neutrino: définition, propriétés, une description. oscillations neutrino – il …

Neutrino – une particule élémentaire qui est très similaire à l'électron, mais il n'a pas de charge électrique. Il a une masse très faible, ce qui peut même être nulle. De la masse du neutrino dépend de la vitesse. La différence de temps d'arrivée et le faisceau de particules est 0,0006% (± 0,0012%). En 2011, il a été établi au cours de l'expérience OPERA que la vitesse est supérieure à la vitesse de neutrinos légers, mais indépendante de cette expérience n'a pas confirmé.

La particule insaisissable

Ceci est l'une des particules les plus courantes dans l'univers. Comme il interagit très peu avec la matière, il est incroyablement difficile à détecter. Les électrons et les neutrinos ne participent pas à la force nucléaire forte, mais participent également à la faiblesse. Les particules ayant des propriétés telles sont appelées leptons. En plus d'électrons (positrons et antiparticle), renvoyée à la leptons muon chargé (200 masse de l'électron) tau (3500 masse de l'électron) et leur antiparticle. Ils sont appelés: électron, muon et tau neutrinos. Chacun d'eux a composante antimatière, appelé un antineutrino.

Muon et tau, comme un électron, ont des particules d'accompagnement. Il muons et neutrinos du tau. Trois types de particules différentes les unes des autres. Par exemple, lorsque neutrinos muoniques interagissent avec la cible, ils produisent toujours muons et tau jamais ou électrons. Dans la réaction des particules, bien que les électrons et les neutrinos électroniques sont créés et détruits, leur somme reste inchangée. Ce fait conduit à une leptons de séparation en trois types, dont chacun possède un leptons chargés et neutrino d'accompagnement.

Pour détecter cette particule nécessaire un détecteur très grande et très sensibles. En règle générale, avec les neutrinos de basse énergie se rendra pendant de nombreuses années de lumière à l'interaction avec la matière. Par conséquent, toutes les expériences au sol avec eux reposent sur la mesure d'une petite fraction qui interagit avec les bureaux d'enregistrement taille raisonnable. Par exemple, dans un détecteur de neutrinos Sudbury, contenant 1.000 tonnes d'eau lourde passe à travers le détecteur à propos de 1012 neutrinos solaires par seconde. Et trouvé seulement 30 par jour.

Histoire de la découverte

Wolfgang Pauli première postulait l'existence de particules en 1930. A cette époque, il y avait un problème, car il semblait que l'énergie et le moment cinétique ne sont pas stockés dans la désintégration bêta. Mais Pauli a fait remarquer que s'il n'y a pas d' interaction émis particule neutre neutrino, la loi de conservation de l' énergie sera observée. physicien italien Enrico Fermi en 1934 a développé la théorie de la désintégration bêta, et lui a donné le nom de la particule.

En dépit de toutes les prédictions pour 20 ans, les neutrinos ne peut pas être détectée expérimentalement en raison de son faible interaction avec la matière. Du fait que les particules sont chargées électriquement, ils ne jouent pas les forces électromagnétiques, et, par conséquent, ils ne provoquent pas l'ionisation de la substance. En outre, ils réagissent avec la substance que par de faibles interactions légère force. Par conséquent, ce sont les particules subatomiques plus pénétrants capables de passer à travers un grand nombre d'atomes sans provoquer de réaction. Seulement 1-10000000000 de ces particules se déplaçant à travers le tissu d'une distance égale au diamètre de la Terre, réagit avec des protons ou neutrons.

Enfin, en 1956 , un groupe de physiciens américains, dirigé par Frederick Reines a rapporté la découverte du antineutrino électronique. Dans les expériences, il antineutrinos réacteur nucléaire irradiée, à faire réagir avec un proton, formant des neutrons et des positrons. signatures d'énergie uniques (et rares) de ce dernier sous-produits était la preuve de l'existence de la particule.

Ouvrir charge leptons muons a été le point de départ pour l'identification ultérieure des seconds neutrinos de type – muon. Leur identification a été réalisée en 1962 sur la base des résultats de l'expérience dans un accélérateur de particules. neutrinos de désintégration des muons de haute énergie formés par pi-mésons et dirigé vers le détecteur de sorte qu'il était possible d'examiner leur réaction avec la substance. En dépit du fait qu'ils sont non réactives, ainsi que d'autres types de particules, on a constaté que dans les rares cas où ils réagissent avec des protons ou des neutrons, muons, neutrinos muons, mais jamais des électrons. En 1998, les physiciens américains Leon Lederman, Melvin Schwartz et Dzhek Shteynberger ont reçu le prix Nobel de physique pour l'identification des muon neutrino.

