Un neutrin este o particulă elementară care este foarte asemănătoare cu un electron, dar nu are sarcină electrică. Are o masă foarte mică, care poate fi chiar zero. Viteza neutrinului depinde și de masă. Diferența în timpul de sosire a particulei și a luminii este de 0,0006% (± 0,0012%). În 2011, în timpul experimentului OPERA, s-a constatat că viteza neutrinilor depășește viteza luminii, dar experiența independentă nu a confirmat acest lucru.
Particula evazivă
Aceasta este una dintre cele mai comune particule din univers. Deoarece interacționează foarte puțin cu materia, este incredibil de dificil de detectat. Electronii și neutrinii nu participă la interacțiuni nucleare puternice, dar participă în mod egal la cele slabe. Particulele cu aceste proprietăți se numesc leptoni. Pe lângă electron (și antiparticula sa, pozitronul), leptonii încărcați includ muonul (masa de 200 de electroni), tau (mase de 3500 de electroni) și antiparticulele lor. Se numesc astfel: neutrini de electroni, muoni și tau. Fiecare are o componentă antimaterială numită antineutrino.
Muonul și tau, ca un electron, au particule care le însoțesc. Aceștia sunt neutrini muoni și tau. Cele trei tipuri de particule sunt diferite unele de altele. De exemplu, atunci când neutrinii muoni interacționează cu o țintă, ei produc întotdeauna muoni, niciodată tau sau electroni. În interacțiunea particulelor, deși electronii și electroni-neutrinii pot fi creați și distruși, suma lor rămâne neschimbată. Acest fapt duce la împărțirea leptonilor în trei tipuri, fiecare având un lepton încărcat și un neutrin însoțitor.
Detectoarele foarte mari și extrem de sensibile sunt necesare pentru a detecta această particule. De obicei, neutrinii cu energie scăzută vor călători mulți ani lumină înainte de a interacționa cu materia. În consecință, toate experimentele la sol cu acestea se bazează pe măsurarea fracțiunii lor mici care interacționează cu înregistratoare de dimensiuni rezonabile. De exemplu, la Observatorul de Neutrini din Sudbury, care conține 1000 de tone de apă grea, aproximativ 1012 neutrini solari pe secundă trec prin detector. Și se găsesc doar 30 pe zi.
Istoricul descoperirilor
Wolfgang Pauli a postulat pentru prima dată existența unei particule în 1930. O problemă a apărut atunci, deoarece părea că energia și momentul unghiular nu erau conservate în dezintegrarea beta. Dar Pauli a remarcat că, dacă este emisă o particulă neutrină neutrină care nu interacționează, atunci legea conservării energiei va fi respectată. Fizicianul italian Enrico Fermi a dezvoltat teoria dezintegrarii beta în 1934 și a dat particulei numele.
În ciuda tuturor predicțiilor, timp de 20 de ani neutrinii nu au putut fi detectați experimental din cauza interacțiunii sale slabe cu materia. Deoarece particulele nu sunt electriceîncărcate, nu sunt afectate de forțele electromagnetice și, prin urmare, nu provoacă ionizarea materiei. În plus, ele reacționează cu materia doar prin interacțiuni slabe de putere neglijabilă. Prin urmare, sunt cele mai penetrante particule subatomice, capabile să treacă printr-un număr mare de atomi fără a provoca nicio reacție. Doar 1 din 10 miliarde dintre aceste particule, care călătoresc prin materie la o distanță egală cu diametrul Pământului, reacționează cu un proton sau un neutron.
În sfârșit, în 1956, un grup de fizicieni americani condus de Frederick Reines a anunțat descoperirea electron-antineutrino. În experimentele ei, antineutrinii emiși de la un reactor nuclear au interacționat cu protonii pentru a forma neutroni și pozitroni. Semnăturile energetice unice (și rare) ale acestor ultime produse secundare oferă dovezi pentru existența particulei.
Descoperirea leptonilor muoni încărcați a devenit punctul de plecare pentru identificarea ulterioară a celui de-al doilea tip de neutrin - muon. Identificarea lor a fost efectuată în 1962 pe baza rezultatelor unui experiment cu un accelerator de particule. Neutrinii muonici de în altă energie au fost produși prin dezintegrarea pi-mezonilor și trimiși la detector în așa fel încât reacțiile lor cu materia să poată fi studiate. Deși sunt nereactive, ca și alte tipuri de aceste particule, s-a constatat că, în rarele ocazii când reacţionează cu protoni sau neutroni, muoni-neutrinii formează muoni, dar niciodată electroni. În 1998, fizicienii americani Leon Lederman, Melvin Schwartz și Jack Steinbergera primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru identificarea neutrinului-muon.
