea de π-mezoni încărcați și neutri. Dezintegrarea π-mezonilor încărcați creează următorul lanț de transformări:

π + → μ + + ν μ ; π - → + μ ; μ + → e + + ν e + μ ;μ - → e - + e + ν μ .

(12)

Măsurătorile efectuate la această instalație au arătat că numărul de neutrini muoni detectați este comparabil cu numărul de neutrini de electroni, deși din (12) rezultă că ar trebui să existe de două ori mai mulți neutrini muoni. Faptul că anomalia observată este o consecință a oscilațiilor este confirmat de dependența fluxului de neutrini muoni de calea parcursă. Pentru neutrinii incidenti pe verticală, această cale este de doar 20 km, iar pentru neutrinii care intră în detector de dedesubt de sub Pământ, aproximativ 13.000 km. Debitul care venea de jos era mult mai mic decât cel care venea de sus.
Aceste rezultate, împreună cu datele lui Davis, au inițiat crearea unor complexe experimentale speciale pentru a studia problema oscilațiilor neutrinilor. (În același complex experimental (K2K) se efectuează în prezent înregistrarea neutrinilor muoni produși ca urmare a reacțiilor protonilor produși la acceleratorul KEK. Lungimea traseului neutrinilor muoni de la acceleratorul KEK la SuperKamiokande este de 240 km.)
Dovezi și mai convingătoare ale oscilațiilor neutrinilor au fost obținute de la Telescopul pentru neutrini din Sudbury.

Observatorul Neutrino din Sudbury (Canada) a fost construit într-o mină la o adâncime de 2070 m și conține un detector SNO - apă grea Cherenkov. 1000 de tone de apă grea ultrapură (D 2 O) sunt turnate într-un vas acrilic cu un diametru de 12 metri. Radiația Cherenkov este detectată de 9600 de tuburi fotomultiplicatoare instalate pe o sferă cu un diametru de 17 metri care înconjoară un vas cu apă grea. Detectorul este scufundat în apă obișnuită ultra-pură, care se află într-o cavitate în formă de butoi cu un diametru de 22 de metri și o înălțime de 34 de metri, săpată în stâncă. Pe parcursul zilei, detectorul a înregistrat aproximativ 10 evenimente neutrino.

În Sudbury, fluxurile de neutrini de bor au fost produse pe Soare

Prima reacție (CC), care are loc cu participarea curenților încărcați, este sensibilă numai la neutrinii electronici (ν e), a doua (NC), care are loc cu participarea curenților neutri, este sensibilă la toți neutrinii (x – e, μ, τ). Imprăștirea elastică (ES) este sensibilă la toate aromele de neutrini, dar într-o măsură mai mică la aromele de muoni și tau. Astfel, dacă neutrinii se pot muta de la o aromă la alta, fluxul de neutrini măsurat folosind reacția (CC) F CC (ν e) ar trebui să fie mai mic decât fluxul măsurat folosind reacția (ES) F ES (ν x).
În prima serie de măsurători, care a fost efectuată folosind reacția (SS), a fost înregistrată o deficiență de neutrini electronici.
În anul următor, fluxurile de neutrini au fost estimate folosind reacția (NC).
Datele experimentale obținute în Sudbury au făcut posibilă estimarea fluxului de neutrini solari folosind reacția (13) și să demonstreze că este în concordanță cu modelul standard al Soarelui. Astfel, deficitul de neutrini electronici înregistrat de Davis este o consecință a oscilațiilor.
Pe lângă măsurarea oscilațiilor neutrinilor muoni atmosferici, experimente cu așa-numiții neutrini acceleratori „departe” sunt planificate și sunt deja realizate. În aceste experimente, neutrinii muoni, formați ca urmare a interacțiunii protonilor accelerați la câțiva GeV cu o țintă de convertizor, după ce au parcurs o distanță lungă sub pământ, sunt înregistrați de un detector. Experimentul MINOS (Fermilab (SUA)) folosește doi detectoare de neutrini. Unul dintre ele este situat în apropierea țintei convertorului, celălalt se află la o distanță de 725 km. Compararea numărului de neutrini muoni care ar trebui să ajungă la detectorul „departe” în absența oscilațiilor cu rezultatul măsurat dovedește prezența oscilațiilor.
Principalul rezultat al tuturor experimentelor efectuate este dovada existenţei oscilaţiilorși estimarea parametrilor de amestecare a neutrinilor ν 1, ν 2, ν 3. Conform

(15)

Deși studiile privind oscilațiile neutrinilor și unghiurile de amestecare corespunzătoare acestui fenomen au obținut deja o precizie bună pentru ν 1, ν 2 (15), parametrii de amestecare ν 2 , ν 3 sunt mult mai puțin cunoscute, iar estimări fiabile ale parametrilor de amestecare a neutrinilor ν 1, ν 3 nu au fost încă obținute.
Rezultatele studiilor privind oscilațiile neutrinilor sunt reflectate în diagrama de mai jos: dreptunghiuri corespund neutrinilor ν 1, ν 2, ν 3 (de jos în sus); Sunt prezentate estimări aproximative ale contribuțiilor neutrinilor cu diferite arome la acestea. În acest moment, doar diferența de masă ν 1, ν 2 a fost stabilită cu bună precizie: este de aproximativ 0,09 eV. Aceste diferențe mici în masele ν 1, ν 2, împreună cu datele experimentale privind studiul formei spectrelor β, fac posibilă estimarea maselor neutrinilor m(ν 1), m(ν 2)<2 эВ.

Literatură:

1. R. Davis Jr. O jumătate de secol cu ​​neutrini solari. UFN 174 408 (2004)
2. D. Perkins - Introducere în fizica energiilor înalte, M., 1991
3. M. Koshiba. Nașterea astrofizicii neutrinilor. UFN, 174 4183(2004)

Teoria oscilațiilor neutrinilor a apărut ca o posibilă soluție la problema deficienței neutrinilor solari. Cheia problemei a fost că în soare, conform modelului standard, neutrinii apar în principal ca urmare a reacției ciclului proton-proton:

p + p 2 H + e + + e + 0,42 MeV

(Probabilitatea relativă a unei astfel de reacții este de 99,75%)

Principala sursă de neutrini de înaltă energie de pe Soare sunt descompunerea a 8 izotopi B, care apar în reacția 7 Be(p,) 8 B (o ramură rară a ciclului proton-proton):

