Нейтрино - Neutrino

Нейтрино / Антинейтрино

Первое использование водорода пузырьковая камера для обнаружения нейтрино 13 ноября 1970 г. Аргоннская национальная лаборатория. Здесь нейтрино попадает в протон в атоме водорода; столкновение происходит в точке выхода трех следов справа от фотографии.
Сочинение	Элементарная частица
Статистика	Фермионный
Поколение	Первый, второй и третий
Взаимодействия	Слабое взаимодействие и гравитация
Символ	ν е, ν μ, ν τ, ν е, ν μ, ν τ
Античастица	Противоположный хиральность из частицы
Теоретически	ν е, электронное нейтрино: Вольфганг Паули (1930) ν μ, мюонное нейтрино: конец 1940-х гг. ν τ, тау-нейтрино: середина 1970-х
Обнаруженный	ν е: Клайд Коуэн, Фредерик Райнес (1956) ν μ: Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер (1962) ν τ: DONUT сотрудничество (2000)
Типы	3: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино
Масса	<0.120 эВ (<2,14 × 10−37 кг), доверительный интервал 95%, сумма трех вкусов[1]
Электрический заряд	0 е
Вращение	1/2
Слабый изоспин	LH: +1/2, RH: 0
Слабый гиперзаряд	LH: −1, RH: 0
B − L	−1
Икс	−3

А нейтрино (/пuˈтряпoʊ/ или же /Нью-Джерсиuˈтряпoʊ/) (обозначается греческой буквой ν ) это фермион (ан элементарная частица с вращение 1/2 ), который взаимодействует только через слабая субатомная сила и сила тяжести.^[2][3] Нейтрино названо так потому, что электрически нейтральный и потому что это масса покоя такой маленький (-я не ) что долго считалось нулевым. В масса нейтрино намного меньше, чем у других известных элементарных частиц.^[1] Слабое взаимодействие имеет очень малый радиус действия, гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабое, и нейтрино не участвуют в сильное взаимодействие.^[4] Таким образом, нейтрино обычно проходят через обычную материю беспрепятственно и незамеченными.^[2][3]

Слабые взаимодействия создать нейтрино в одном из трех лептонных ароматы: электронные нейтрино (
ν
_е), мюонные нейтрино (
ν
_μ), или же тау нейтрино (
ν
_τ) вместе с соответствующим заряженным лептоном.^[5] Хотя долгое время считалось, что нейтрино безмассовые, теперь известно, что есть три дискретных массы нейтрино с разными крошечными значениями, но они не соответствуют трем разновидностям однозначно. Нейтрино, созданное с определенным ароматом, имеет связанный с ним определенный квантовая суперпозиция всех трех массовых состояний. В результате нейтрино колебаться между разными вкусами в полете. Например, электронное нейтрино, образованное в бета-распад реакция может взаимодействовать в дальнем детекторе как мюонное или тау-нейтрино.^[6][7] Хотя по состоянию на 2019 год известны только различия между квадратами трех значений массы,^[8] космологический наблюдения подразумевают, что сумма трех масс должна быть меньше одной миллионной массы массы электрон.^[1][9]

Для каждого нейтрино также существует соответствующее античастица, называется антинейтрино, который также имеет спин 1/2 и никакого электрического заряда. Антинейтрино отличаются от нейтрино наличием противоположных знаков лептонное число и правша вместо левши хиральность. Чтобы сохранить общее лептонное число (в ядерной бета-распад ) электронные нейтрино появляются только вместе с позитроны (антиэлектроны) или электронные антинейтрино, тогда как электронные антинейтрино появляются только с электронами или электронными нейтрино.^[10][11]

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

• бета-распад из атомные ядра или же адроны,
• естественный ядерные реакции такие как те, которые происходят в ядре звезда
• искусственные ядерные реакции в ядерные реакторы, ядерные бомбы, или же ускорители частиц
• во время сверхновая звезда
• во время замедления нейтронная звезда
• когда космические лучи или пучки ускоренных частиц ударяют по атомам.

Большинство нейтрино, обнаруженных на Земле, вызвано ядерными реакциями внутри Солнца. У поверхности Земли поток составляет около 65 миллиардов (6.5×10¹⁰) солнечные нейтрино, в секунду на квадратный сантиметр.^[12][13] Нейтрино можно использовать для томография из недр земли.^[14][15]

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

• три значения массы нейтрино
• степень Нарушение CP в лептонном секторе (что может привести к лептогенез )
• доказательства физики, которые могут сломать Стандартная модель из физика элементарных частиц, Такие как безнейтринный двойной бета-распад, что свидетельствовало бы о нарушении сохранения лептонного числа.

История

Предложение Паули

Нейтрино^[а] был постулирован первым Вольфганг Паули в 1930 году, чтобы объяснить, как бета-распад мог сохранить энергия, импульс, и угловой момент (вращение ). В отличие от Нильс Бор, который предложил статистическую версию законов сохранения для объяснения наблюдаемых непрерывные энергетические спектры в бета-распаде, Паули выдвинул гипотезу о необнаруженной частице, которую он назвал «нейтроном», используя ту же самую -на окончание используется для обозначения как протон и электрон. Он считал, что новая частица испускается из ядра вместе с электроном или бета-частицей в процессе бета-распада.^[16][b]

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

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

п⁰
→
п⁺
+
е⁻
+
ν
_е

Статья Ферми, написанная в 1934 г., объединила нейтрино Паули с Поль Дирак с позитрон и Вернер Гейзенберг нейтронно-протонной модели и дала прочную теоретическую основу для будущих экспериментальных работ. Журнал Природа отверг статью Ферми, заявив, что теория «слишком далека от реальности». Он отправил статью в итальянский журнал, который принял ее, но общее отсутствие интереса к его теории в то время заставило его переключиться на экспериментальную физику.^[18]:24[19]

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

Прямое обнаружение

Клайд Коуэн проводит нейтринный эксперимент c. 1956 г.