Au milieu des années 1970, un physicien neutrino a gagné un autre type de leptons chargés – tau. Tau-neutrino et tau-antineutrinos ont été associés à cette troisième lepton chargé. En 2000, les physiciens du Laboratoire national de l'accélérateur. Enrico Fermi a rapporté la première preuve expérimentale de l'existence de ce type de particules.

poids

Tous les types de neutrinos ont une masse, ce qui est bien inférieur à celui de leurs partenaires chargés. Par exemple, les expériences montrent que la masse de l'électron-neutrino doit être inférieure à 0,002% de la masse électronique et la somme des masses des trois variétés doit être inférieure à 0,48 eV. La pensée depuis de nombreuses années que la masse de la particule est égale à zéro, bien qu'il n'y ait aucune preuve théorique convaincante, pourquoi il devrait être de cette façon. Puis, en 2002, l'Observatoire de neutrinos de Sudbury a été obtenu la première preuve directe que les neutrinos électrons émis par des réactions nucléaires au cœur du soleil, aussi longtemps qu'ils passent à travers elle, changer son type. Un tel neutrino « oscillations » possible si un ou plusieurs des particules ont une petite masse. Leurs études, l'interaction des rayons cosmiques dans l'atmosphère de la Terre indiquent également la présence de la masse, mais d'autres expériences sont nécessaires pour définir plus précisément ce.

sources

Les sources naturelles de neutrinos – une désintégration radioactive des éléments à l'intérieur de la terre, qui est émise à un flux de faible énergie électron-antineutrino. Supernovae sont également avantageusement neutrino phénomène, étant donné que ces particules ne peuvent pénétrer dans la matière hyperdense formée dans une étoile effondrement; seule une petite partie de l'énergie est convertie en lumière. Les calculs montrent que 2% environ de l' énergie solaire – les neutrinos d'énergie formés dans des réactions de thermonucléaire fusion. Il est probable que la plupart de la matière noire de l'univers est composé des neutrinos produits au cours du Big Bang.

problèmes de physique

Domaines liés à l'astrophysique neutrino et diverses et en évolution rapide. Les enjeux actuels qui attirent un grand nombre d'efforts expérimentaux et théoriques, les éléments suivants:

• Quelles sont les différentes masses neutrino?
• Comment affectent-elles la cosmologie, le Big Bang?
• ils oscillent?
• Peut-on type de neutrino se transforme en une autre car ils se déplacent à travers la matière et de l'espace?
• Sont neutrino fondamentalement différentes de leurs antiparticules?
• Comment les étoiles s'effondrer pour former une supernova?
• Quel est le rôle des neutrinos dans la cosmologie?

L'un des problèmes de longue date un intérêt particulier est le problème des neutrinos solaires que l'on appelle. Ce nom fait référence au fait que, pendant plusieurs expériences terrestres menées au cours des 30 dernières années, observe continuellement les particules plus petites que nécessaire pour produire l'énergie rayonnée par le soleil. Une solution possible est l'oscillation, par exemple. E. La transformation de neutrinos électroniques à muons ou tau pendant le voyage vers la Terre. Alors, combien plus difficile à mesurer muon faible énergie ou tau neutrinos, ce genre de transformation expliquerait pourquoi nous ne voyons pas la bonne quantité de particules sur Terre.

Quatrième Prix Nobel

Prix Nobel de physique 2015 a été décerné à Takaaki Kaji et Arthur MacDonald pour la détection de la masse du neutrino. Ce fut le quatrième prix similaire associé à des mesures expérimentales de ces particules. Quelqu'un peut être intéressé par la question de savoir pourquoi devrions-nous tant de soin de quelque chose qui interagissent à peine avec la matière ordinaire.

Le fait que nous pouvons détecter ces particules éphémères, est un témoignage de l'ingéniosité humaine. Étant donné que les règles de la mécanique quantique, probabilistes, nous savons que, malgré le fait que la quasi-totalité des neutrinos traversent la Terre, certains d'entre eux d'interagir avec elle. Le détecteur est capable de taille suffisamment importante est enregistrée.

Le premier appareil a été construit dans les années soixante, au fond d'une mine dans le Dakota du Sud. L'arbre a été rempli 400000. Liquide de nettoyage L. On neutrino moyenne une particule interagit quotidiennement avec un atome de chlore, de le convertir en argon. Incroyablement, Raymond Davis, qui était responsable du détecteur, a inventé une méthode pour la détection de plusieurs atomes d'argon, et quatre ans plus tard, en 2002, pour cette prouesse d'ingénierie, il a reçu le prix Nobel.

nouvelle astronomie

Comme les neutrinos interagissent si faiblement, ils peuvent parcourir de grandes distances. Ils nous donnent un aperçu des endroits qui, autrement, nous ne l'aurions jamais vu. Neutrinos détecté Davis, formé à la suite de réactions nucléaires qui ont eu lieu au coeur du soleil, et ont pu quitter ce siège incroyablement dense et chaud tout simplement parce qu'ils n'interagissent pas avec d'autres matières. Vous pouvez même détecter les neutrinos émis par le centre d'une étoile qui a explosé à une distance de plus de cent mille années-lumière de la Terre.

