Ang neutrino ay isang elementarya na particle na halos kapareho sa isang electron, ngunit walang electric charge. Mayroon itong napakaliit na masa, na maaaring maging zero. Ang bilis ng neutrino ay nakasalalay din sa masa. Ang pagkakaiba sa oras ng pagdating ng particle at liwanag ay 0.0006% (± 0.0012%). Noong 2011, sa panahon ng eksperimento ng OPERA, nalaman na ang bilis ng mga neutrino ay lumampas sa bilis ng liwanag, ngunit hindi ito nakumpirma ng independyenteng karanasan.
The Elusive Particle
Ito ang isa sa mga pinakakaraniwang particle sa uniberso. Dahil napakakaunting nakikipag-ugnayan ito sa bagay, napakahirap itong matukoy. Ang mga electron at neutrino ay hindi nakikilahok sa malakas na pakikipag-ugnayang nuklear, ngunit pantay na nakikilahok sa mga mahihina. Ang mga particle na may ganitong mga katangian ay tinatawag na lepton. Bilang karagdagan sa electron (at ang antiparticle nito, ang positron), ang mga charged lepton ay kinabibilangan ng muon (200 electron mass), ang tau (3500 electron mass), at ang kanilang mga antiparticle. Ang mga ito ay tinatawag na: electron-, muon- at tau-neutrino. Ang bawat isa sa kanila ay may anti-material na sangkap na tinatawag na antineutrino.
Ang Muon at tau, tulad ng isang electron, ay may mga particle na kasama sa kanila. Ang mga ito ay muon at tau neutrino. Ang tatlong uri ng mga particle ay naiiba sa bawat isa. Halimbawa, kapag ang mga muon neutrino ay nakikipag-ugnayan sa isang target, palagi silang gumagawa ng mga muon, hindi kailanman tau o mga electron. Sa pakikipag-ugnayan ng mga particle, kahit na ang mga electron at electron-neutrino ay maaaring malikha at masira, ang kanilang kabuuan ay nananatiling hindi nagbabago. Ang katotohanang ito ay humahantong sa paghahati ng mga lepton sa tatlong uri, kung saan ang bawat isa ay may naka-charge na lepton at may kasamang neutrino.
Napakalaki at napakasensitibong mga detector ang kailangan para matukoy ang particle na ito. Karaniwan, ang mga low-energy neutrino ay maglalakbay ng maraming light-years bago makipag-ugnayan sa bagay. Dahil dito, ang lahat ng ground-based na eksperimento sa kanila ay umaasa sa pagsukat ng kanilang maliit na fraction na nakikipag-ugnayan sa mga recorder na may makatwirang laki. Halimbawa, sa Sudbury Neutrino Observatory, na naglalaman ng 1000 tonelada ng mabigat na tubig, humigit-kumulang 1012 solar neutrino bawat segundo ang dumadaan sa detector. At 30 lang sa isang araw ang makikita.
Kasaysayan ng pagtuklas
Wolfgang Pauli unang nag-postulate ng pagkakaroon ng isang particle noong 1930. Isang problema ang lumitaw noong panahong iyon dahil tila ang enerhiya at angular na momentum ay hindi natipid sa beta decay. Ngunit binanggit ni Pauli na kung ang isang non-interacting neutral neutrino particle ay ibinubuga, kung gayon ang batas ng konserbasyon ng enerhiya ay susundin. Ang Italyano physicist na si Enrico Fermi ay bumuo ng teorya ng beta decay noong 1934 at binigyan ang particle ng pangalan nito.
Sa kabila ng lahat ng mga hula, sa loob ng 20 taon ay hindi matukoy ang mga neutrino sa eksperimento dahil sa mahina nitong pakikipag-ugnayan sa bagay. Dahil ang mga particle ay hindi electricallysisingilin, hindi sila apektado ng mga electromagnetic na pwersa, at, samakatuwid, hindi sila nagiging sanhi ng ionization ng bagay. Bilang karagdagan, ang mga ito ay tumutugon sa bagay lamang sa pamamagitan ng mahinang pakikipag-ugnayan ng hindi gaanong lakas. Samakatuwid, ang mga ito ay ang pinaka-matalim na subatomic na mga particle, na maaaring dumaan sa isang malaking bilang ng mga atom nang hindi nagiging sanhi ng anumang reaksyon. 1 lang sa 10 bilyon ng mga particle na ito, na naglalakbay sa matter sa layo na katumbas ng diameter ng Earth, ang tumutugon sa isang proton o neutron.