В 1942 г. Ван Ганьчан впервые предложил использовать бета-захват для экспериментального обнаружения нейтрино.^[20] В номере журнала от 20 июля 1956 г. Наука, Клайд Коуэн, Фредерик Райнес, Ф. Б. Харрисон, Х. В. Круз и А. Д. Макгуайр опубликовали подтверждение того, что они обнаружили нейтрино,^[21][22] результат, который был вознагражден почти сорок лет спустя Нобелевская премия 1995 г..^[23]

В этом эксперименте, теперь известном как Нейтринный эксперимент Коуэна – Райнеса, антинейтрино, созданное в ядерном реакторе в результате бета-распада, вступило в реакцию с протонами с образованием нейтроны и позитроны:

ν
_е +
п⁺
→
п⁰
+
е⁺

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

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

Нейтринный аромат

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

В 1962 г. Леон М. Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюон нейтрино (уже выдвинутая гипотеза с названием нейтретто),^[26] что принесло им Нобелевская премия по физике 1988 г..

Когда третий тип лептон, то тау, был открыт в 1975 г. Стэнфордский центр линейных ускорителей, также ожидалось, что у него будет ассоциированное нейтрино (тау-нейтрино). Первое свидетельство этого третьего типа нейтрино было получено из наблюдения недостающей энергии и импульса в распадах тау, аналогичных бета-распаду, что привело к открытию электронного нейтрино. Первое обнаружение взаимодействий тау-нейтрино было объявлено в 2000 г. DONUT сотрудничество в Фермилаб; о его существовании уже говорилось как на основании теоретической согласованности, так и на основании экспериментальных данных Большой электрон-позитронный коллайдер.^[27]

Проблема солнечных нейтрино

В 1960-х годах знаменитый Домашний эксперимент сделал первое измерение потока электронных нейтрино, приходящих из ядра Солнца, и нашел значение, которое было от одной трети до половины числа, предсказанного Стандартная солнечная модель. Это несоответствие, получившее название проблема солнечных нейтрино, оставалась нерешенной в течение примерно тридцати лет, в то время как возможные проблемы как с экспериментом, так и с солнечной моделью были исследованы, но не были обнаружены. В конце концов выяснилось, что оба они были на самом деле правильными, и что несоответствие между ними было связано с тем, что нейтрино были более сложными, чем предполагалось ранее. Было высказано предположение, что три нейтрино имели ненулевые и немного разные массы, и поэтому могли колебаться в необнаруживаемые ароматы во время полета на Землю. Эта гипотеза была исследована в новой серии экспериментов, тем самым открыв новую важную область исследований, которая продолжается до сих пор. Возможное подтверждение явления осцилляции нейтрино привело к получению двух Нобелевских премий, Раймонд Дэвис младший, который задумал и провел эксперимент Homestake, и Арт Макдональд, который руководил SNO эксперимент, который мог обнаружить все ароматы нейтрино и не обнаружил дефицита.^[28]

Колебание

Практический метод исследования осцилляций нейтрино был впервые предложен Бруно Понтекорво в 1957 г. по аналогии с Каон колебания; в течение последующих 10 лет он разработал математический аппарат и современную формулировку вакуумных колебаний. В 1985 г. Станислав Михеев и Алексей Смирнов (расширяя работу 1978 г. Линкольн Вольфенштейн ) отметил, что колебания аромата могут быть изменены, когда нейтрино распространяются через вещество. Это так называемое Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна. (Эффект MSW) важно понимать, потому что многие нейтрино, испускаемые синтезом на Солнце, проходят через плотную материю в солнечное ядро (где, по сути, происходит весь солнечный синтез) на пути к детекторам на Земле.

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

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

Космические нейтрино

Раймонд Дэвис-младший и Масатоши Кошиба были совместно награждены премией 2002 г. Нобелевская премия по физике. Оба провели новаторскую работу над солнечное нейтрино обнаружение, и работа Кошибы также привела к первому наблюдению нейтрино в реальном времени из SN 1987A сверхновая звезда в соседнем Большое Магелланово Облако. Эти усилия положили начало нейтринная астрономия.^[30]

SN 1987A представляет собой единственное подтвержденное обнаружение нейтрино от сверхновой. Однако многие звезды во Вселенной превратились в сверхновые, в результате чего возникла теоретическая проблема. диффузный нейтринный фон сверхновой.

Свойства и реакции

Нейтрино имеют полуцелое число вращение (​¹⁄₂час); поэтому они фермионы. Нейтрино лептоны. Было замечено, что они взаимодействуют только через слабая сила, хотя предполагается, что они также взаимодействуют гравитационно.

Ароматизатор, масса и их смешивание

Слабые взаимодействия создают нейтрино в одном из трех лептонных ароматы: электронные нейтрино (
ν
_е), мюонные нейтрино (
ν
_μ), или же тау нейтрино (
ν
_τ), связанных с соответствующими заряженными лептонами, электрон (
е⁻
), мюон (
μ⁻
), и тау (
τ⁻
), соответственно.^[31]

Хотя долгое время считалось, что нейтрино безмассовые, теперь известно, что существует три дискретных массы нейтрино; каждое состояние аромата нейтрино представляет собой линейную комбинацию трех дискретных массовых собственных состояний. Хотя по состоянию на 2016 год известны только разности квадратов трех значений массы,^[8] эксперименты показали, что эти массы очень малы. Из космологический При измерениях было подсчитано, что сумма трех нейтрино должна быть меньше одной миллионной массы электрона.^[1][9]

Более формально аромат нейтрино собственные состояния (комбинации создания и уничтожения) - не то же самое, что собственные состояния нейтрино (просто обозначенные «1», «2» и «3»). По состоянию на 2016 год неизвестно, какое из этих трех является самым тяжелым. По аналогии с иерархией масс заряженных лептонов конфигурация с массой 2, меньшей массы 3, обычно называется «нормальной иерархией», тогда как в «перевернутой иерархии» все наоборот. В настоящее время проводится несколько крупных экспериментальных работ, чтобы помочь установить, что является правильным.^[32]

