velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Category:

Нейтрино

Пока вы читали маленький заголовок этой статьи, через ваше тело беспрепятственно пропархало 1014 нейтрино





Приблизительно
100 годов назад физиков стало тревожить странноватое поведение электронов,
вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные
демонстрировали, что кинетическая энергия этих частиц меняется в достаточно широких
границах. В то же время возникало все в большей и большей степени оснований считать, что
такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом
случае каждый определенный вид бета-распада как бы должен генерировать
электроны схожей энергии, а этого не происходило. Аналогично смотрелось и
сопоставление угловых моментов, которые, по всей видимости, тоже не сохранялись.

В принципе,
эту аномалию можно разъяснить несоблюдением базовых законов сохранения,
но практически все физики считали это лишней жертвой. Ситуацию выручил Вольфганг
Паули, тридцатилетний, но уже известный доктор теоретической физики
швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. В качестве
«крайнего средства» (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии
и углового момента Паули допустил, что снутри ядра скрываются электрически
нейтральные легкие частички с половинным спином. Эти гипотетичные лептоны он
предложил именовать нейтронами. Согласно его догадке, конкретно они уносят с собой
остаток потерянной ядром энергии, потому в каждом акте бета-распада сумма
энергий этой частички и электрона должна быть неизменной.


Паули
осознавал, что его мысль очень уязвима для критики. В первый раз он сказал о ней в
письме от 4 декабря 1930 года, адресованном спецам по
радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, особо выделив, что не счел
вероятным публиковать свою догадку в научном журнальчике. Неформальный нрав
этого послания выражен даже в воззвании «Дорогие радиоактивные дамы
и господа!». Признавая, что его предположение смотрится «почти невероятным»,
Паули все таки попросил коллег поразмыслить, как найти гипотетичную частичку в
опыте.



Лингвистическое
нововведение Паули скоро поменяло адресата – нейтроном окрестили нейтральный
аналог протона, открытый в 1932 году Джеймсом Чедвиком. А вот сама мысль
оказалась только плодотворной. В 1933–1934 годах итальянец Энрико
Ферми разработал математическую теорию бета-распада с ролью частички,
предложенной Паули, которую Ферми прозвал нейтрино. При всем этом он совсем
заного растолковал ее возникновение. Если Паули считал, что его гипотетичная
частичка находится в ядре в готовом виде, то Ферми представил, что нейтрино
рождается сразу с перевоплощением 1-го из внутриядерных нейтронов
в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра
с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают
в окружающее место. Ферми постулировал, что масса нейтрино равна нулю
(откуда следует, что оно обладает световой скоростью) и что для его
появления не необходимы посредники в виде каких-то вспомогательных частиц.


Теория
Ферми обрисовывает очередной тип бета-распада, при котором появляются ядра с
уменьшенным на единицу атомным номером. Она разъясняет этот распад перевоплощением
протона в нейтрон, сопровождающимся выбросом позитрона и нейтрино. Об
антинейтрино в его статье прямо не говорится, но вся ее логика предписывает его
существование. Так как позитрон – античастица электрона, естественно
представить, что нейтрино тоже обладает античастицей. Принято считать, что при
электрическом бета-распаде появляются антинейтрино, а при позитронном
нейтрино (в согласовании с положением теории Дирака, согласно которому частички
и античастицы всегда появляются парами). Сначала 1950-х была сформулирована
концепция, которая приписывает каждому лептону число 1, а антилептону
число –1. При обоих типах бета-распада эти числа (их именуют также лептонными
зарядами) сохраняются: поначалу лептонов нет совсем, азатем появляются
лептон и антилептон (электрон и антинейтрино либо позитрон и нейтрино), и
потому лептонное число и до, и после распада остается нулевым.


Нейтрино
владеют феноменальной проникающей способностью. Ганс Бете и Рудольф Пайерлс в
том же 1934 году при помощи теории Ферми вычислили, что нейтрино с
энергиями порядка нескольких МэВ взимодействуют свеществом так
слабо, что могут беспрепятственно преодолеть слой водянистого водорода шириной в
тыщу световых лет! Узнав об этом, Паули во время визита в Калифорнийский
технологический заявил, что сделал ужасную вещь – предсказал существование
частички, которую вообщем нереально найти!



Пессимистический
прогноз Паули опровергли в 1955–1956 годах, после того как южноамериканские физики
под управлением Клайда Коуэна и Фредерика Рейнеса экспериментально
подтвердили существование нейтрино (за что в 1995 году Рейнес получил
Нобелевскую премию, до которой не дожил Коуэн).


