Неутрино е елементарна частица, която е много подобна на електрон, но няма електрически заряд. Има много малка маса, която може дори да е нула. Скоростта на неутриното също зависи от масата. Разликата във времето на пристигане на частицата и светлината е 0,0006% (± 0,0012%). През 2011 г. по време на експеримента OPERA беше установено, че скоростта на неутриното надвишава скоростта на светлината, но независим опит не потвърди това.
Неуловимата частица
Това е една от най-често срещаните частици във Вселената. Тъй като взаимодейства много малко с материята, е невероятно трудно да се открие. Електроните и неутрино не участват в силни ядрени взаимодействия, но участват еднакво в слаби. Частиците с тези свойства се наричат лептони. В допълнение към електрона (и неговата античастица, позитрон), заредените лептони включват мюон (200 електронни маси), тау (3500 електронни маси) и техните античастици. Те се наричат така: електрон-, мюон- и тау-неутрино. Всеки от тях има антиматериален компонент, наречен антинеутрино.
Мюон и тау, като електрон, имат частици, които ги придружават. Това са мюонни и тау неутрино. Трите вида частици са различни един от друг. Например, когато мюонните неутрино взаимодействат с мишена, те винаги произвеждат мюони, никога тау или електрони. При взаимодействието на частиците, въпреки че електроните и електрон-неутрино могат да се създават и унищожават, тяхната сума остава непроменена. Този факт води до разделянето на лептоните на три типа, всеки от които има зареден лептон и придружаващо неутрино.
Необходими са много големи и изключително чувствителни детектори за откриване на тази частица. Обикновено нискоенергийните неутрино ще пътуват много светлинни години, преди да взаимодействат с материята. Следователно, всички наземни експерименти с тях разчитат на измерване на тяхната малка фракция, взаимодействаща с рекордери с разумен размер. Например в обсерваторията за неутрини Съдбъри, съдържаща 1000 тона тежка вода, около 1012 слънчеви неутрино в секунда преминават през детектора. И се намират само 30 на ден.
История на откриването
Волфганг Паули за първи път постулира съществуването на частица през 1930 г. По това време възниква проблем, защото изглежда, че енергията и ъгловият импулс не се запазват при бета-разпад. Но Паули отбеляза, че ако се излъчи невзаимодействаща неутрино частица, тогава ще бъде спазен законът за запазване на енергията. Италианският физик Енрико Ферми разработва теорията за бета разпада през 1934 г. и дава името на частицата.
Въпреки всички прогнози, в продължение на 20 години неутрино не можеха да бъдат открити експериментално поради слабото им взаимодействие с материята. Тъй като частиците не са електрическизаредени, те не се влияят от електромагнитни сили и следователно не предизвикват йонизация на материята. Освен това те реагират с материята само чрез слаби взаимодействия с незначителна сила. Следователно те са най-проникващите субатомни частици, способни да преминават през огромен брой атоми, без да предизвикват никаква реакция. Само 1 от 10 милиарда от тези частици, преминаващи през материята на разстояние, равно на диаметъра на Земята, реагира с протон или неутрон.
Накрая, през 1956 г., група американски физици, водени от Фредерик Рейнс, обявяват откриването на електрон-антинеутрино. В нейните експерименти антинеутрино, излъчени от ядрен реактор, взаимодействат с протони, за да образуват неутрони и позитрони. Уникалните (и редки) енергийни подписи на тези най-нови странични продукти предоставят доказателство за съществуването на частицата.
Откриването на заредени мюонни лептони стана отправна точка за последващата идентификация на втория тип неутрино - мюон. Идентифицирането им е извършено през 1962 г. въз основа на резултатите от експеримент в ускорител на частици. Високоенергийните мюонни неутрино се произвеждат от разпадането на пи-мезони и се изпращат до детектора по такъв начин, че техните реакции с материята могат да бъдат изследвани. Въпреки че не са реактивни, подобно на други видове тези частици, е установено, че в редките случаи, когато реагират с протони или неутрони, мюон-неутрино образуват мюони, но никога електрони. През 1998 г. американските физици Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джак Стайнбергерполучи Нобелова награда по физика за идентифициране на мюон-неутрино.
В средата на 70-те години на миналия век физиката на неутриното беше попълнена с друг вид заредени лептони - тау. Оказа се, че тау неутрино и тау антинеутрино са свързани с този трети зареден лептон. През 2000 г. физици от Националната ускорителна лаборатория. Енрико Ферми съобщи за първите експериментални доказателства за съществуването на този тип частици.