Нейтрино, созданное в определенном собственном состоянии аромата, находится в ассоциированном определенном квантовая суперпозиция всех трех массовых собственных состояний. Это возможно, потому что три массы различаются настолько мало, что их невозможно экспериментально различить в рамках любой практической траектории полета из-за принцип неопределенности. Было обнаружено, что доля каждого массового состояния в полученном состоянии чистого ароматизатора в значительной степени зависит от этого аромата. Связь между собственными состояниями аромата и массы кодируется в Матрица PMNS. Эксперименты установили значения для элементов этой матрицы.^[8]

Ненулевая масса позволяет нейтрино иметь крошечный магнитный момент; Если это так, нейтрино будут взаимодействовать электромагнитно, хотя такого взаимодействия никогда не наблюдалось.^[33]

Колебания вкуса

Нейтрино колебаться между разными вкусами в полете. Например, электронное нейтрино, рожденное в бета-распад Реакция может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино, что определяется ароматом заряженного лептона, производимого в детекторе. Это колебание происходит потому, что три компонента массового состояния производимого аромата движутся с немного разными скоростями, так что их квантово-механические волновые пакеты развивать относительный фазовые сдвиги которые меняют способ их сочетания, чтобы создать различную суперпозицию трех ароматов. Таким образом, каждый ароматический компонент колеблется по мере перемещения нейтрино, причем ароматизаторы различаются по относительной силе. Относительные пропорции аромата при взаимодействии нейтрино представляют собой относительную вероятность того, что этот аромат взаимодействия произведет соответствующий аромат заряженного лептона.^[6][7]

Существуют и другие возможности, при которых нейтрино могло бы осциллировать, даже если бы они были безмассовыми: Если Симметрия Лоренца не были точной симметрией, нейтрино могли испытывать Лоренц-инвариантные колебания.^[34]

Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна.

Нейтрино, путешествуя через материю, в общем, претерпевает процесс, аналогичный свет проходит сквозь прозрачный материал. Этот процесс нельзя непосредственно наблюдать, потому что он не производит ионизирующего излучения, но порождает Эффект ТБО. Лишь малая часть энергии нейтрино передается материалу.^[35]

Антинейтрино

Антивещество
Аннигиляция
Устройства Ускоритель частиц Ловушка Пеннинга Камера Уилсона
Античастицы Позитрон Антипротон Антинейтрон
Использует Позитронно-эмиссионная томография Топливо Оружие
Тела АЛЬФА Сотрудничество АФИНА ЛОВУШКА ЦЕРН RHIC
Люди Поль Дирак Карл Дэвид Андерсон Андрей Сахаров

Для каждого нейтрино также существует соответствующее античастица, называется антинейтрино, который также не имеет электрического заряда и полуцелого спина. Они отличаются от нейтрино наличием противоположных знаков лептонное число и напротив хиральность. По состоянию на 2016 год не было обнаружено никаких доказательств каких-либо других различий. Во всех наблюдениях за лептонными процессами (несмотря на обширные и продолжающиеся поиски исключений) общее лептонное число никогда не менялось; например, если полное лептонное число равно нулю в начальном состоянии, электронные нейтрино появляются в конечном состоянии вместе только с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, а электронные антинейтрино с электронами или электронными нейтрино.^[10][11]

Антинейтрино производятся в ядерный бета-распад вместе с бета-частица, в котором, например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Все наблюдаемые антинейтрино обладают правосторонними спиральность (т.е. когда-либо наблюдалось только одно из двух возможных спиновых состояний), а нейтрино левосторонние. Тем не менее, поскольку нейтрино имеют массу, их спиральность Рамка -зависимый, поэтому здесь уместно связанное независимое от кадра свойство киральности.

Антинейтрино были впервые обнаружены в результате их взаимодействия с протонами в большом резервуаре с водой. Он был установлен рядом с ядерным реактором как управляемый источник антинейтрино (см .: Нейтринный эксперимент Коуэна – Райнеса Исследователи во всем мире начали изучать возможность использования антинейтрино для мониторинга реактора в контексте предотвращения распространение ядерного оружия.^[36][37][38]

Майоранская масса

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

По состоянию на 2019 год^{[Обновить]}, неизвестно, являются ли нейтрино Майорана или же Дирак частицы. Это свойство можно проверить экспериментально. Например, если нейтрино действительно являются майорановскими частицами, то процессы нарушения лептонного числа, такие как безнейтринный двойной бета-распад будут разрешены, а они не будут, если нейтрино Дирак частицы. Несколько экспериментов были и проводятся для поиска этого процесса, например ГЕРДА,^[39] ЭКЗО,^[40] и СНО +.^[41] В космический нейтринный фон также является проверкой того, являются ли нейтрино Майорановые частицы, поскольку в случае Дирака или Майорана должно быть зарегистрировано другое количество космических нейтрино.^[42]

Ядерные реакции

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

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

Индуцированное деление

Очень похоже на нейтроны делать в ядерные реакторы нейтрино могут вызывать реакции деления в тяжелом ядра.^[44] Пока эта реакция не измерялась в лаборатории, но предсказывается, что она будет происходить внутри звезд и сверхновых. Процесс влияет на обилие изотопов видел в вселенная.^[43] Деление нейтрино дейтерий ядер наблюдалось в Нейтринная обсерватория Садбери, который использует тяжелая вода детектор.

Типы

Есть три известных типа (ароматы ) нейтрино: электронное нейтрино
ν
_е, мюонное нейтрино
ν
_μ, и тау-нейтрино
ν
_τ, названный в честь своего партнера лептоны в Стандартная модель (см. таблицу справа). Лучшее в настоящее время измерение количества типов нейтрино происходит при наблюдении за распадом нейтрино. Z бозон. Эта частица может распадаться на любое легкое нейтрино и его антинейтрино, а также на более доступные типы легких нейтрино,^[c] чем короче срок службы Z бозон. Измерения Z время жизни показали, что три легких аромата нейтрино связаны с Z.^[31] Переписка между шестью кварки в Стандартной модели и шесть лептонов, в том числе три нейтрино, подсказывают интуиции физиков, что должно быть ровно три типа нейтрино.

Исследование

Есть несколько активных областей исследований, связанных с нейтрино. Некоторые озабочены проверкой предсказаний поведения нейтрино. Другие исследования сосредоточены на измерении неизвестных свойств нейтрино; особый интерес представляют эксперименты по определению их массы и скорости Нарушение CP, чего нельзя предсказать с помощью современной теории.