13 N 13 C + e + + e + 1,20 MeV

15 O 15 N + e + + e + 1,73 MeV

În prezent, există patru serii de date experimentale privind înregistrarea diferitelor grupuri de neutrini solari. Experimentele radiochimice bazate pe reacția 37 Cl + e 37 Ar + e - au fost efectuate timp de 30 de ani. Conform teoriei, principala contribuție la această reacție ar trebui să o aibă neutrinii din dezintegrarea de 8 V. Au fost efectuate cercetări privind detectarea directă a neutrinilor din dezintegrarea de 8 V cu măsurători ale energiei și direcției mișcării neutrinilor. în experimentul KAMIOKANDE din 1987. Experimentele radiochimice asupra reacției 71 Ga + e 71 Ge + e - au fost efectuate în ultimii cinci ani de două grupuri de oameni de știință din mai multe țări. O caracteristică importantă a acestei reacții este sensibilitatea ei în principal la prima reacție a ciclului proton-proton p + p 2 D + e + + e. Viteza acestei reacții determină viteza de eliberare a energiei în cuptorul de fuziune solară în timp real. Toate experimentele arată un deficit în fluxurile de neutrini solari în comparație cu predicțiile Modelului Solar Standard.
O posibilă soluție la problema deficienței neutrinilor solari este oscilațiile neutrinilor - transformarea neutrinilor de electroni în neutrini muoni și tau.
Primul lucru la care trebuie să acordați atenție atunci când începeți să discutați despre proprietățile neutrinilor este existența diferitelor soiuri ale acestora.
După cum știți, în prezent putem vorbi cu siguranță despre trei astfel de soiuri:
ν e , ν μ , ν τ și, în consecință, antineutrinii acestora. Când este schimbat cu un boson W încărcat, un neutrin electronic se transformă într-un electron, iar un neutrin muonic se transformă într-un muon (ν τ produce un lepton tau). Această proprietate a făcut posibil la un moment dat să se stabilească diferența în natura neutrinilor electroni și muoni. Și anume, fasciculele de neutrini formate la acceleratori constau în principal din produși de dezintegrare ai mezonilor π încărcați:

π + μ + + ν
π − μ − + ν

Dacă neutrinii nu fac distincția între tipurile de leptoni, atunci neutrinii produși în acest fel sunt la fel de probabil să producă electroni și muoni atunci când interacționează cu nucleele materiei. Dacă fiecare lepton corespunde propriului său tip de neutrin, atunci numai tipurile de muoni sunt generate în dezintegrarea pionilor. Apoi fasciculul de neutrini de la accelerator va produce în marea majoritate a cazurilor muoni, nu electroni. Acesta este tocmai fenomenul care a fost înregistrat experimental.
După clarificarea faptului despre diferența dintre tipurile de neutrini, a apărut întrebarea: cât de adâncă este această diferență? Dacă ne întoarcem la analogia cu quarcurile, ar trebui să acordăm atenție faptului că interacțiunile electroslabe nu păstrează tipul (aroma) quarcilor. De exemplu, este posibil următorul lanț de tranziții:

ceea ce duce la amestecarea stărilor care diferă doar prin ciudățenie, de exemplu, K-mezonii neutri K 0 și K 0 . Se pot amesteca diferite tipuri de neutrini într-un mod similar? Când răspundeți la această întrebare, este important să știți care sunt masele de neutrini. Din observații știm că neutrinii au mase foarte mici, semnificativ mai mici decât masele leptonilor corespunzători. Deci, pentru masa neutrinilor electronici avem o limitare

pe mine)< 5.1 эВ,

în timp ce masa electronului este de 0,51099906 ± 0,00000015 MeV
În marea majoritate a cazurilor, putem presupune că masele tuturor celor trei neutrini sunt zero. Dacă sunt exact egale cu zero, este imposibil de observat efectele posibilei amestecări a diferitelor tipuri de neutrini. Numai dacă neutrinii au mase diferite de zero amestecul capătă sens fizic. Rețineți că nu cunoaștem niciun motiv fundamental care să conducă la egalitatea strictă a maselor de neutrini la zero. Astfel, întrebarea dacă există amestecarea diferiților neutrini este o problemă care ar trebui rezolvată prin metode fizice, în primul rând experimentale. Pentru prima dată, posibilitatea amestecării tipurilor de electroni și muoni de neutrini a fost subliniată de B.M. Pontecorvo.

Amestecarea stărilor de neutrini

Să luăm în considerare problema a două tipuri de neutrini: e, ν μ,. Pentru efectele de amestecare, luați în considerare modul în care stările evoluează în timp. Evoluția în timp este determinată de ecuația Schrödinger

Din acest moment, folosim sistemul de unități h = c = 1, care este folosit în mod obișnuit în fizica particulelor. Acest sistem este convenabil deoarece are o singură mărime dimensională, de exemplu energie. Acum impulsul și masa au aceleași dimensiuni ca și energia, iar coordonatele x și timpul t au dimensiunea energiei inverse. Aplicând această relație la cazul neutrinilor pe care îl luăm în considerare, când masele lor sunt mult mai mici decât impulsul, obținem în loc de (2):

Pe baza (5), înțelegem ecuația (4) ca un sistem de ecuații pentru funcțiile (t), (t):

Pentru concizie, un astfel de sistem se scrie de obicei sub forma (4), dar atunci (t) este înțeles ca o coloană de , , iar între paranteze primul termen este proporțional cu matricea de identitate, în timp ce valoarea M 2 devine ceva ( 2 x 2) matrice cu elemente matrice care sunt ușor de obținut din sistemul (6). Valoarea este foarte importantă aici, diferența de la zero duce la efecte de mixare. Dacă nu este acolo, sistemul se descompune în două ecuații independente și neutrinii, electronii și muonii, există separat cu propriile lor mase.
Deci, H 0. Apoi vom căuta soluții la sistemul (6) sub formă de combinații

1 (t) = cos e (t) + sin ν μ (t), 2 (t) = -sin e (t) + cos ν μ (t).

(7)

care au o anumită frecvență, adică au forma (3). Pentru scopuri suplimentare, este important de remarcat că la mic 0 1 este neutrinul electron aproape pur, iar la /2 este aproape complet muon. Adunând prima dintre ecuațiile (6), înmulțită cu cos, cu cea de-a doua, înmulțită cu sin, obținem condiția ca și partea stângă să conțină doar 1:

Se întâmplă m e > , adică =/4, corespunde amestecării maxime și se realizează aproape exact pentru un sistem de K-mezoni neutri. Statele (7) au anumite mase, pe care le obținem din sistemul (6):

(10)

Semnele din (10) corespund cazului > m e. Din (10) vedem că cu amestecarea zero = 0 obținem m 1 = m e, m 2 = . În prezența amestecării, are loc o schimbare de masă. Dacă îl considerăm foarte mic, atunci

Să ne imaginăm că în momentul inițial de timp t = 0 sa născut un neutrin de electroni. Apoi din (7) și (12) obținem dependența de timp a stării luate în considerare (omitem factorul comun e -ikt)

(13)

Să introducem notația m 2 = m 1 2 - m 2 2 . Vedem că, împreună cu neutrinul electron care a fost prezent inițial, aici apare și starea neutrinului muon. Probabilitatea apariției sale, conform regulilor mecanicii cuantice, este pătratul modulului de amplitudine, adică coeficientul la | ν μ >. După cum se poate vedea din (13), depinde de timp și se ridică la

W(t) = sin 2 2 sin 2 ((E 1 -E 2)t/2) = sin 2 2 sin 2 (m 2 t/4k) = sin 2 2 sin 2 (1,27m 2 L/E),