De plus, ces particules permettent d'observer l'univers dans son très petite échelle, beaucoup plus petits que ceux qui peuvent regarder dans le Grand collisionneur de hadrons à Genève, a découvert le boson de Higgs. Il est pour cette raison que le Comité Nobel a décidé d'attribuer le prix Nobel pour la découverte du neutrino d'un autre type.

pénurie mystérieuse

Lorsque Ray Davis a observé des neutrinos solaires, il a trouvé seulement un tiers de la quantité prévue. La plupart des physiciens pensent que la raison est la mauvaise connaissance de l'astrophysique du Soleil: peut-être rayonnait modèle du sous-sol a surestimé la quantité produite dans son neutrino. Néanmoins, depuis de nombreuses années, même après que les modèles solaires se sont améliorés, le déficit est resté. Physiciens ont prêté attention à une autre possibilité: le problème pourrait être lié à notre perception de ces particules. Selon la théorie, régnaient alors ils n'avaient pas le poids. Mais certains physiciens ont fait valoir que, en fait, les particules ont une masse infinitésimale, et cette masse était la raison de leur absence.

particules à trois faces

Selon la théorie des oscillations de neutrinos, dans la nature, il existe trois types différents d'entre eux. Si une particule a une masse, qui lors de son déplacement, il peut passer d'un type à l'autre. Trois types – électrons, muons et tau – dans l'interaction avec la substance peuvent être convertis en particules chargées (électrons de leptons et tau muon) correspondant. « Oscillation » est due à la mécanique quantique. type de neutrino n'est pas constante. Il change au fil du temps. Neutrinos, qui a commencé son existence comme un e-mail, peut se transformer en un muon, puis en arrière. Ainsi, une particule, formée dans le noyau du soleil, sur le chemin de la Terre peut être convertie périodiquement en neutrinos muoniques et vice versa. Étant donné que le détecteur Davis pourrait détecter seulement électron-neutrinos, ce qui pourrait conduire à une transmutation de chlore dans l'argon, il semblait possible que le neutrino manque transformé en d'autres types. (Il se avère que les neutrinos oscillent à l'intérieur du Soleil, et non sur le chemin de la Terre).

L'expérience canadienne

La seule façon de tester c'était de créer un détecteur qui a fonctionné pour les trois types de neutrinos. A partir des années 90 Arthur McDonald de l'Université Queen en Ontario, il a dirigé l'équipe, qui est réalisée dans une mine à Sudbury, en Ontario. L'installation contient des tonnes d'eau lourde, sous réserve d'un prêt par le gouvernement du Canada. L'eau lourde est rare, mais la forme d'origine naturelle de l'eau, dans lequel l'hydrogène contenant un proton est remplacé par son isotope lourd de deuterium, qui comprend un proton et d'un neutron. gouvernement canadien empilée eau lourde, m. K. Il est utilisé comme réfrigérant dans un réacteur nucléaire. Les trois types de neutrinos pourraient détruire deuterium pour former les protons et les neutrons, les neutrons et puis comptés. Détecteur a enregistré environ trois fois le nombre par rapport à Davis – exactement le montant qui correspond le mieux prédit les modèles Sun. Ceci suggère que les électrons-neutrinos peuvent osciller dans ses autres types.

expérience japonaise

Vers la même époque, Takaaki Kadzita de l'Université de Tokyo a mené une autre expérience remarquable. Un détecteur monté dans le puits enregistré au Japon neutrinos provenant pas de l'intérieur du soleil, et de la haute atmosphère. Dans les collisions de protons des rayons cosmiques avec l'atmosphère sont formés des gerbes d'autres particules, y compris les neutrinos muoniques. Dans la mine, ils sont convertis en noyaux d'hydrogène dans muons. Détecteur Kadzity pouvait voir venir des particules dans deux directions. Certains sont tombés d'en haut, de l'atmosphère, tandis que d'autres se déplacent du fond. Le nombre de particules était différent, qui ont parlé de leur nature différente – ils étaient à différents moments de son cycle oscillatoire.

Révolution en science

Il est tout exotiques et surprenants, mais pourquoi oscillations neutrino et la masse attirent tant d'attention? La raison est simple. Dans le modèle standard de la physique des particules élémentaires, développée au cours des cinquante dernières années du XXe siècle, qui décrit correctement toutes les autres observations dans les accélérateurs et d'autres expériences, les neutrinos étaient sans masse. La découverte de la masse neutrino indique qu'il manque quelque chose. Le modèle standard est pas complète. Les éléments manquants encore à découvrir – avec l'aide du Grand collisionneur de hadrons ou l'autre, n'a pas encore créé la machine virtuelle.