Детекторы около искусственных источников нейтрино

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

В КАТРИН эксперимент в Германии начали собирать данные в июне 2018 г.^[45] определить значение массы электронного нейтрино, с другими подходами к этой проблеме на этапах планирования.^[1]

Гравитационные эффекты

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

Три известных аромата нейтрино - единственные установленные элементарная частица кандидаты на темная материя, конкретно горячая темная материя, хотя обычные нейтрино, по-видимому, по существу исключены как значительная часть темной материи на основе наблюдений космический микроволновый фон. По-прежнему кажется правдоподобным, что более тяжелые и стерильные нейтрино могут составлять теплая темная материя, если они есть.^[46]

Поиски стерильных нейтрино

Другие попытки найти доказательства стерильное нейтрино - четвертый аромат нейтрино, который не взаимодействует с веществом, как три известных аромата нейтрино.^{[47][48][49][50]} Возможность стерильный нейтрино не зависит от измерений распада Z-бозона, описанных выше: если их масса больше половины массы Z-бозона, они не могут быть продуктом распада. Следовательно, тяжелые стерильные нейтрино имели бы массу не менее 45,6 ГэВ.

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

Согласно анализу, опубликованному в 2010 г., данные СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson из космический фон совместим с тремя или четырьмя типами нейтрино.^[55]

Поиски безнейтринного двойного бета-распада

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

Нейтрино космических лучей

Космический луч нейтринные эксперименты обнаруживают нейтрино из космоса, чтобы изучить как природу нейтрино, так и космические источники, их производящие.^[56]

Скорость

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

Также некоторые Лоренц-нарушающий варианты квантовая гравитация может позволить нейтрино быстрее света. Комплексная основа для нарушений Лоренца - это Расширение стандартной модели (МСБ).

Первые измерения скорости нейтрино были сделаны в начале 1980-х годов с использованием импульсного пион лучи (создаваемые импульсными пучками протонов, поражающими цель). Пионы распадались, производя нейтрино, и взаимодействия нейтрино, наблюдаемые в пределах временного окна в детекторе на расстоянии, соответствовали скорости света. Это измерение было повторено в 2007 году с использованием МИНОС детекторы, обнаружившие скорость 3 ГэВ нейтрино должно находиться с доверительной вероятностью 99% в диапазоне между 0.999976 c и 1.000126 c. Центральная ценность 1.000051 c выше скорости света, но, с учетом неопределенности, также согласуется со скоростью точно c или чуть меньше. Это измерение установило верхнюю границу массы мюонного нейтрино при 50 МэВ с 99% уверенность.^[57][58] После модернизации детекторов для этого проекта в 2012 году MINOS уточнила свой первоначальный результат и обнаружила соответствие скорости света с разницей во времени прибытия нейтрино и света -0,0006% (± 0,0012%).^[59]

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

Сверхсветовой нейтринный сбой

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

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

Масса

Нерешенная проблема в физике: Можем ли мы измерить массы нейтрино? Следуют ли нейтрино Дирак или же Майорана статистика? (больше нерешенных задач по физике)

В Стандартная модель физики элементарных частиц предполагали, что нейтрино безмассовые.^{[нужна цитата ]} Экспериментально установленное явление осцилляции нейтрино, при котором состояния аромата нейтрино смешиваются с массовыми состояниями нейтрино (аналогично CKM смешивание ), требует, чтобы нейтрино имели ненулевые массы.^[64] Первоначально массивные нейтрино были задуманы Бруно Понтекорво в 1950-е гг. Улучшить базовую структуру, чтобы приспособить их массу, просто путем добавления правого лагранжиана.

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

• Если, как и другие фундаментальные частицы Стандартной модели, масса генерируется Механизм Дирака, то для каркаса потребуется СУ (2) синглет. Эта частица имела бы Юкава взаимодействия с нейтральной составляющей Хиггс дублет, но в противном случае не будет взаимодействовать с частицами Стандартной модели, поэтому называется «стерильным» нейтрино.^{[требуется разъяснение ]}
• Или масса может быть произведена Механизм Майорана, что потребовало бы, чтобы нейтрино и антинейтрино были одной и той же частицей.

Самый строгий верхний предел масс нейтрино исходит от космология: the Большой взрыв модель предсказывает, что существует фиксированное соотношение между количеством нейтрино и количеством фотоны в космический микроволновый фон. Если полная энергия всех трех типов нейтрино превышала в среднем 50 эВ на нейтрино, во Вселенной будет столько массы, что она схлопнется.^[65] Этот предел можно обойти, если предположить, что нейтрино нестабильно, но в Стандартной модели есть ограничения, которые затрудняют это. Гораздо более жесткое ограничение вытекает из тщательного анализа космологических данных, таких как космическое микроволновое фоновое излучение, обзоры галактик, а Лиман-альфа лес. Это означает, что суммарные массы трех нейтрино должны быть меньше, чем 0,3 эВ.^[66]

Нобелевская премия по физике 2015 г. была присуждена Такааки Кадзита и Артур Б. Макдональд за экспериментальное открытие нейтринных осцилляций, которое демонстрирует, что нейтрино имеют массу.^[67][68]

В 1998 г. результаты исследований Супер-Камиоканде Детектор нейтрино определил, что нейтрино могут колебаться от одного аромата к другому, что требует, чтобы они имели ненулевую массу.^[69] Хотя это показывает, что нейтрино имеют массу, абсолютный масштаб массы нейтрино все еще неизвестен. Это потому, что осцилляции нейтрино чувствительны только к разнице квадратов масс.^[70] Наилучшую оценку разности квадратов масс массовых собственных состояний 1 и 2 опубликовал KamLAND в 2005 году: | Δм²
₂₁| = 0.000079 эВ².^[71] В 2006 г. МИНОС Эксперимент измерял осцилляции от интенсивного пучка мюонных нейтрино, определяя разницу в квадратах масс между собственными состояниями нейтрино с массой 2 и 3. Первоначальные результаты показывают | Δм²
₃₂| = 0,0027 эВ², что согласуется с предыдущими результатами Супер-Камиоканде.^[72] Поскольку | Δм²
₃₂| представляет собой разность двух квадратов масс, по крайней мере одна из них должна иметь значение, равное по крайней мере квадратному корню из этого значения. Таким образом, существует по крайней мере одно собственное состояние с массой нейтрино с массой не менее 0,05 эВ.^[73]