Sa wakas, noong 1956, inihayag ng isang grupo ng mga Amerikanong pisiko sa pamumuno ni Frederick Reines ang pagkatuklas ng electron-antineutrino. Sa kanyang mga eksperimento, ang mga antineutrino na ibinubuga mula sa isang nuclear reactor ay nakipag-ugnayan sa mga proton upang bumuo ng mga neutron at positron. Ang kakaiba (at bihirang) mga pirma ng enerhiya ng mga pinakabagong by-product na ito ay nagbibigay ng katibayan para sa pagkakaroon ng particle.
Ang pagtuklas ng mga naka-charge na muon lepton ay naging panimulang punto para sa kasunod na pagkakakilanlan ng pangalawang uri ng neutrino - muon. Ang kanilang pagkakakilanlan ay isinagawa noong 1962 batay sa mga resulta ng isang eksperimento sa isang particle accelerator. Ang mga high-energy muonic neutrino ay ginawa ng pagkabulok ng mga pi-meson at ipinadala sa detektor sa paraang mapag-aralan ang kanilang mga reaksyon sa bagay. Bagama't hindi reaktibo ang mga ito, tulad ng ibang mga uri ng mga particle na ito, napag-alaman na sa mga bihirang pagkakataon na tumutugon sila sa mga proton o neutron, ang mga muon-neutrino ay bumubuo ng mga muon, ngunit hindi kailanman mga electron. Noong 1998, ang mga Amerikanong pisiko na sina Leon Lederman, Melvin Schwartz at Jack Steinbergernakatanggap ng Nobel Prize sa Physics para sa pagkakakilanlan ng muon-neutrino.
Noong kalagitnaan ng 1970s, ang neutrino physics ay napunan ng isa pang uri ng mga naka-charge na lepton - tau. Ang tau neutrino at tau antineutrino ay lumabas na nauugnay sa ikatlong naka-charge na lepton na ito. Noong 2000, ang mga physicist sa National Accelerator Laboratory. Iniulat ni Enrico Fermi ang unang pang-eksperimentong ebidensya para sa pagkakaroon ng ganitong uri ng particle.
Misa
Lahat ng uri ng neutrino ay may mass na mas maliit kaysa sa kanilang mga sinisingil na katapat. Halimbawa, ipinapakita ng mga eksperimento na ang mass ng electron-neutrino ay dapat na mas mababa sa 0.002% ng masa ng elektron at ang kabuuan ng mga masa ng tatlong species ay dapat na mas mababa sa 0.48 eV. Sa loob ng maraming taon, tila ang masa ng isang butil ay zero, bagaman walang nakakumbinsi na teoretikal na katibayan kung bakit dapat ganito. Pagkatapos, noong 2002, ang Sudbury Neutrino Observatory ay nagbigay ng unang direktang katibayan na ang mga electron-neutrino na ibinubuga ng mga reaksyong nuklear sa pangunahing uri ng pagbabago ng Araw habang naglalakbay sila dito. Ang ganitong mga "oscillations" ng mga neutrino ay posible kung ang isa o higit pang mga uri ng mga particle ay may maliit na masa. Ang kanilang mga pag-aaral sa interaksyon ng mga cosmic ray sa atmospera ng Earth ay nagpapahiwatig din ng pagkakaroon ng masa, ngunit ang mga karagdagang eksperimento ay kinakailangan upang matukoy ito nang mas tumpak.
Sources
Ang mga likas na pinagmumulan ng neutrino ay ang radioactive decay ng mga elemento sa bituka ng Earth, kung saanisang malaking stream ng mga electron-antineutrino na mababa ang enerhiya ay ibinubuga. Ang supernovae ay isa ring nakararami na neutrino phenomenon, dahil ang mga particle na ito lamang ang maaaring tumagos sa superdense na materyal na ginawa sa isang gumuho na bituin; maliit na bahagi lamang ng enerhiya ang na-convert sa liwanag. Ipinapakita ng mga kalkulasyon na humigit-kumulang 2% ng enerhiya ng Araw ay ang enerhiya ng mga neutrino na ginawa sa mga reaksyon ng thermonuclear fusion. Malamang na karamihan sa dark matter sa uniberso ay binubuo ng mga neutrino na ginawa sa panahon ng Big Bang.
Mga problema sa pisika
Ang mga field na nauugnay sa mga neutrino at astrophysics ay magkakaiba at mabilis na umuunlad. Ang mga kasalukuyang tanong na nakakaakit ng malaking bilang ng mga eksperimental at teoretikal na pagsisikap ay ang mga sumusunod:
- Ano ang masa ng iba't ibang neutrino?
- Paano sila nakakaapekto sa Big Bang cosmology?
- Nag-oocillate ba sila?
- Maaari bang mag-transform ang mga neutrino ng isang uri sa iba habang naglalakbay sila sa bagay at kalawakan?