(14)

unde măsuram distanța L în metri, energia neutrinului în megaelectronvolți și diferența în mase pătrate m2 în electronvolți pătrați. Desigur, luăm în considerare micimea maselor de neutrini, deci L = ct. Componenta muonică are o dependență oscilantă caracteristică; acest fenomen se numește oscilații de neutrini. Ce ar trebui observat ca efect al oscilațiilor neutrinilor? Știm că neutrinii electronici produc un electron ca rezultat al unei reacții cu schimbul de W, iar neutrinii muoni produc un muon. În consecință, un fascicul format inițial din neutrini de electroni, la trecerea prin echipament de înregistrare, produce nu numai electroni, ci și muoni cu o probabilitate în funcție de distanța până la punctul de plecare, descrisă de formula (14). Mai simplu spus, trebuie să căutăm nașterea leptonilor „extratereștri”.
Experimentele de căutare a oscilațiilor neutrinilor sunt efectuate în mod activ și, de regulă, nu duc la măsurarea efectului, ci la restricții asupra parametrilor din (14) și m 2. Este clar că nu există niciun efect dacă cel puțin unul dintre acești parametri este egal cu zero. Recent, au fost raportate indicii serioase ale existenței oscilațiilor neutrinilor în experimente la instalația japoneză Super-Kamiokande. Aceste experimente au studiat fluxul de neutrini din dezintegrarea particulelor produse în atmosfera superioară de razele cosmice de înaltă energie. În funcție de unghiurile de înclinare față de orizont la care neutrinii studiați ajung la instrument, aceștia parcurg distanțe de la câteva zeci de kilometri (direct de sus) la multe mii de kilometri (direct de jos). Rezultatul măsurătorilor continue de un an și jumătate s-a dovedit a fi incompatibil cu calculele bazate pe teoria fără oscilații. În același timp, introducerea oscilațiilor conduce la un acord excelent cu experimentul. În acest caz, tranzițiile ν μ e sunt necesare:

sin 2 > 0,82,
510 -4 < m 2 < 610 -2

adică valorile lor sunt cerute în mod explicit. Până acum, opinia publică științifică nu a înclinat încă să accepte definitiv descoperirea oscilațiilor neutrinilor și așteaptă confirmarea rezultatului. Experimentele continuă, dar între timp s-a dovedit că informații și mai bogate pot fi furnizate prin studierea oscilațiilor neutrinilor, ținând cont de interacțiunea acestora cu materia.

Oscilațiile neutrinilor în materie

Elucidarea posibilităților asociate cu efectele propagării neutrinilor în materie este asociată cu lucrările lui L. Wolfenstein și S.P. Mikheev și A.Yu. Smirnova.
Să luăm din nou în considerare cazul a doi neutrini - electron și muon. Materia conține protoni și neutroni în nuclee și electroni. Interacțiunea ambelor tipuri de neutrini cu protoni și neutroni datorită schimbului de W și Z are loc în același mod și, prin urmare, nu duce la efecte noi în comparație cu propagarea în vid. Situația este complet diferită cu împrăștierea neutrinilor de către electroni. Un neutrin muonic poate interacționa cu un electron numai prin schimbul unui boson neutru Z, în timp ce schimbul unui boson W încărcat contribuie la împrăștierea unui neutrin electronic (și antineutrin) pe un electron. Într-adevăr, de exemplu, W - merge într-o pereche e, astfel încât procesul de împrăștiere urmează modelul

Când antineutrinii sunt împrăștiați de un electron, se contopesc în W, iar atunci când neutrinii sunt împrăștiați, se schimbă W, în care neutrinul inițial dă un electron și W +, care este absorbit de electronul original, dând neutrinul final. Pentru un neutrin muon, astfel de tranziții sunt imposibile.
Deci, neutrinul electronic are o interacțiune suplimentară cu electronul, care este descrisă de termenul suplimentar din prima linie a (6):

Apoi sistemul de ecuații care descrie dependența funcției de undă de timp se modifică:

unde = 2kV W, iar această cantitate este asociată cu împrăștierea neutrinilor de electroni pe electroni din cauza schimbului de W. Teoria electroslabă oferă o expresie simplă

,

(17)

Unde G F = (1.16637 + 0,00002). 10 -5 GeV -2 este constanta Fermi cunoscută, care caracterizează interacțiunile slabe și N e- densitatea electronică în substanță. Această densitate este proporțională cu numărul atomic Z al elementului și cu densitatea obișnuită a substanței p, care se reflectă în forma numerică a relației (17). Apoi valoarea poate fi reprezentată sub formă (A este greutatea atomică a elementului corespunzător)

Având în vedere expresia (16) pentru masele stărilor neutrinilor și (19) pentru unghiul de amestecare în materie, obținem cel mai interesant fenomen de oscilație rezonantă a neutrinilor în materie. Amestecarea neutrinilor în vid să fie foarte mică, adică sin 2< 1. Представим себе, что нейтрино с некоторым импульсом k (первоначально электронное) проходит через вещество с переменной плотностью, меняющейся монотонно, например убывающей. Если при этом в каком-то слое плотность такова, что выполняется равенство

1.526. 10 -7 Zk/A = m 2 cos 2,

(20)

atunci se realizează rezonanța. Într-adevăr, pentru păcat 2 m<< 1 и нейтрино остается электронным. Однако при выполнении равенства (20) sin 2 m = 1, при дальнейшем уменьшении плотности sin 2 m вновь становится малым, но это значит, что 2 m становится близким к , а m - к /2. Из (7) видно, что это соответствует уже почти полностью нейтрино мюонному. Таким образом, при прохождении резонанса происходит смена сорта нейтрино, причем тем полнее, чем меньше вакуумный угол смешивания. Поэтому такая резонансная осцилляция является фактически единственной возможностью проявления малого смешивания нейтрино.
Fenomenul de oscilație rezonantă se manifestă clar și în dependența maselor de neutrini din materie de densitate (16). Într-adevăr, să începem cu expresia (16) cu semnul minus, care, în conformitate cu ecuațiile (15), descrie neutrinul electronic inițial (deoarece conține interacțiunea sa caracteristică cu electronii V W). Lăsați densitatea să se schimbe în timp ce treceți prin rezonanță. Atunci pătratul masei înainte de rezonanță la un unghi mic este egal cu m e 2 + V W , iar după rezonanță -. La trecerea prin rezonanță, tipul de neutrin se schimbă complet.
Trebuie remarcat faptul că, dacă în loc de neutrin considerăm un antineutrin, atunci principala diferență constă în semnul termenului care descrie interacțiunea cu schimbul W. Semnele lui V W pentru neutrini și antineutrini sunt opuse. Aceasta înseamnă că condiția de rezonanță se realizează în funcție de semnul lui m 2 fie numai pentru neutrini, fie doar pentru antineutrini. De exemplu, dacă un neutrin muonic este mai greu decât unul electron, atunci rezonanța poate fi observată numai pentru starea inițială a neutrinului electronic, dar nu și pentru antineutrin.
Astfel, propagarea fasciculelor de neutrini (și antineutrini) în materie oferă informații fizice bogate. Dacă parametrii principali, adică m 2 și , sunt cunoscuți, atunci prin strălucirea unui fascicul de neutrini printr-un anumit obiect, de exemplu o planetă, o stea etc., din compoziția fasciculului de neutrini la ieșire, se poate obțineți o imagine a distribuției densității în interiorul obiectului iluminat. Puteți acorda atenție analogiei strânse cu transmiterea obiectelor mici (inclusiv a celor vii) cu raze X.