В 2009 году данные линзирования скопления галактик были проанализированы, чтобы предсказать массу нейтрино около 1,5 эВ.^[74] Это удивительно высокое значение требует, чтобы массы трех нейтрино были почти равны, с нейтринными осцилляциями порядка миллиэлектронвольт. В 2016 году это было обновлено до массы 1,85 эВ.^[75] Он предсказывает 3 бесплодных^{[требуется разъяснение ]} нейтрино той же массы связано с фракцией темной материи Планка и отсутствием наблюдения двойного безнейтринного бета-распада. Массы лежат ниже верхней границы Майнца-Троицка. 2,2 эВ для электронного антинейтрино.^[76] Последний с июня 2018 года проходит испытания в КАТРИН эксперимент, который ищет массу между 0,2 эВ и 2 эВ.^[45]

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

31 мая 2010 г. ОПЕРА исследователи наблюдали первые тау-нейтрино событие кандидата в мюонное нейтрино луч, впервые наблюдали это преобразование в нейтрино, что дало дополнительные доказательства того, что они имеют массу.^[77]

В июле 2010 года трехмерный обзор галактик MegaZ DR7 сообщил, что они измерили предел объединенной массы трех разновидностей нейтрино, который меньше 0,28 эВ.^[78] Более точная верхняя граница для этой суммы масс, 0,23 эВ, сообщил в марте 2013 г. Планковское сотрудничество,^[79] в то время как результат февраля 2014 года оценивает сумму как 0,320 ± 0,081 эВ на основании расхождений между космологическими последствиями, вытекающими из детальных измерений Планком космический микроволновый фон и предсказания, вытекающие из наблюдений других явлений, в сочетании с предположением, что нейтрино ответственны за наблюдаемые более слабые гравитационное линзирование чем можно было бы ожидать от безмассовых нейтрино.^[80]

Если нейтрино - это Майоранская частица, массу можно рассчитать, найдя период полураспада из безнейтринный двойной бета-распад определенных ядер. Текущий самый низкий верхний предел майорановской массы нейтрино был установлен KamLAND -Zen: 0,060–0,161 эВ.^[81]

Размер

Нейтрино Стандартной модели - это фундаментальные точечные частицы без какой-либо ширины или объема. Поскольку нейтрино - элементарная частица, его размер не такой, как у обычных предметов.^[82] Свойства, связанные с обычным «размером», отсутствуют: между ними нет минимального расстояния, и нейтрино не могут конденсироваться в отдельное однородное вещество, занимающее конечный объем.

Хиральность

Экспериментальные результаты показывают, что в пределах погрешности все произведенные и наблюдаемые нейтрино являются левыми. спирали (вращается антипараллельно импульсы ), и все антинейтрино имеют правую спиральность.^[83] В безмассовом пределе это означает, что только один из двух возможных хиральности наблюдается для любой частицы. Это единственные хиральности, включенные в Стандартная модель взаимодействий частиц.

Возможно, их аналоги (правые нейтрино и левосторонние антинейтрино) просто не существуют. Если это так, то их свойства существенно отличаются от наблюдаемых нейтрино и антинейтрино. Предполагается, что они либо очень тяжелые (порядка Шкала GUT -видеть Механизм качели ), не участвуют в слабом взаимодействии (так называемые стерильные нейтрино ), или оба.

Существование ненулевых масс нейтрино несколько усложняет ситуацию. Нейтрино образуются при слабых взаимодействиях как собственные состояния киральности. Хиральность массивной частицы не является константой движения; спиральность есть, но оператор киральности не разделяет собственные состояния с оператором спиральности. Свободные нейтрино распространяются как смеси состояний левой и правой спиральности с амплитудами смешивания порядка^м_ν⁄_E. Это не оказывает существенного влияния на эксперименты, потому что нейтрино почти всегда ультрарелятивистские, и поэтому амплитуды смешивания исчезающе малы. Фактически, они путешествуют так быстро, а время в их системах покоя течет так медленно, что у них нет достаточно времени, чтобы изменить какой-либо наблюдаемый путь. Например, большинство солнечных нейтрино имеют энергию порядка 0,100 МэВ–1 МэВ, поэтому доля нейтрино с «неправильной» спиральностью среди них не может превышать 10⁻¹⁰.^[84][85]

Аномалия GSI

Неожиданная серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высоко заряженный радиоактивный ионы циркулирует в кольцо для хранения вызвало теоретическую активность в попытке найти убедительное объяснение. наблюдаемое явление известно как Аномалия GSI, так как накопительное кольцо является объектом на GSI Центр исследования тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадт Германия.

Ставки слабый было обнаружено, что распад двух радиоактивных частиц с периодом полураспада около 40 секунд и 200 секунд имеет значительное колебательный модуляция, с периодом около 7 секунд.^[86]Поскольку процесс распада производит электронное нейтрино, некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемой скорости осцилляций предлагают новые или измененные свойства нейтрино. Идеи, связанные с колебаниями вкуса, встретили скептически.^[87]Более позднее предложение основано на различиях между массами нейтрино. собственные состояния.^[88]

Источники

Искусственный

Реакторные нейтрино

Ядерные реакторы являются основным источником нейтрино, генерируемых человеком. Большая часть энергии в ядерном реакторе вырабатывается за счет деления (четыре основных делящихся изотопа в ядерных реакторах: ²³⁵
U
, ²³⁸
U
, ²³⁹
Пу
и ²⁴¹
Пу
) образующиеся нейтронно-богатые дочерние нуклиды быстро претерпевают дополнительные бета-распад, каждый из которых превращает один нейтрон в протон и электрон и высвобождает электронный антинейтрино (
п
→
п
+
е⁻
+
ν
_е). Включая эти последующие распады, в среднем выделяется около 200 МэВ энергии, из которых примерно 95,5% остается в ядре в виде тепла, а примерно 4,5% (или около 9 МэВ)^[89] излучается как антинейтрино. Для типичного ядерного реактора тепловой мощностью 4000 МВт,^[d] общее производство энергии от делящихся атомов на самом деле 4185 МВт, из которых 185 МВт излучается как излучение антинейтрино и никогда не появляется в технике. Это сказать, 185 МВт энергии деления потерял из этого реактора и не является теплом, доступным для работы турбин, поскольку антинейтрино проникают во все строительные материалы практически без взаимодействия.