- Ang mga neutrino ba ay pangunahing naiiba sa kanilang mga antiparticle?
- Paano gumuho ang mga bituin at bumubuo ng mga supernova?
- Ano ang papel ng mga neutrino sa kosmolohiya?
Isa sa mga matagal nang problema ng partikular na interes ay ang tinatawag na solar neutrino problem. Ang pangalang ito ay tumutukoy sa katotohanan na sa ilang mga eksperimentong nakabatay sa lupa na isinagawa sa nakalipas na 30 taon, mas kaunting mga particle ang patuloy na sinusunod kaysa sa kinakailangan upang makagawa ng enerhiya na ibinubuga ng araw. Ang isa sa mga posibleng solusyon nito ay ang oscillation, ibig sabihin, ang pagbabago ng electronicneutrino sa muon o tau habang naglalakbay sa Earth. Dahil mas mahirap sukatin ang low-energy na muon o tau neutrino, maaaring ipaliwanag ng ganitong uri ng pagbabago kung bakit hindi natin naobserbahan ang tamang bilang ng mga particle sa Earth.
Ikaapat na Nobel Prize
Ang 2015 Nobel Prize sa Physics ay iginawad kina Takaaki Kajita at Arthur McDonald para sa kanilang pagtuklas ng neutrino mass. Ito ang ikaapat na parangal na nauugnay sa mga pang-eksperimentong sukat ng mga particle na ito. Maaaring magtaka ang ilan kung bakit dapat nating pakialaman ang isang bagay na halos hindi nakikipag-ugnayan sa ordinaryong bagay.
Ang mismong katotohanan na maaari nating makita ang mga ephemeral particle na ito ay isang patunay ng katalinuhan ng tao. Dahil ang mga patakaran ng quantum mechanics ay probabilistic, alam natin na kahit na halos lahat ng neutrino ay dumadaan sa Earth, ang ilan sa kanila ay makikipag-ugnayan dito. Isang detector na may sapat na laki upang matukoy ito.
Ang unang ganoong device ay itinayo noong dekada sisenta sa kalaliman sa isang minahan sa South Dakota. Ang minahan ay napuno ng 400 libong litro ng paglilinis ng likido. Sa karaniwan, isang neutrino particle bawat araw ay nakikipag-ugnayan sa isang chlorine atom, na ginagawa itong argon. Hindi kapani-paniwala, si Raymond Davis, na siyang namamahala sa detector, ay gumawa ng paraan upang matukoy ang kaunting argon atoms na ito, at pagkaraan ng apat na dekada, noong 2002, ginawaran siya ng Nobel Prize para sa kamangha-manghang teknikal na gawaing ito.
Bagong Astronomy
Dahil mahina ang pakikipag-ugnayan ng mga neutrino, maaari silang maglakbay ng malalayong distansya. Binibigyan nila tayo ng pagkakataong tumingin sa mga lugar na hindi natin makikita. Ang mga neutrino na natuklasan ni Davis ay ginawa ng mga reaksyong nuklear na naganap sa pinakasentro ng Araw, at nagawang makatakas sa hindi kapani-paniwalang siksik at mainit na lugar na ito dahil halos hindi sila nakikipag-ugnayan sa ibang bagay. Posible pa ngang makakita ng neutrino na lumilipad mula sa gitna ng sumasabog na bituin sa loob ng isang daang libong light-years mula sa Earth.
Dagdag pa rito, ginagawang posible ng mga particle na ito na obserbahan ang uniberso sa napakaliit na sukat, na mas maliit kaysa sa kung ano ang maaaring tingnan ng Large Hadron Collider sa Geneva, na natuklasan ang Higgs boson. Dahil dito nagpasya ang Komite ng Nobel na igawad ang Nobel Prize para sa pagtuklas ng isa pang uri ng neutrino.
Misteryosong Nawawala
Nang naobserbahan ni Ray Davis ang mga solar neutrino, nakita niya ang ikatlong bahagi lamang ng inaasahang bilang. Karamihan sa mga physicist ay naniniwala na ang dahilan para dito ay isang mahinang kaalaman sa astrophysics ng Araw: marahil ang mga modelo ng interior ng bituin ay na-overestimated ang bilang ng mga neutrino na ginawa dito. Ngunit sa paglipas ng mga taon, kahit na bumuti ang mga modelo ng solar, nanatili ang mga kakulangan. Ang mga physicist ay nagbigay pansin sa isa pang posibilidad: ang problema ay maaaring nauugnay sa aming pag-unawa sa mga particle na ito. Ayon sa umiiral na teorya noon, wala silang misa. Ngunit ang ilang mga physicist ay nagtalo na ang mga particle ay talagang may isang infinitesimalmisa, at ang misa na ito ang dahilan ng kanilang kakulangan.