Exemple de posibile manifestări și aplicații

Fenomenul oscilațiilor neutrinilor nu a fost încă înregistrat experimental, dar există indicii ale existenței lor și sunt asociate tocmai cu posibile fenomene de rezonanță. Cert este că metodele de înregistrare sunt sensibile în principal la neutrinii electronici (antineutrini), deoarece neutrinii muoni și în special tau cu energii de mai mulți megaelectronvolți nu pot da o reacție, de exemplu

37 Cl + 37 Ar + e - .

care este utilizat în metoda clor-argon pentru detectarea neutrinilor. Acest lucru se datorează faptului că pentru nașterea unui muon este necesar să se cheltuiască energie mai mult de 100 MeV (și chiar mai mult pentru nașterea tau). În același timp, poate avea loc o reacție similară cu un neutrin electronic. Reacțiile nucleare din Soare sunt sursa de electroni (anti-)neutrini, așa că metoda folosită mi s-a părut destul de adecvată. Cu toate acestea, dacă pe parcurs de la punctul de naștere până la dispozitiv are loc o oscilație și neutrinul se transformă, de exemplu, într-un muon, atunci reacția nu are loc și neutrinoul devine „steril”. Acest lucru ar putea servi ca o explicație pentru deficitul de neutrini solari.
La început au încercat să folosească oscilații obișnuite (prima secțiune) în spațiul dintre Soare și Pământ pentru a explica. Amestecul de neutrini muoni este determinat de unghiul de amestecare. Referindu-ne la formula (14), putem concluziona că fracțiunea de astfel de neutrini sterili de pe Pământ

unde folosim paranteze unghiulare pentru a desemna valoarea medie. Medierea este necesară deoarece distanța L de la Pământ la Soare se modifică semnificativ în timpul procesului de măsurare datorită mișcării sale orbitale. Valoarea medie a funcției sin 2x pe un interval mare este 1/2, prin urmare, fracția de neutrini sterili este

Astfel, în general, este posibil să se suprima fluxul de neutrini de la Soare la jumătate, dar acest lucru necesită amestec maxim sin 2 = 1. Căutările pentru oscilații arată că pentru o gamă largă de mase de neutrini o amestecare atât de mare este exclusă de experiență. În plus, această explicație oferă aceeași suprimare a fluxului de neutrini pentru toate energiile de neutrini, în timp ce rezultatele experimentale indică o dependență energetică a efectului.
O explicație mai adecvată se dovedește a fi folosirea oscilațiilor rezonante în materia Soarelui. Pentru a avea loc o tranziție rezonantă a neutrinilor la o stare sterilă, condiția (20) trebuie îndeplinită pe un anumit strat de materie solară. Să fie unghiul de amestecare foarte mic, astfel încât cos să fie 21. Să luăm ca exemplu valorile parametrilor

Z/A = 1,05, = 10 g/cm2, E = 1 MeV,

unde primul număr reflectă faptul că Soarele este format în principal din hidrogen cu un amestec de heliu și alte elemente. Atunci condiția (20) dă diferența dintre masele de neutrini la pătrat

Tocmai acest ordin al maselor de neutrini este necesar pentru a folosi mecanismul de rezonanță al oscilațiilor neutrinilor în materie pentru a explica deficitul neutrinilor solari, inclusiv dependența energetică a acestui efect. Situația aici este următoarea: dacă datele experimentale existente primesc confirmarea finală, atunci nu poate fi oferită altă explicație decât oscilația rezonantă. Acesta va fi rezultatul cel mai important, deschizând calea către înțelegerea ulterioară a structurii lumii fizice. În plus, vom obține o nouă modalitate de scanare cu raze X a corpurilor cerești, inclusiv a Pământului nostru. Într-adevăr, ținând cont de faptul că densitățile rocilor pământești sunt de 3-6 g/cm 3 în manta și 9-12 g/cm 3 în miez, suntem convinși că cu masa neutrinilor (22) se realizează condiții de rezonanță. pentru neutrini cu energii de ordinul câtorva megaelectronvolt. Prin formarea unor astfel de fascicule și desfășurarea unui program de transiluminare a Pământului cu înregistrarea efectului la o rețea de stații de neutrini, este posibil să se obțină tomograme ale grosimii Pământului. În viitor, acest lucru poate duce atât la clarificarea detaliilor structurii Pământului, cât și la rezultate practice, de exemplu, în aplicarea la căutarea mineralelor adânci.

Pe 15 iunie 2011, experimentul internațional T2K (Tokai-to-Kamioka) a anunțat detectarea a 6 evenimente care sunt candidați pentru neutrini electronici. Au fost analizate datele acumulate în timpul experimentului cu un fascicul de neutrini muoni din ianuarie 2010 până la cutremurul din Japonia din 11 martie 2011. Pentru prima dată s-a obținut indicația experimentală directă a oscilațiilor neutrinilor muoni în neutrini electronici.

Câteva despre proprietățile neutrinilor

Există trei tipuri de neutrini în natură - electron (ν e), muon (ν μ) și tau neutrino (ν τ), care, fiind leptoni neutri, sunt asociați cu leptonii încărcați corespunzători electron, muon și tau lepton. Fiecare neutrin are propria sa antiparticulă - un antineutrin. Fiecare tip de neutrin are propriul său număr de lepton, la fel ca partenerul său - leptonul încărcat. Interacțiunea slabă, la care participă neutrinii, conservă numerele de leptoni. De exemplu, atunci când un muon se descompune, trebuie să emită un neutrin muon. În Modelul Standard, neutrinii sunt particule fără masă care, atunci când se propagă cu viteza luminii, nu își pot schimba aroma (tipul), adică nu se amestecă, deoarece legile conservării numărului leptonilor sunt postulate pentru fiecare dintre cele trei familiile de leptoni separat.

Realitatea s-a dovedit a fi mai complicată. Există un efect mecanic cuantic interesant: oscilațiile particulelor. Particulele se pot transforma unele în altele din mers, dacă acest lucru nu este interzis de legile de conservare. În zborul liber, nu o particulă de un anumit tip „trăiește”, ci o „stare de masă” - o combinație de două particule care se transformă una în alta. Să presupunem că la naștere starea de masă este reprezentată de o particulă de un tip, apoi după un timp se transformă într-un alt tip, apoi înapoi, etc. Perioada transformărilor este invers proporțională cu diferența dintre pătratele maselor particulelor ( adică cel puțin unul dintre ele trebuie să aibă o masă diferită de zero). Tranziția poate să nu fie completă, adică apare doar o impuritate mecanică cuantică a celei de-a doua particule, iar mărimea impurității este determinată de un parametru numit „unghiul de amestecare” al particulelor. Ipoteza oscilațiilor neutrinilor a fost prezentată pentru prima dată de B. M. Pontecorvo în 1957.