Энергетический спектр антинейтрино зависит от степени сгорания топлива (антинейтрино деления плутония-239 в среднем имеют немного больше энергии, чем уран-235), но в целом обнаруживаемый антинейтрино от деления имеют пиковую энергию от 3,5 до 4 МэВ, с максимальной энергией около 10 МэВ.^[90] Не существует установленного экспериментального метода для измерения потока низкоэнергетических антинейтрино. Только антинейтрино с энергией выше порога 1,8 МэВ может вызвать обратный бета-распад и таким образом быть однозначно идентифицированным (см. § Обнаружение ниже). По оценкам, 3% всех антинейтрино из ядерного реактора несут энергию выше этого порога. Таким образом, средняя атомная электростанция может генерировать более 10²⁰ антинейтрино в секунду выше этого порога, но также гораздо большее число (97% / 3% ≈ 30 раз это число) ниже энергетического порога, что невозможно увидеть с помощью современной технологии детекторов.

Ускоритель нейтрино

Немного ускорители частиц были использованы для создания нейтринных пучков. Техника столкновения протоны с фиксированной целью, производя заряженные пионы или же каоны. Эти нестабильные частицы затем магнитно фокусируются в длинный туннель, где они распадаются во время полета. Из-за релятивистский импульс распадающейся частицы нейтрино образуются в виде пучка, а не изотропно. Усилия по проектированию ускорительной установки, где нейтрино производятся мюон распады продолжаются.^[91] Такая установка обычно известна как "нейтринная фабрика".

Ядерное оружие

Ядерное оружие также производят очень большое количество нейтрино. Фред Райнс и Клайд Коуэн рассматривали возможность обнаружения нейтрино от бомбы до поиска реакторных нейтрино; реактор деления был рекомендован в качестве лучшей альтернативы руководителем физического отдела Лос-Аламоса Дж. Келлогг.^[92] Оружие деления производит антинейтрино (в процессе деления), а термоядерное оружие производит как нейтрино (в процессе термоядерного синтеза), так и антинейтрино (в результате инициирующего взрыва деления).

Геологический

Нейтрино производятся вместе с натуральными фоновое излучение. В частности, цепочки распада ²³⁸
U
и ²³²
Чт
изотопы, а также⁴⁰
K
, включают бета-распад которые испускают антинейтрино. Эти так называемые геонейтрино могут предоставить ценную информацию о недрах Земли. Первое указание на геонейтрино было обнаружено KamLAND эксперимента 2005 г., обновленные результаты были представлены KamLAND^[93] и Borexino.^[94] Основным фоном в измерениях геонейтрино являются антинейтрино, исходящие от реакторов.

Солнечные нейтрино (протон-протонная цепь ) в Стандартной модели Солнца

Атмосферный

Атмосферные нейтрино возникают в результате взаимодействия космические лучи с атомными ядрами в Атмосфера Земли, создавая потоки частиц, многие из которых нестабильны и при распаде производят нейтрино. Сотрудничество физиков элементарных частиц из Институт фундаментальных исследований Тата (Индия), Городской университет Осаки (Япония) и Даремский университет (Великобритания) зарегистрировали первое взаимодействие нейтрино космических лучей в подземной лаборатории в г. Колар Голд Филдс в Индии в 1965 году.^[95]

Солнечная

Солнечные нейтрино происходят от термоядерная реакция питание солнце и другие звезды. Подробности работы Солнца объясняются Стандартная солнечная модель. Короче: когда четыре протона сливаются, чтобы стать одним гелий ядра, два из них должны превратиться в нейтроны, и при каждом таком преобразовании выделяется одно электронное нейтрино.

Солнце посылает огромное количество нейтрино во всех направлениях. Каждую секунду около 65 миллиард (6.5×10¹⁰) солнечные нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр на части Земли, ортогональной направлению Солнца.^[13] Поскольку нейтрино незначительно поглощаются массой Земли, площадь поверхности на стороне Земли, противоположной Солнцу, получает примерно такое же количество нейтрино, как и сторона, обращенная к Солнцу.

Сверхновые

SN 1987A

В 1966 году Colgate and White^[96] подсчитали, что нейтрино уносит большую часть гравитационной энергии, высвобождаемой при коллапсе массивных звезд, события теперь классифицируются как Тип Ib и Ic и Тип II сверхновые. Когда такие звезды схлопываются, материя плотности в ядре стали такими высокими (10¹⁷ кг / м³) что вырождение электронов недостаточно, чтобы предотвратить объединение протонов и электронов с образованием нейтрона и электронного нейтрино. Второй и более обильный источник нейтрино - тепловая энергия (100 миллиардовкельвины ) новообразованного нейтронного ядра, которое рассеивается за счет образования пар нейтрино-антинейтрино всех ароматов.^[97]

Теория Колгейта и Уайта о рождении нейтрино сверхновой была подтверждена в 1987 году, когда нейтрино от Сверхновая 1987A были обнаружены. Детекторы на водной основе Камиоканде II и ММБ обнаружено 11 и 8 антинейтрино (лептонное число = −1) термического происхождения,^[97] соответственно, а сцинтиллятор на основе Баксан детектор обнаружил 5 нейтрино (лептонное число = +1) либо теплового происхождения, либо происхождения электронного захвата во всплеске длительностью менее 13 секунд. Нейтринный сигнал от сверхновой достиг Земли за несколько часов до прибытия первого электромагнитного излучения, как и ожидалось из очевидного факта, что последнее возникает вместе с ударной волной. Исключительно слабое взаимодействие с нормальным веществом позволило нейтрино пройти через взбалтывающую массу взрывающейся звезды, в то время как электромагнитные фотоны замедлились.