Three-faced particle
Ayon sa teorya ng neutrino oscillations, may tatlong magkakaibang uri ng neutrino sa kalikasan. Kung ang isang butil ay may masa, kung gayon habang ito ay gumagalaw, maaari itong magbago mula sa isang uri patungo sa isa pa. Tatlong uri - electron, muon at tau - kapag nakikipag-ugnayan sa matter ay maaaring ma-convert sa kaukulang sisingilin na particle (electron, muon o tau lepton). Ang "oscillation" ay nangyayari dahil sa quantum mechanics. Ang uri ng neutrino ay hindi pare-pareho. Nagbabago ito sa paglipas ng panahon. Ang isang neutrino, na nagsimula sa pagkakaroon nito bilang isang elektron, ay maaaring maging isang muon, at pagkatapos ay bumalik. Kaya, ang isang butil na nabuo sa core ng Araw, papunta sa Earth, ay maaaring pana-panahong maging isang muon-neutrino at vice versa. Dahil ang Davis detector ay makakakita lamang ng mga electron neutrino na may kakayahang humantong sa nuclear transmutation ng chlorine sa argon, tila posible na ang mga nawawalang neutrino ay naging iba pang mga uri. (Sa lumalabas, ang mga neutrino ay umiikot sa loob ng Araw, hindi papunta sa Earth.)
Eksperimento sa Canada
Ang tanging paraan upang subukan ito ay ang bumuo ng isang detector na gumagana para sa lahat ng tatlong uri ng neutrino. Mula noong 1990s, pinamunuan ni Arthur McDonald ng Queen's Ontario University ang pangkat na gumawa nito sa isang minahan sa Sudbury, Ontario. Ang pasilidad ay naglalaman ng tone-toneladang mabigat na tubig na pinahiram mula sa gobyerno ng Canada. Ang mabigat na tubig ay isang bihirang ngunit natural na nagaganap na anyo ng tubig kung saan ang hydrogen, na naglalaman ng isang proton,pinalitan ng mas mabigat nitong isotope deuterium, na naglalaman ng isang proton at isang neutron. Nag-imbak ng mabigat na tubig ang gobyerno ng Canada dahil ginagamit ito bilang coolant sa mga nuclear reactor. Ang lahat ng tatlong uri ng neutrino ay maaaring sirain ang deuterium upang bumuo ng isang proton at isang neutron, at pagkatapos ay binibilang ang mga neutron. Ang detector ay nagrehistro ng humigit-kumulang tatlong beses ang bilang ng mga particle kumpara kay Davis - eksakto ang bilang na hinulaan ng pinakamahusay na mga modelo ng Araw. Iminungkahi nito na ang electron-neutrino ay maaaring mag-oscillate sa iba pang mga uri nito.
eksperimentong Hapon
Sa parehong oras, si Takaaki Kajita ng University of Tokyo ay gumagawa ng isa pang kahanga-hangang eksperimento. Ang isang detector na naka-install sa isang minahan sa Japan ay nagrehistro ng mga neutrino na nagmumula hindi mula sa bituka ng Araw, ngunit mula sa itaas na kapaligiran. Kapag ang mga cosmic ray proton ay bumangga sa atmospera, ang mga pag-ulan ng iba pang mga particle ay nabuo, kabilang ang muon neutrino. Sa minahan, ginawa nilang muon ang hydrogen nuclei. Nakikita ng Kajita detector ang mga particle na dumarating sa dalawang direksyon. Ang ilan ay nahulog mula sa itaas, na nagmumula sa atmospera, habang ang iba ay lumipat mula sa ibaba. Ang bilang ng mga particle ay iba, na nagsasaad ng kanilang magkakaibang kalikasan - sila ay nasa iba't ibang mga punto ng kanilang mga oscillation cycle.
Rebolusyon sa agham
Lahat ito ay kakaiba at kamangha-mangha, ngunit bakit ang mga oscillations at neutrino mass ay nakakaakit ng maraming atensyon? Simple lang ang dahilan. Sa karaniwang modelo ng particle physics na binuo sa nakalipas na limampung taon ng ikadalawampu siglo,na wastong inilarawan ang lahat ng iba pang mga obserbasyon sa mga accelerator at iba pang mga eksperimento, ang mga neutrino ay dapat na walang masa. Ang pagtuklas ng neutrino mass ay nagpapahiwatig na may nawawala. Hindi kumpleto ang Standard Model. Ang mga nawawalang elemento ay hindi pa natutuklasan, alinman sa pamamagitan ng Large Hadron Collider o isa pang gagawin pang makina.