La mijlocul anilor 1970, fizica neutrinilor a fost completată cu un alt tip de leptoni încărcați - tau. Neutrinul tau și antineutrinul tau s-au dovedit a fi asociate cu acest al treilea lepton încărcat. În 2000, fizicienii de la Laboratorul Național de Accelerator. Enrico Fermi a raportat primele dovezi experimentale ale existenței acestui tip de particule.
Mesă
Toate tipurile de neutrini au o masă mult mai mică decât cea a omologilor lor încărcați. De exemplu, experimentele arată că masa electron-neutrini trebuie să fie mai mică de 0,002% din masa electronilor și că suma maselor celor trei specii trebuie să fie mai mică de 0,48 eV. Timp de mulți ani, s-a părut că masa unei particule este zero, deși nu existau dovezi teoretice convingătoare de ce ar trebui să fie așa. Apoi, în 2002, Observatorul de Neutrini din Sudbury a oferit prima dovadă directă că electroni-neutrini emiși de reacțiile nucleare în miezul Soarelui își schimbă tipul pe măsură ce călătoresc prin acesta. Astfel de „oscilații” ale neutrinilor sunt posibile dacă unul sau mai multe tipuri de particule au o masă mică. Studiile lor despre interacțiunea razelor cosmice în atmosfera Pământului indică, de asemenea, prezența masei, dar sunt necesare experimente suplimentare pentru a o determina mai precis.
Surse
Sursele naturale de neutrini sunt dezintegrarea radioactivă a elementelor din intestinele Pământului, în carese emite un mare flux de electroni-antineutrini cu energie redusă. Supernovele sunt, de asemenea, un fenomen predominant neutrino, deoarece numai aceste particule pot pătrunde în materialul superdens produs într-o stea care se prăbușește; doar o mică parte din energie este transformată în lumină. Calculele arată că aproximativ 2% din energia Soarelui este energia neutrinilor produși în reacțiile de fuziune termonucleară. Este probabil ca cea mai mare parte a materiei întunecate din univers să fie alcătuită din neutrini produși în timpul Big Bang.
Probleme de fizică
Domeniile legate de neutrini și astrofizică sunt diverse și se dezvoltă rapid. Întrebările actuale care atrag un număr mare de eforturi experimentale și teoretice sunt următoarele:
- Care sunt masele diferiților neutrini?
- Cum afectează ele cosmologia Big Bang?
- Oscilează?
- Pot neutrinii de un tip să se transforme în altul în timp ce călătoresc prin materie și spațiu?
- Sunt neutrinii fundamental diferiți de antiparticulele lor?
- Cum se prăbușesc stelele și formează supernove?
- Care este rolul neutrinilor în cosmologie?
Una dintre problemele de lungă durată de interes deosebit este așa-numita problemă a neutrinilor solari. Acest nume se referă la faptul că în timpul mai multor experimente la sol efectuate în ultimii 30 de ani, au fost observate în mod constant mai puține particule decât era necesar pentru a produce energia emisă de soare. Una dintre soluțiile sale posibile este oscilația, adică transformarea electroniculuineutrini în muoni sau tau în timpul călătoriei pe Pământ. Deoarece este mult mai dificil să se măsoare muonii de energie joasă sau neutrinii tau, acest tip de transformare ar putea explica de ce nu observăm numărul corect de particule de pe Pământ.
Al patrulea premiu Nobel
Premiul Nobel pentru fizică 2015 a fost acordat lui Takaaki Kajita și Arthur McDonald pentru descoperirea masei neutrinilor. Acesta a fost al patrulea astfel de premiu legat de măsurători experimentale ale acestor particule. Unii s-ar putea întreba de ce ar trebui să ne pese atât de mult de ceva care abia interacționează cu materia obișnuită.
Faptul că putem detecta aceste particule efemere este o dovadă a ingeniozității umane. Deoarece regulile mecanicii cuantice sunt probabiliste, știm că, deși aproape toți neutrinii trec prin Pământ, unii dintre ei vor interacționa cu acesta. Un detector suficient de mare pentru a detecta acest lucru.
Primul astfel de dispozitiv a fost construit în anii șaizeci, într-o mină din Dakota de Sud. Mina a fost umplută cu 400 de mii de litri de lichid de curățare. În medie, o particulă de neutrin în fiecare zi interacționează cu un atom de clor, transformându-l în argon. În mod incredibil, Raymond Davis, care era responsabil cu detectorul, a găsit o modalitate de a detecta acești câțiva atomi de argon, iar patru decenii mai târziu, în 2002, i s-a acordat Premiul Nobel pentru această performanță tehnică uimitoare.
Astronomie nouă
Deoarece neutrinii interacționează atât de slab, pot parcurge distanțe mari. Ele ne oferă posibilitatea de a privi locuri pe care altfel nu le-am vedea niciodată. Neutrinii descoperiți de Davis au fost produși de reacții nucleare care au avut loc chiar în centrul Soarelui și au reușit să scape din acest loc incredibil de dens și fierbinte doar pentru că nu interacționează cu greu cu altă materie. Este chiar posibil să se detecteze un neutrin care zboară din centrul unei stele care explodează la peste o sută de mii de ani lumină de Pământ.