S-a dovedit că neutrinii oscilează! Aceasta înseamnă că au o masă mică, diferită de zero, amestec, iar aromele de neutrini (numerele de leptoni) nu sunt conservate. Neutrinii care participă la interacțiuni slabe sunt o combinație liniară a propriilor stări de masă ν 1, ν 2, ν 3, care corespund maselor m 1, m 2, m 3. Fizica oscilațiilor neutrinilor este descrisă de o matrice unitară, care este în general parametrizată prin trei unghiuri de amestec θ 12, θ 23 și θ 13, o fază impară CP δ și două faze Majorana.

Neutrinii participă la interacțiuni slabe ca ν e, ν μ, ν τ, adică având o anumită aromă. Și pentru a vedea efectul amestecării, trebuie să lucrați cu stări de masă care se pot manifesta în procesul de propagare a neutrinilor ca particule libere prin vid. Neutrinul, care era pur muonic la momentul nașterii (t = 0), după un interval de timp (t > 0) nu mai este, dobândind un anumit amestec de neutrini electronici.

Măsurarea oscilațiilor se poate face în două moduri. O metodă este de a măsura fluxul inițial de neutrini cunoscut și de a observa scăderea acestui flux în comparație cu valoarea prezisă în absența oscilațiilor.

Această metodă se numește experiment de „extincție”. O altă metodă este de a detecta neutrini cu aromă β într-un fascicul de neutrini care constă inițial numai din neutrini cu aromă α. Această metodă se numește experiment de „emergență”.

Experimentele cu neutrini solari, atmosferici, reactori și acceleratori au stabilit în mod clar că neutrinii se amestecă. Din experimentele solare și cu reactoare s-a obținut valoarea θ 12 ~ 34°, iar din experimentele cu neutrini atmosferici și acceleratori rezultă că θ 23 ~ 45°. Pentru unghiul de amestecare θ 13 din experimentul CHOOZ, a fost obținută o limită superioară de aproximativ 12°. Spre deosebire de quarci, neutrinii au unghiuri mari de amestecare, ceea ce a fost un rezultat neașteptat. Pentru a obține o imagine completă a oscilațiilor neutrinilor, este necesar să obțineți trei informații care lipsesc: 1) măsurați unghiul θ 13; 2) se determină faza impară a CP δ; 3) află ce ierarhie de masă (m 3 > m 2 sau m 2 > m 3) se realizează în natură. Căutarea oscilațiilor ν μ → ν e și măsurarea unghiului θ 13 sunt în prezent una dintre problemele cheie ale fizicii neutrinilor. Acest lucru este legat atât de înțelegerea naturii oscilațiilor, cât și de căutarea încălcării CP în sectorul lepton.

Experiment T2K

Scopul principal al primei etape a experimentului T2K este de a căuta oscilații ν μ → ν e și de a măsura unghiul θ 13. Următoarea etapă (în cazul unei valori diferite de zero și nu mică a θ 13) este o măsurare cu un fascicul de antineutrini muoni, o căutare a încălcării CP și o măsurare a fazei δ. Colaborarea T2K include peste 500 de oameni de știință și ingineri reprezentând 59 de institute din 12 țări. INR RAS participă din Rusia la experiment.

Elementele principale ale instalației T2K sunt un canal de neutrini, un complex de detectoare de neutrini aproape la o distanță de 280 m de țintă și un detector de neutrini departe.

SuperKamiokande, situat sub Muntele Ikenoyama. De la locul nașterii până la înregistrarea în SuperKamiokande, neutrinii parcurg o distanță de 295 km prin Pământ, așa cum se arată în Figura 1.

Experimentul folosește un fascicul pur (amestec de neutrini de electroni în maximul spectrului este mai mic de 0,5%) de neutrini muoni, a cărui energie are o răspândire mică și este reglată la primul maxim de oscilație. Un astfel de fascicul se obține prin utilizarea cinematicii dezintegrarii pionilor produși în timpul interacțiunii protonilor cu o țintă în muoni și neutrini muoni și alegând direcția neutrinilor în raport cu direcția fasciculului de protoni. O expresie aproximativă pentru tranzițiile neutrinilor muoni la electroni este următoarea.

Pentru un unghi între fasciculul de protoni și direcția către detectorul îndepărtat de 2,5 grade, intensitatea maximă a spectrului de neutrini corespunde unei energii de 600 MeV, ceea ce vă permite să vă acordați sensibilitatea maximă la oscilațiile neutrinilor, corespunzătoare probabilitate maximă în formula de mai sus pentru baza de zbor selectată de 295 km și parametrii Dm 2 13 = 2,4·10 3 eV 2, sin 2 2q 23 ~ 1,0, obținuți din oscilații „atmosferice”.

Detectorul de neutrini aproape (ND280) este utilizat pentru a măsura fasciculul de neutrini inițial (înainte de oscilații), pentru a monitoriza continuu parametrii acestuia și pentru a măsura secțiunile transversale ale neutrinilor în regiunea de energie de aproximativ 1 GeV. ND280 este format din doi detectoare. Un singur detector situat pe axa fasciculului controlează intensitatea, profilul și direcția fasciculului cu o precizie mai bună de 1 mrad. Al doilea detector (în afara axei) este o instalație complexă constând din mai mulți detectoare (dintre care unul, detectorul de muoni (SMRD), a fost dezvoltat și creat la INR RAS), care face posibilă controlul direcției neutrinului. fasciculului și măsurați energia neutrinului cu o precizie de aproximativ 15 MeV și măsurați secțiunile transversale pentru interacțiunea neutrinilor prin curenți încărcați și neutri. Elementele principale ale detectorului în afara axei, situat la un unghi de 2,5 grade, sunt prezentate în Figura 2. Pentru a măsura impulsul și sarcina particulelor, se folosește un câmp magnetic, creat de un magnet care a fost folosit anterior la CERN. în experimentele UA1 și NOMAD.

Detectorul cu rază lungă de acțiune SuperKamiokande este un rezervor uriaș cu un diametru de 39 m și o înălțime de 42 m, umplut cu apă curată. De-a lungul pereților, fundului și acoperișului detectorului, cu o pasă de 70 cm, există aproximativ 11.000 de tuburi fotomultiplicatoare mari, care înregistrează radiația Cherenkov de la particulele încărcate rezultate din interacțiunea neutrinilor cu materia detectorului. Detectorul înregistrează neutrini în intervalul de energie de la 4,5 MeV la 1 TeV. Mărimea, direcția și forma conului Cherenkov sunt folosite pentru a identifica evenimentul: un eveniment asemănător muonului cu un singur inel, un eveniment asemănător electronului cu un singur inel sau un eveniment cu mai multe inele. Inelul asemănător muonului de la radiația Cherenkov a muonului are o formă cu margini ascuțite, iar inelul de la electron are o formă neclară. Sincronizarea timpului cu fasciculul de protoni se realizează prin sistemul de navigație GPS cu o precizie de aproximativ 50 de nanosecunde. Această acuratețe face posibilă observarea structurii de timp a evenimentelor de neutrini înregistrate și corespondența acesteia cu structura de timp a fasciculului de protoni, ceea ce face posibilă suprimarea fondului de la neutrinii atmosferici la un nivel neglijabil. Evenimentele neutrino au fost înregistrate într-un interval de ± 500 μs în raport cu timpul așteptat de apariție a neutrinilor din J-PARC.