Маса
Всички видове неутрино имат маса, която е много по-малка от тази на техните заредени събратя. Например, експериментите показват, че масата на електрон-неутрино трябва да бъде по-малка от 0,002% от масата на електрона и че сумата от масите на трите вида трябва да бъде по-малка от 0,48 eV. Дълги години изглеждаше, че масата на една частица е нула, въпреки че нямаше убедителни теоретични доказателства защо това трябва да е така. Тогава, през 2002 г., Неутрината обсерватория Съдбъри предостави първото пряко доказателство, че електрон-неутрино, излъчвани от ядрени реакции в ядрото на Слънцето, променят типа, докато пътуват през него. Такива "трептения" на неутрино са възможни, ако един или повече видове частици имат някаква малка маса. Техните изследвания на взаимодействието на космическите лъчи в земната атмосфера също показват наличието на маса, но са необходими допълнителни експерименти, за да се определи по-точно.
Източници
Естествени източници на неутрино са радиоактивният разпад на елементи в недрата на Земята, при койтосе излъчва голям поток от нискоенергийни електрони-антинеутрино. Свръхновите също са предимно неутрино явление, тъй като само тези частици могат да проникнат в свръхплътния материал, произведен в колапсираща звезда; само малка част от енергията се превръща в светлина. Изчисленията показват, че около 2% от енергията на Слънцето е енергията на неутрино, произведени в реакции на термоядрен синтез. Вероятно по-голямата част от тъмната материя във Вселената се състои от неутрино, произведени по време на Големия взрив.
Проблеми по физика
Полетата, свързани с неутрино и астрофизика, са разнообразни и бързо развиващи се. Актуалните въпроси, привличащи голям брой експериментални и теоретични усилия, са както следва:
- Какви са масите на различните неутрино?
- Как влияят на космологията на Големия взрив?
- Те осцилират ли?
- Могат ли неутрино от един тип да се трансформират в друг, докато пътуват през материя и пространство?
- Неутриното фундаментално различни ли са от техните античастици?
- Как звездите колабират и образуват свръхнови?
- Каква е ролята на неутриното в космологията?
Един от дългогодишните проблеми от особен интерес е така нареченият проблем със слънчево неутрино. Това име се отнася до факта, че по време на няколко наземни експеримента, проведени през последните 30 години, постоянно се наблюдават по-малко частици, отколкото е необходимо за производство на енергия, излъчвана от слънцето. Едно от възможните му решения е осцилацията, т.е. трансформацията на електроннотонеутрино в мюони или тау по време на пътуване до Земята. Тъй като е много по-трудно да се измери нискоенергийните мюонни или тау неутрино, този вид трансформация може да обясни защо не наблюдаваме правилния брой частици на Земята.
Четвърта Нобелова награда
Нобеловата награда за физика за 2015 г. беше присъдена на Такааки Каджита и Артър Макдоналд за тяхното откриване на масата на неутрино. Това беше четвъртата подобна награда, свързана с експериментални измервания на тези частици. Някои може да се чудят защо трябва да ни пука толкова много за нещо, което едва взаимодейства с обикновената материя.
Самият факт, че можем да открием тези ефимерни частици, е доказателство за човешката изобретателност. Тъй като правилата на квантовата механика са вероятностни, знаем, че въпреки че почти всички неутрино преминават през Земята, някои от тях ще взаимодействат с нея. Детектор, достатъчно голям, за да открие това.
Първото такова устройство е построено през шейсетте години дълбоко в мина в Южна Дакота. Мината беше напълнена с 400 хиляди литра почистваща течност. Средно една неутрино частица всеки ден взаимодейства с хлорен атом, превръщайки го в аргон. Невероятно, Реймънд Дейвис, който отговаряше за детектора, измисли начин да открие тези няколко аргонови атома и четири десетилетия по-късно, през 2002 г., той беше удостоен с Нобелова награда за това невероятно техническо постижение.
Нова астрономия
Тъй като неутрино взаимодействат толкова слабо, те могат да пътуват на големи разстояния. Те ни дават възможност да надникнем в места, които иначе никога не бихме видели. Неутрино, открити от Дейвис, са били произведени от ядрени реакции, които са се случили в самия център на Слънцето, и са били в състояние да избягат от това невероятно гъсто и горещо място само защото почти не взаимодействат с друга материя. Възможно е дори да се открие неутрино, летящо от центъра на експлодираща звезда на повече от сто хиляди светлинни години от Земята.