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

Хотя нейтрино проходят через внешние газы сверхновой, не рассеиваясь, они предоставляют информацию о более глубоком ядре сверхновой с доказательством того, что здесь даже нейтрино в значительной степени рассеиваются. В ядре сверхновой звезды плотности такие же, как у нейтронной звезды (которая, как ожидается, будет образована в этом типе сверхновой),^[98] становится достаточно большим, чтобы влиять на длительность нейтринного сигнала, задерживая некоторое количество нейтрино. Сигнал нейтрино длительностью 13 секунд от SN 1987A длился намного дольше, чем это потребовалось бы, чтобы нейтрино беспрепятственно пересекли нейтрино-генерирующее ядро ​​сверхновой звезды, диаметр которой, как ожидается, будет всего 3200 километров для SN 1987A.

Подсчитанное количество нейтрино также соответствовало общей энергии нейтрино, равной 2.2×10⁴⁶ джоули, которая, по оценкам, составляет почти всю полную энергию сверхновой.^[30]

Для средней сверхновой примерно 10⁵⁷ (ан октодециллион ) нейтрино высвобождаются, но фактическое количество, обнаруженное наземным детектором ${displaystyle N}$ будет намного меньше, на уровне

${displaystyle Nsim 10 ^ {4} left ({frac {M} {25, mathrm {kton}}} ight) left ({frac {10, mathrm {kpc}} {d}} ight) ^ {2}}$,

куда ${displaystyle M}$ - масса детектора (например, Супер Камиоканде имеющий массу 50 кт) и ${displaystyle d}$ расстояние до сверхновой.^[99] Следовательно, на практике можно будет регистрировать нейтринные всплески от сверхновых только в пределах или вблизи Млечный Путь (наша собственная галактика). В дополнение к обнаружению нейтрино от отдельных сверхновых, должно быть также возможно обнаружение диффузный нейтринный фон сверхновой, который происходит от всех сверхновых во Вселенной.^[100]

Остатки сверхновой

Энергия нейтрино сверхновых колеблется от единиц до нескольких десятков МэВ. Сайты, где космические лучи ускоряются, как ожидается, произведут нейтрино, которые по крайней мере в миллион раз более энергичны, произведенные из турбулентной газовой среды, оставшейся после взрыва сверхновых: остатки сверхновой. Происхождение космических лучей было приписано сверхновым. Вальтер Бааде и Фриц Цвикки; эта гипотеза была уточнена Виталий Львович Гинзбург и Сергей И. Сыроватский, который приписал происхождение остаткам сверхновой и поддержал свое утверждение решающим замечанием, что потери космических лучей в Млечном Пути компенсируются, если эффективность ускорения в остатках сверхновой составляет около 10 процентов. Гипотеза Гинзбурга и Сыроватского подтверждается конкретным механизмом «ускорения ударной волны», происходящим в остатках сверхновой, что согласуется с первоначальной теоретической картиной, нарисованной Энрико Ферми, и получает поддержку данных наблюдений. Нейтрино очень высоких энергий еще предстоит увидеть, но эта ветвь нейтринной астрономии только зарождается. Основные существующие или предстоящие эксперименты, направленные на наблюдение нейтрино очень высоких энергий из нашей галактики: Байкал, АМАНДА, Кубик льда, АНТАРЕС, НЕМО и Нестор. Связанная информация предоставлена гамма-излучение очень высоких энергий обсерватории, такие как ВЕРИТАС, HESS и МАГИЯ. Действительно, столкновения космических лучей должны производить заряженные пионы, распад которых дает нейтрино, а также нейтральные пионы, чьи распады дают гамма-лучи: окружение остатка сверхновой прозрачно для обоих типов излучения.

Нейтрино еще более высоких энергий, возникающие в результате взаимодействия внегалактических космических лучей, можно было наблюдать с помощью Обсерватория Пьера Оже или со специальным экспериментом под названием ANITA.

Большой взрыв

Считается, что, как и космическое микроволновое фоновое излучение осталось от Большой взрыв, в нашей Вселенной существует фон нейтрино низких энергий. В 1980-х годах было высказано предположение, что это может быть объяснение темная материя думали, что существуют во вселенной. У нейтрино есть одно важное преимущество перед большинством других кандидатов в темную материю: известно, что они существуют. У этой идеи тоже есть серьезные проблемы.

Из экспериментов с частицами известно, что нейтрино очень легкие. Это означает, что они легко передвигаются со скоростью, близкой к скорость света. По этой причине темная материя, состоящая из нейтрино, называется "горячая темная материя ". Проблема в том, что при быстром движении нейтрино имели бы тенденцию равномерно распространяться в вселенная прежде, чем космологическое расширение сделало их достаточно холодными, чтобы собираться в группы. Это приведет к тому, что часть темная материя сделаны из нейтрино, размазываемых и неспособных вызвать большие галактический структуры, которые мы видим.

Эти самые галактики и группы галактик кажется, что они окружены темной материей, которая не успевает покинуть эти галактики. Предположительно это вещество дало гравитационное ядро ​​для формирование. Это означает, что нейтрино не могут составлять значительную часть от общего количества темной материи.

Из космологических аргументов, реликтовые фоновые нейтрино оцениваются как имеющие плотность 56 каждого типа на кубический сантиметр и температуру 1.9 К (1.7×10⁻⁴ эВ), если они безмассовые, намного холоднее, если их масса превышает 0,001 эВ. Хотя их плотность довольно высока, они еще не наблюдались в лаборатории, поскольку их энергия ниже пороговых значений большинства методов обнаружения и из-за чрезвычайно низких сечений взаимодействия нейтрино при энергиях ниже эВ. В отличие, бор-8 солнечные нейтрино, которые испускаются с более высокой энергией, были обнаружены окончательно, несмотря на то, что их плотность в пространстве ниже, чем у реликтовых нейтрино, примерно на 6 порядков.