Crearea unui canal de neutrini și a unui detector de neutrini din apropiere a început în aprilie 2004 și a fost finalizată în 2009. Colectarea statisticilor a început în ianuarie 2010. În acest timp, 88 de evenimente de neutrini au fost înregistrate în volumul activ al detectorului de 22,5 kt, a cărui energie a fost mai mare de 30 MeV și a fost măsurată în întregime în detector. Toate aceste evenimente au fost în intervalul de timp de la –2 la 10 μs în raport cu declanșatorul de timp sincronizat cu structura fasciculului de protoni, în timp ce nivelul de fond de la neutrinii atmosferici în acest interval de timp a fost de doar 0,003 evenimente. După o analiză suplimentară, 6 evenimente au fost identificate ca evenimente asemănătoare electronilor rezultate din interacțiunea neutrinilor electronici cu energii de la 100 la 1250 MeV în detector printr-un curent încărcat (adică, odată cu nașterea unui electron și dispariția unui neutrin) . Un astfel de eveniment este prezentat în Figura 3.

Numărul așteptat de astfel de evenimente, presupunând absența oscilațiilor ν μ → ν e (pentru θ 13 = 0), a fost 1,5±0,3. Principala contribuție la evenimentele de fond provine din neutrinii de electroni conținuți în fasciculul inițial de neutrini muoni, precum și contribuția pionilor neutri care rezultă din interacțiunea neutrinilor muoni prin curenți neutri. Distribuția energiei evenimentelor de tip electroni înregistrate este prezentată în Figura 4.

Probabilitatea ca 6 evenimente să apară ca urmare a fluctuațiilor evenimentelor de fond și să nu fie rezultatul oscilațiilor este de 0,7%. Astfel, cu o probabilitate de 99,3%, acest rezultat poate fi interpretat ca o indicație a oscilațiilor ν μ → ν e. Valoarea centrală pentru sin 2 2θ 13 este 0,11 pentru ierarhia de masă normală a neutrinilor (m 3 > m 2) și 0,14 pentru ierarhia inversă (m 3< m 2) в случае δ = 0.

T2K a colectat până pe 11 martie 2011, când a avut loc cutremurul și tsunamiul în Japonia, aproximativ 2% din statisticile care erau planificate să fie colectate pe toată durata experimentului. Din fericire, cutremurul nu a provocat daune fatale complexului de accelerație J-PARC, canalului de neutrini și detectorului ND280. În prezent se desfășoară lucrări intensive de restaurare și, în același timp, unele elemente sunt în curs de modernizare pentru creșterea intensității fasciculului de protoni. Ne așteptăm ca colectarea de statistici să se reia la sfârșitul anului 2011, iar până la sfârșitul primei faze a experimentului, numărul de evenimente neutrino din Super Kamiokande va crește de aproximativ 50 de ori, ceea ce va îmbunătăți semnificativ acuratețea parametrii de oscilație deja cunoscuți și măsurați unghiul θ 13 cu o bună precizie. Experimentul cu neutrini MINOS (Fermilab, SUA) a prezentat pe 24 iunie un nou rezultat în căutarea oscilațiilor ν μ → ν e. Au fost detectate 62 de evenimente care au fost interpretate ca neutrini electronici. În ciuda numărului mai mare de evenimente, acuratețea rezultatului este mai mică, deoarece fondul așteptat este de 50 de evenimente. Acest rezultat este în acord cu rezultatul nostru, deși sensibilitatea obținută în MINOS ne permite doar să concluzionăm că valoarea θ 13 = 0 este exclusă la nivelul CL de 89%. În viitorul apropiat, ar trebui să apară și primele rezultate ale experimentelor efectuate de DoubLeChooz (Franța), Reno (Coreea), Daya Bay (China), care măsoară unghiul θ 13 folosind reactor antineutrini.

A doua fază a experimentului T2K își propune să caute încălcarea CP în sectorul lepton. În acest scop, se vor efectua experimente cu un fascicul de antineutrini muoni și se vor efectua măsurători ale oscilațiilor antineutrinilor muoni în antineutrini electronici. O comparație a probabilităților unor astfel de oscilații pentru neutrini și antineutrini va oferi primele informații despre încălcarea invarianței CP în sectorul lepton.

Concluzie

Rezultatul obținut în experimentul T2K este, fără îndoială, un eveniment semnificativ în fizica neutrinilor. Dezvoltarea în continuare a cercetării cu neutrini acceleratori și reactori depinde în mare măsură de rezultatele T2K. Împreună cu rezultatele altor experimente, T2K îmbunătățește semnificativ înțelegerea proprietăților neutrinilor și este probabil să ne aflăm în pragul unei noi etape noi și interesante în fizica neutrinilor. Aceste studii pot face lumină asupra problemei combinării quarcilor și leptonilor, precum și asupra rolului neutrinilor în apariția asimetriei barionice a Universului, adică să fie cheia dezvăluirii unuia dintre misterele naturii despre predominanța materiei. peste antimaterie din Univers. Așa cum sa întâmplat deja de mai multe ori în fizica neutrinilor, este posibilă apariția unor rezultate noi și, foarte probabil, complet neașteptate.

Literatură:
1) T2K CoLLaboration, arXiv: 1106.2822
2) T2K CoLLaboration, arXiv:

Marți, 6 octombrie, s-a știut că japonezul Takaaki Kajita și canadianul Arthur MacDonald au primit Premiul Nobel pentru Fizică 2015 pentru descoperirea oscilațiilor neutrinilor.

Acesta este al patrulea „Nobel” în fizică, care este premiat pentru munca în studiul acestor particule misterioase. Care este misterul neutrinilor, de ce sunt atât de greu de detectat și ce sunt oscilațiile neutrinilor, vom explica în acest articol într-un limbaj simplu și accesibil.

Nașterea unui neutron

La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicianul francez Henri Becquerel, în timp ce studia relația dintre luminescență și razele X, a descoperit accidental radioactivitatea. S-a dovedit că una dintre sărurile de uraniu în sine emite radiații invizibile și misterioase care nu sunt raze X. Apoi s-a dovedit că radioactivitatea este inerentă tocmai în uraniu, și nu în compușii în care este inclus, după care a fost descoperită radioactivitatea altor elemente - cum ar fi toriu, radiu și așa mai departe.