În plus, aceste particule fac posibilă observarea universului la o scară foarte mică, mult mai mică decât ceea ce poate analiza Large Hadron Collider din Geneva, care a descoperit bosonul Higgs. Din acest motiv, Comitetul Nobel a decis să acorde Premiul Nobel pentru descoperirea unui alt tip de neutrin.
Dispărut misterios
Când Ray Davis a observat neutrini solari, a găsit doar o treime din numărul așteptat. Majoritatea fizicienilor credeau că motivul pentru aceasta a fost o cunoaștere slabă a astrofizicii Soarelui: poate că modelele din interiorul stelei au supraestimat numărul de neutrini produși în ea. Cu toate acestea, de-a lungul anilor, chiar dacă modelele solare s-au îmbunătățit, lipsurile au persistat. Fizicienii au atras atenția asupra unei alte posibilități: problema ar putea fi legată de înțelegerea noastră a acestor particule. Conform teoriei predominante de atunci, nu aveau masă. Dar unii fizicieni au susținut că particulele aveau de fapt un infinitezimalmasa, iar această masă a fost motivul lipsei lor.
Particulă cu trei fețe
Conform teoriei oscilațiilor neutrinilor, există trei tipuri diferite de neutrini în natură. Dacă o particulă are masă, atunci pe măsură ce se mișcă, se poate schimba de la un tip la altul. Trei tipuri - electron, muon și tau - atunci când interacționează cu materia pot fi convertite în particula încărcată corespunzătoare (electron, muon sau tau lepton). „Oscilația” are loc din cauza mecanicii cuantice. Tipul de neutrin nu este constant. Se schimbă în timp. Un neutrin, care și-a început existența ca electron, se poate transforma într-un muon și apoi înapoi. Astfel, o particulă formată în miezul Soarelui, în drum spre Pământ, se poate transforma periodic într-un neutrin-muon și invers. Deoarece detectorul Davis putea detecta doar neutrinii de electroni capabili să conducă la transmutarea nucleară a clorului în argon, părea posibil ca neutrinii lipsă să se fi transformat în alte tipuri. (Se pare că neutrinii oscilează în interiorul Soarelui, nu în drum spre Pământ.)
experiment canadian
Singura modalitate de a testa acest lucru a fost construirea unui detector care să funcționeze pentru toate cele trei tipuri de neutrini. Din anii 1990, Arthur McDonald de la Universitatea Queen's Ontario a condus echipa care a făcut asta într-o mină din Sudbury, Ontario. Instalația conținea tone de apă grea împrumutate de la guvernul canadian. Apa grea este o formă rară, dar naturală de apă, în care hidrogenul, care conține un proton,înlocuit cu izotopul său mai greu deuteriu, care conține un proton și un neutron. Guvernul canadian a stocat apă grea deoarece este folosită ca lichid de răcire în reactoarele nucleare. Toate cele trei tipuri de neutrini ar putea distruge deuteriul pentru a forma un proton și un neutron, iar neutronii au fost apoi numărați. Detectorul a înregistrat de aproximativ trei ori numărul de particule în comparație cu Davis - exact numărul care a fost prezis de cele mai bune modele ale Soarelui. Acest lucru a sugerat că electron-neutrino ar putea oscila în celel alte tipuri ale sale.
experiment japonez
În aceeași perioadă, Takaaki Kajita de la Universitatea din Tokyo făcea un alt experiment remarcabil. Un detector instalat într-o mină din Japonia a înregistrat neutrini veniți nu din intestinele Soarelui, ci din atmosfera superioară. Când protonii razelor cosmice se ciocnesc cu atmosfera, se formează ploaie de alte particule, inclusiv neutrini muoni. În mină, au transformat nucleele de hidrogen în muoni. Detectorul Kajita a putut vedea particule care vin în două direcții. Unii au căzut de sus, venind din atmosferă, în timp ce alții s-au mutat de jos. Numărul de particule a fost diferit, ceea ce a indicat natura lor diferită - se aflau în puncte diferite ale ciclurilor lor de oscilație.
Revoluție în știință
Totul este exotic și uimitor, dar de ce oscilațiile și masele de neutrini atrag atât de mult atenția? Motivul este simplu. În modelul standard al fizicii particulelor dezvoltat în ultimii cincizeci de ani ai secolului al XX-lea,care a descris corect toate celel alte observații în acceleratoare și alte experimente, neutrinii ar fi trebuit să fie fără masă. Descoperirea masei de neutrini sugerează că ceva lipsește. Modelul standard nu este complet. Elementele care lipsesc nu au fost încă descoperite, fie prin intermediul Large Hadron Collider, fie prin intermediul unei alte mașini care nu a fost încă creată.