В допълнение, тези частици позволяват да се наблюдава Вселената в много малък мащаб, много по-малък от това, което Големият адронен колайдер в Женева, открил бозона на Хигс, може да разгледа. Именно поради тази причина Нобеловият комитет реши да присъди Нобелова награда за откриването на още един вид неутрино.
Мистериозна липсва
Когато Рей Дейвис наблюдава слънчеви неутрино, той открива само една трета от очакваното число. Повечето физици смятаха, че причината за това е лошото познаване на астрофизика на Слънцето: може би моделите на вътрешността на звездата надценяват броя на неутрино, произведени в нея. И все пак през годините, дори когато слънчевите модели се подобряваха, недостигът продължаваше. Физиците обърнаха внимание на друга възможност: проблемът може да е свързан с нашето разбиране за тези частици. Според господстващата тогава теория те нямат маса. Но някои физици твърдят, че частиците всъщност са имали безкрайно малкимаса и тази маса беше причината за техния недостиг.
Трилика частица
Според теорията на неутрино осцилациите, в природата има три различни типа неутрино. Ако една частица има маса, тогава, докато се движи, тя може да се промени от един тип в друг. Три вида - електрон, мюон и тау - при взаимодействие с материята могат да се превърнат в съответната заредена частица (електрон, мюон или тау лептон). "Оцилация" възниква поради квантовата механика. Типът неутрино не е постоянен. С течение на времето се променя. Неутрино, което е започнало своето съществуване като електрон, може да се превърне в мюон и след това обратно. Така една частица, образувана в ядрото на Слънцето, по пътя си към Земята може периодично да се превръща в мюон-неутрино и обратно. Тъй като детекторът на Дейвис можеше да открие само електронни неутрино, способни да доведат до ядрената трансмутация на хлора в аргон, изглеждаше възможно липсващите неутрино да са се превърнали в други типове. (Както се оказва, неутрино трептят вътре в Слънцето, а не по пътя си към Земята.)
канадски експеримент
Единственият начин да се тества това беше да се създаде детектор, който работи и за трите типа неутрино. От 90-те години на миналия век Артър Макдоналд от Queen's Ontario University ръководи екипа, който направи това в мина в Съдбъри, Онтарио. Съоръжението съдържа тонове тежка вода на заем от канадското правителство. Тежката вода е рядка, но естествено срещаща се форма на вода, в която водородът, съдържащ един протон,заменен от неговия по-тежък изотоп деутерий, който съдържа протон и неутрон. Канадското правителство складира тежка вода, защото се използва като охлаждаща течност в ядрените реактори. И трите вида неутрино могат да унищожат деутерий, за да образуват протон и неутрон, след което неутроните се преброяват. Детекторът регистрира около три пъти по-голям брой частици в сравнение с Дейвис - точно този брой, който беше предвиден от най-добрите модели на Слънцето. Това предполага, че електрон-неутрино може да осцилира в другите си типове.
японски експеримент
Приблизително по същото време Такааки Каджита от университета в Токио прави друг забележителен експеримент. Детектор, инсталиран в мина в Япония, регистрира неутрино, идващи не от недрата на Слънцето, а от горните слоеве на атмосферата. Когато протоните на космическите лъчи се сблъскат с атмосферата, се образуват дъждове от други частици, включително мюонни неутрино. В мината са превърнали водородните ядра в мюони. Детекторът Kajita може да види частици, идващи в две посоки. Някои паднаха отгоре, идвайки от атмосферата, докато други се преместиха отдолу. Броят на частиците беше различен, което показва различното им естество - те бяха в различни точки от техните цикли на трептене.
Революция в науката
Всичко е екзотично и невероятно, но защо осцилациите и неутриновите маси привличат толкова много внимание? Причината е проста. В стандартния модел на физиката на елементарните частици, разработен през последните петдесет години на ХХ век,който правилно описва всички други наблюдения в ускорители и други експерименти, неутрино трябва да са безмасови. Откриването на масата на неутриното предполага, че нещо липсва. Стандартният модел не е пълен. Липсващите елементи тепърва ще бъдат открити или чрез Големия адронен колайдер, или друга машина, която все още не е създадена.