Câțiva ani mai târziu, fizicianul britanic Ernest Rutherford a decis să treacă radiații radioactive încă neexplorate printr-un câmp magnetic și a descoperit că poate fi împărțit în trei părți. Unele raze au fost deviate într-un câmp magnetic ca și cum ar fi fost compuse din particule încărcate pozitiv, altele ca și cum ar fi fost compuse din unele negative, iar altele nu au fost deloc deviate.

Ca urmare, s-a decis să se numească primele raze alfa, a doua raze beta și a treia raze gamma. Ulterior, s-a dovedit că razele gamma sunt radiații electromagnetice de înaltă frecvență (sau un flux de fotoni de înaltă energie), razele alfa sunt un flux de nuclee de atomi de heliu, adică particule compuse din doi protoni și doi neutroni și beta. razele sunt un flux de electroni.deși există și raze beta de pozitroni (acest lucru depinde de tipul dezintegrarii beta).

Dacă măsurăm energia particulelor alfa și a particulelor gamma care rezultă din tipul corespunzător de dezintegrare radioactivă, se dovedește că poate lua doar câteva valori discrete. Acest lucru este de acord cu legile mecanicii cuantice. Cu toate acestea, cu electronii emiși în timpul dezintegrarii beta, situația a fost diferită - spectrul lor de energie era continuu. Cu alte cuvinte, un electron ar putea transporta absolut orice energie, limitată doar de tipul de izotop în descompunere. Mai mult, în cele mai multe cazuri s-a dovedit că energia electronilor a fost mai mică decât a prezis teoria. În plus, energia nucleului formată după dezintegrarea radioactivă s-a dovedit a fi, de asemenea, mai mică decât se prevedea.

S-a dovedit că în timpul decăderii beta, energia a dispărut literalmente, încălcând un principiu fizic fundamental - legea conservării energiei. Unii oameni de știință, printre care însuși Niels Bohr, erau deja gata să admită că legea poate să nu funcționeze în microcosmos, dar fizicianul german Wolfgang Pauli a propus rezolvarea acestei probleme într-un mod simplu și destul de riscant - să presupunem că energia lipsă este purtat de o particulă, care nu are sarcină electrică, interacționează extrem de slab cu materia și, prin urmare, nu a fost încă descoperită.

Câțiva ani mai târziu, această ipoteză a fost adoptată de fizicianul italian Enrico Fermi pentru o explicație teoretică a dezintegrarii beta. Până atunci, neutronul fusese deja descoperit, iar fizicienii știau că nucleul atomic este format din mai mult decât protoni. Se știa că protonii și neutronii din nucleu sunt ținute împreună prin așa-numita interacțiune puternică. Cu toate acestea, nu era încă clar de ce, în timpul dezintegrarii beta, nucleul emite un electron care nu există în principiu.

Fermi a sugerat că dezintegrarea beta este similară cu emisia unui foton de către un atom excitat și că un electron apare în nucleu tocmai în timpul procesului de dezintegrare. Unul dintre neutronii din nucleu se descompune în trei particule: un proton, un electron și aceeași particulă invizibilă prezisă de Pauli, pe care Fermi în italiană a numit-o „neutrin”, adică un „neutron” sau un neutron mic. La fel ca neutronul, neutrinul nu are sarcină electrică și, de asemenea, nu participă la interacțiunea nucleară puternică.

Teoria lui Fermi a avut succes. S-a descoperit că o altă interacțiune necunoscută până acum, interacțiunea nucleară slabă, este responsabilă pentru dezintegrarea beta. Aceasta este însăși interacțiunea în care, pe lângă cea gravitațională, participă neutrinii. Dar pentru că intensitatea și raza acestei interacțiuni sunt atât de mici, neutrinoul rămâne în mare parte invizibil pentru materie.

Vă puteți imagina un neutrin de energie nu prea mare zburând printr-o foaie de fier. Pentru ca această particulă să fie reținută de foaie cu o probabilitate de sută la sută, grosimea ei ar trebui să fie de aproximativ 10^15 kilometri. Pentru comparație: distanța dintre Soare și centrul galaxiei noastre este cu doar un ordin de mărime mai mare - aproximativ 10 16 kilometri.

Această evazivă a neutrinului face foarte dificilă observarea acestuia în practică. Prin urmare, existența neutrinilor a fost confirmată experimental la numai 20 de ani de la predicția teoretică - în 1953.

Trei generații de neutrini

Dezintegrarea beta poate avea loc în două moduri: prin emisia unui electron sau a unui pozitron. Un antineutrin este întotdeauna emis împreună cu un electron, iar un neutrin este întotdeauna emis împreună cu un pozitron. La mijlocul secolului al XX-lea, fizicienii s-au confruntat cu întrebarea: există vreo diferență între neutrini și antineutrini? De exemplu, un foton este propria sa antiparticulă. Dar electronul nu este deloc identic cu antiparticula sa - pozitronul.

Identitatea neutrinilor și a antineutrinilor a fost indicată de absența unei sarcini electrice pe particule. Cu toate acestea, cu ajutorul unor experimente atente, s-a putut afla că neutrinii și antineutrinii sunt încă diferiți. Apoi, pentru a distinge particulele, a fost necesar să se introducă propriul lor semn de încărcare - numărul lepton. Prin acordul oamenilor de știință, leptonilor (particule care nu participă la interacțiuni puternice), care includ electroni și neutrini, li se atribuie numărul de lepton +1. Și antileptonilor, printre care există antineutrini, li se atribuie numărul -1. În acest caz, numărul leptonilor trebuie întotdeauna conservat - asta explică faptul că un neutrin apare întotdeauna doar în perechi cu un pozitron și un antineutrin cu un electron. Ele par să se echilibreze reciproc, lăsând neschimbată suma numerelor de leptoni ale fiecărei particule din întregul sistem.

La mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor a cunoscut un adevărat boom - oamenii de știință au descoperit noi particule una după alta. S-a dovedit că există mai mulți leptoni decât se credea - pe lângă electron și neutrin, a fost descoperit muonul (electronul greu), precum și neutrinul muon. Ulterior, oamenii de știință au descoperit o a treia generație de leptoni - chiar mai grele tau lepton și tau neutrino. A devenit clar că toți leptonii și quarcii formează trei generații de fermioni fundamentali (particule cu spin semiîntreg care alcătuiesc materia).

Pentru a distinge între trei generații de leptoni, a fost necesar să se introducă așa-numita încărcătură de lepton de aromă. Fiecare dintre cele trei generații de leptoni (electron și neutrin, muon și muon neutrin, tau lepton și tau neutrin) are propria sa sarcină de lepton aromat, iar suma sarcinilor constituie numărul total de leptoni al sistemului. Multă vreme s-a crezut că încărcarea leptonului ar trebui să fie întotdeauna conservată. S-a dovedit că acest lucru nu se întâmplă în cazul neutrinilor.