Обнаружение

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

Впервые антинейтрино были обнаружены в 1950-х годах возле ядерного реактора. Reines и Cowan использовали две мишени, содержащие раствор хлорид кадмия в воде. Рядом с кадмиевыми мишенями размещались два сцинтилляционных детектора. Антинейтрино с энергией выше порога 1,8 МэВ вызывали заряженные текущие взаимодействия с протонами в воде, производящие позитроны и нейтроны. Это очень похоже на
β⁺
распад, где энергия используется для преобразования протона в нейтрон, позитрон (
е⁺
) и электронное нейтрино (
ν
_е) испускается:

Из известных
β⁺
разлагаться:

Энергия +
п
→
п
+
е⁺
+
ν
_е

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

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

В результате аннигиляция позитронов с электронами в материале детектора создала фотоны с энергией около 0,5 МэВ. Совпадающие пары фотонов могут быть обнаружены двумя сцинтилляционными детекторами выше и ниже цели. Нейтроны были захвачены ядрами кадмия, что привело к образованию гамма-лучей около 8 МэВ которые были зарегистрированы через несколько микросекунд после фотонов от события аннигиляции позитрона.

С тех пор использовались различные методы обнаружения. Супер Камиоканде большой объем воды, окруженный фотоумножители которые следят за Черенковское излучение испускается, когда входящее нейтрино создает электрон или же мюон в воде. В Нейтринная обсерватория Садбери похоже, но используется тяжелая вода в качестве среды обнаружения, которая использует те же эффекты, но также допускает дополнительную реакцию нейтрино с любым ароматом фотодиссоциации дейтерия, в результате чего образуется свободный нейтрон, который затем обнаруживается гамма-излучением после захвата хлора. Другие детекторы состояли из больших объемов хлор или же галлий которые периодически проверяются на наличие превышения аргон или же германий соответственно, которые создаются электронными нейтрино, взаимодействующими с исходным веществом. МИНОС использован твердый пластик сцинтиллятор соединены с фотоумножителями, а Borexino использует жидкость псевдокумола за сцинтиллятором также наблюдают фотоумножители и NOνA детектор использует жидкий сцинтиллятор, за которым следит лавинные фотодиоды. В Нейтринная обсерватория IceCube использует 1 км³ из Антарктический ледяной покров недалеко от Южный полюс с фотоумножителями, распределенными по всему объему.

В детекторе ND280 Ливерпульского университета используется новое применение детекторов света в гадолиниевом корпусе в магнитном поле с регулируемой температурой, улавливающих события двойных световых импульсов. Эксперимент T2K разработал технологию, и практические эксперименты были успешными как в Японии, так и на электростанции Wylfa.^[101]

Научный интерес

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

Использование нейтрино в качестве зонда было впервые предложено в середине 20 века как способ обнаружения условий в ядре Солнца. Солнечное ядро ​​невозможно отобразить напрямую, потому что электромагнитное излучение (например, свет) рассеивается большим количеством и плотностью вещества, окружающего ядро. С другой стороны, нейтрино проходят через Солнце с небольшим количеством взаимодействий. В то время как фотонам, испускаемым из солнечного ядра, может потребоваться 40 000 лет, чтобы диффундировать к внешним слоям Солнца, нейтрино, генерируемые в реакциях звездного синтеза в ядре, пересекают это расстояние практически беспрепятственно почти со скоростью света.^[102][103]

Нейтрино также полезны для исследования астрофизических источников за пределами Солнечной системы, потому что они являются единственными известными частицами, которые незначительно ослабленный своим путешествием в межзвездной среде. Оптические фотоны могут затеняться или рассеиваться пылью, газом и фоновым излучением. Высокая энергия космические лучи в виде быстрых протонов и атомных ядер, не могут пройти более 100мегапарсек из-за Предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина. (Отсечка ГЗК). Нейтрино, напротив, могут путешествовать даже на большие расстояния практически без ослабления.

Галактическое ядро Млечный Путь полностью скрыт плотным газом и многочисленными яркими объектами. Нейтрино, образующиеся в ядре галактики, можно измерить с помощью земных нейтринные телескопы.^[18]

Еще одно важное использование нейтрино - наблюдение сверхновые, взрывы, уносящие жизни очень массивных звезд. Фаза коллапса ядра сверхновой - чрезвычайно плотное и энергичное событие. Он настолько плотный, что никакие известные частицы не могут покинуть передний фронт ядра, кроме нейтрино. Следовательно, известно, что сверхновые выделяют около 99% своей лучистой энергии за короткий (10 секунд) всплеск нейтрино.^[104] Эти нейтрино - очень полезный зонд для изучения коллапса активной зоны.

Масса покоя нейтрино - важная проверка космологических и астрофизических теорий (см. Темная материя ). Значение нейтрино в исследовании космологических явлений так же велико, как и любой другой метод, и, таким образом, является одним из основных направлений исследований в астрофизических сообществах.^[105]

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

В ноябре 2012 года американские ученые использовали ускоритель элементарных частиц, чтобы отправить когерентное нейтринное сообщение через 780 футов скалы. Это знаменует собой первое использование нейтрино для связи, и будущие исследования могут позволить отправлять двоичные нейтринные сообщения на огромные расстояния даже через самые плотные материалы, такие как ядро ​​Земли.^[106]

В июле 2018 г. Нейтринная обсерватория IceCube объявили, что они отследили нейтрино сверхвысокой энергии, которое упало на их исследовательскую станцию ​​в Антарктиде в сентябре 2017 года, до точки его происхождения в блазар TXS 0506 +056 расположен в 3,7 миллиарда световых лет прочь в направлении созвездия Орион. Это первый раз, когда детектор нейтрино был использован для определения местоположения объекта в космосе и источника космические лучи был идентифицирован.^{[107][108][109]}

Смотрите также

• Список нейтринных экспериментов
• Колебания нейтрино
• Нейтринная астрономия
• Астрономия с несколькими мессенджерами - Скоординированное наблюдение и интерпретация разрозненных сигналов «посланников», созданных различными астрофизическими процессами.

Примечания

Рекомендации

Библиография

внешняя ссылка

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