Neutrini din dreapta și din stânga

Fiecare particulă elementară are o caracteristică mecanică cuantică numită spin. Spinul poate fi considerat ca fiind cantitatea de mișcare de rotație a unei particule, deși această descriere este foarte arbitrară. Spinul poate fi direcționat într-o anumită direcție în raport cu impulsul particulei - paralel cu aceasta sau perpendicular. În al doilea caz, se obișnuiește să se vorbească despre polarizarea transversală a particulei, în primul – despre cea longitudinală. Cu polarizarea longitudinală, se disting și două stări: când spinul este direcționat împreună cu impulsul și când este îndreptat opus acestuia. În primul caz, se spune că particula are polarizare la dreapta, în al doilea, polarizare la stânga.

Multă vreme în fizică a fost considerată indiscutabilă legea conservării parității, care prevede că trebuie respectată simetria strictă a oglinzii în natură, iar particulele cu polarizare la dreapta trebuie să fie complet echivalente cu particulele cu polarizare la stânga. Conform acestei legi, în orice fascicul de neutrini s-ar putea găsi același număr de particule polarizate dreptaci și stângaci.

Surpriza oamenilor de știință nu a cunoscut limite atunci când s-a dovedit că legea de paritate pentru neutrini nu este respectată - neutrinii dreptaci și antineutrinii stângaci nu există în natură. Toți neutrinii au polarizare pentru stânga, iar antineutrinii au polarizare pentru dreapta. Aceasta este o dovadă a faptului uimitor că interacțiunea nucleară slabă, responsabilă pentru dezintegrarea beta, în care se nasc neutrini, este chirală - cu reflectarea în oglindă, legile ei se schimbă (am scris deja despre aceasta în detaliu separat).

Din punctul de vedere al fizicii particulelor elementare de la mijlocul secolului XX, situația cu polarizare strictă a indicat că neutrinul este o particulă fără masă, deoarece altfel ar trebui să admitem că legea conservării sarcinii leptonului nu a fost respectată. Pe baza acestui fapt, s-a crezut multă vreme că neutrinii într-adevăr nu au masă. Dar astăzi știm că nu este așa.

Masă evazivă

Neutrinii se repezi în număr mare prin grosimea Pământului și direct prin corpul nostru. Ele se nasc în reacții termonucleare în Soare și alte stele, în atmosferă, în reactoare nucleare, chiar și în interiorul nostru, ca urmare a dezintegrarii radioactive a anumitor izotopi. Neutrinii relicve născuți după Big Bang încă zboară prin Univers. Dar interacțiunea lor extrem de slabă cu materia înseamnă că nu le observăm deloc.

Cu toate acestea, de-a lungul anilor de studiu a neutrinilor, fizicienii au învățat să-i înregistreze folosind metode inteligente. Și în timp ce observau fluxul de neutrini născuți pe Soare, oamenii de știință au descoperit un fapt ciudat: de aproximativ trei ori mai puține dintre aceste particule sosesc de la Soare decât prezice teoria. Aici este necesar să lămurim că vorbim despre exact un tip de neutrini – neutrini electronici.

Pentru a explica acest fapt, ei au încercat să implice diverse ipoteze despre structura internă a Soarelui, care este capabilă să prindă neutrini lipsă, dar aceste încercări au eșuat. A mai rămas o singură explicație teoretică pentru fapt: pe drumul de la Soare la Pământ, particulele se transformă de la un tip de neutrin la altul. O particulă născută ca neutrin electronic experimentează oscilații de-a lungul drumului său, manifestându-se cu o anumită periodicitate ca un neutrin muon sau tau. Prin urmare, nu numai neutrinii de electroni, ci și neutrinii muoni și tau zboară pe Pământ de la Soare. Ipoteza oscilațiilor neutrinilor a fost propusă de fizicianul sovietic-italian Bruno Pontecorvo încă din 1957. Astfel de transformări ale neutrinilor de la un tip la altul presupuneau o condiție necesară - prezența masei neutrinilor. Toate experimentele efectuate cu neutrini au arătat că masa acestei particule este neglijabil de mică, dar nu a fost obținută nicio dovadă strictă că este egală cu zero. Aceasta înseamnă că posibilitatea oscilațiilor neutrinilor a rămas cu adevărat.

Descoperirea oscilațiilor

Confirmarea existenței oscilațiilor neutrinilor a fost obținută prin observații ale neutrinilor solari și atmosferici la instalația experimentală Superkamiokande din Japonia și la Observatorul de neutrini din Sudbury din Canada.

Japonezii au construit o structură impresionantă pentru a înregistra neutrini - un rezervor imens (40 pe 40 de metri) din oțel inoxidabil, umplut cu 50 de mii de tone de apă pură. Rezervorul a fost înconjurat de peste 11 mii de tuburi fotomultiplicatoare, care ar fi trebuit să înregistreze cele mai mici fulgerări ale radiației Cherenkov generate atunci când electronii sunt scoși din atomi de un neutrino. Având în vedere că neutrinii interacționează extrem de slab cu materia, din miliardele de particule care zboară prin rezervor, doar câteva sunt înregistrate. Având în vedere, de asemenea, faptul că cercetătorii trebuie să trimită aceste evenimente dintr-un fundal mare (la urma urmei, există încă multe particule complet diferite care zboară prin rezervorul imens), au făcut o cantitate colosală de muncă.

Detectorul japonez a reușit să distingă neutrinii de electroni și muoni după natura radiațiilor pe care le provoacă. În plus, oamenii de știință știau că majoritatea neutrinilor muoni sunt creați în atmosferă atunci când particulele de aer se ciocnesc cu razele cosmice. Datorită acestui fapt, ei au descoperit următorul model: cu cât fasciculele de neutrini parcurg distanțe mai lungi, cu atât mai puțini neutrini muoni dintre ei. Aceasta a însemnat că, pe parcurs, unii dintre neutrinii muoni s-au transformat în alți neutrini.

Dovada finală a existenței oscilațiilor neutrinilor a fost obținută în 1993 într-un experiment la Sudbury. În esență, instalația canadiană a fost similară cu cea japoneză - un rezervor uriaș și nu mai puțin impresionant de apă subteran și multe detectoare de radiații Cherenkov. Cu toate acestea, ea a fost deja capabilă să distingă între toate cele trei tipuri de neutrini: neutrini electroni, muoni și tau. Ca urmare, s-a constatat că numărul total de neutrini care sosesc de la Soare nu se modifică și este în bună concordanță cu teoria, iar lipsa neutrinilor electronici este cauzată tocmai de oscilația acestora. Mai mult decât atât, conform datelor statistice, neutrinii experimentează oscilații într-o măsură mai mare atunci când trec prin materie decât prin vid, deoarece un număr mai mare de neutrini electronici au ajuns la detector în timpul zilei decât noaptea, când particulele născute pe Soare trebuiau să depășească întreaga grosime a Pământului.

Conform înțelegerii de astăzi, oscilațiile neutrinilor sunt dovezi că aceste particule au masă, deși valoarea exactă a masei este încă necunoscută. Fizicienii cunosc doar limita sa superioară - un neutrin este de cel puțin o mie de ori mai ușor decât un electron. Aflarea masei exacte a neutrinilor este următoarea sarcină importantă pentru fizicienii care lucrează în această direcție și este posibil ca următorul Nobel pentru neutrini să fie acordat pentru această realizare.