Источником
нейтрино для их опыта стал один из реакторов ядерного комлекса Savannah
River в штате Южная Каролина. Массивные потоки антинейтрино (10 трлн частиц на
1 см2 за секунду!) генерировались бета-распадами ядер урана и плутония.
Согласно теории Ферми, антинейтрино при столкновении с протоном порождает
позитрон и нейтрон (это так именуемый оборотный бета-распад). Эти перевоплощения
регистрировали спомощью обвешанного датчиками контейнера, заполненного
аква веществом хлорида кадмия. Фактически все антинейтрино проходили через
него беспрепятственно, но в отдельных случаях все таки вели взаимодействие с ядрами
водорода. Возникающие позитроны аннигилировали сэлектронами, порождая
пару гамма-квантов с энергиями порядка 0,5 МэВ. Новорожденные нейтроны
поглощались ядрами кадмия, которые испускали гамма-кванты другой частоты.
Долгая регистрация такового гамма-излучения позволила накрепко обосновать
действительность нейтрино, о чем в июне 1956 года экспериментаторы известили Паули
специальной телеграммой.


Когда
группа Коуэна и Рейнеса окончила собственный опыт, физики считали, что все
нейтрино схожи. Но в конце 1950-х годов теоретики из Русского Союза,
Соединенных Штатов Америки и Стране восходящего солнца представили, что нейтрино,
сопровождающие рождение мюонов, отличаются от тех, что сопутствуют электронам и
позитронам (эта мысль в первый раз была высказана десятилетием ранее, но позже о ней
запамятовали). Так появилась догадка нового, мюонного нейтрино (естественно, и
антинейтрино). В 1961–1962 годах ее подтвердили в Брукхейвенской государственной лаборатории,
и в 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер
получили за это Нобелевскую премию. Позже теоретики сообразили, а
экспериментаторы удостоверили, что 3-ий исамый мощный заряженный
лептон, тау-частица, тоже обладает своим нейтрино. Так что сейчас физика
имеет дело с нейтральными лептонами 3-х видов – это электрические, мюонные и
тау-нейтрино. Каждой лептонной паре соответствует пара кварков (в этом же
порядке перечисления) – u-кварк и d-кварк, c-кварк и s-кварк, t-кварк и b-кварк.



Существованием
3-х видов нейтрино объясняются парадоксальные результаты определения
плотности потока достигших Земли нейтрино, рожденных в термоядерных реакциях в
центре Солнца. 1-ый сенсор солнечных нейтрино Рэй Дэвис и его коллеги
установили в золотодобывающей шахте в штате Южная Дакота на глубине полутора
км во 2-ой половине 1960-х годов. Результаты их работы оказались
внезапными – плотность потока солнечных нейтрино была как минимум в два раза
меньше величины, соответственной модели внутрисолнечных процессов (уже отлично
разработанной и считавшейся полностью надежной). С течением времени нейтринные
обсерватории в Италии, СССР и Стране восходящего солнца подтвердили данные янки и с разной
степенью уверительности проявили, что плотность потока солнечных нейтрино приблизительно
в три раза меньше расчетной. Необходимо подчеркнуть, что использованный группой Дэвиса
способ детектирования, основанный на нейтринном превращении хлора-37 в аргон-37,
первым предложил эмигрировавшй в СССР сотрудник Ферми, итальянский физик Бруно
Понтекорво.


Приобретенные
результаты пробовали интерпретировать самыми различными способами, но в конце концов
восторжествовало разъяснение, предложенное более 40 годов назад Понтекорво и
Владимиром Грибовым. Согласно их догадке, рождающиеся в недрах Солнца
электрические нейтрино по пути к Земле отчасти изменяют свою природу и
преобразуются в нейтрино мюонного типа. Сенсоры, о которых шла речь, их не
регистрировали (либо практически не регистрировали), потому результаты и оказались
заниженными. Когда выяснилось, что есть три различных нейтрино, стало
понятным, почему измеренные характеристики оказались в три раза меньше ожидаемых.


Сложный
нрав нейтрино надежней всего обосновали сотрудники канадской нейтринной
обсерватории Сэд-бери (Sudbury Neutrino Observatory). Сенсором у их служил
установленный в действующей шахте (на глубине 2 км) контейнер из
оргстекла, заполненный тыщей тонн тяжеленной воды. Этот нейтринный телескоп
создавал детектирование 2-мя разными способами – один регистрировал только
электрические нейтрино, другой – любые. Весной 2002 года экспериментаторы
объявили, что 2-ой показатель в три раза больше первого. Это означало, что на
Солнце рождается необходимое количество электрических нейтрино, но по пути к Земле
третья часть из их преобразуется в мюонные, а еще третья часть – в тау-нейтрино (этот процесс
именуется нейтринной осцилляцией).


Наличие
осцилляций имеет воистину базовое значение. Они вероятны только в том
случае, если нейтрино во всех собственных ипостасях владеют не нулевой массой. Ее
величина еще точно не измерена; вероятнее всего, она составляет толики
электрон-вольта, что как минимум в миллион раз меньше массы электрона. Но
сам факт, что она все-же существует, позволяет разъяснить асимметрию меж
материей и антиматерией.


Рассказ о
галлактических нейтрино окажется неполным, если не упомянуть, что кроме нейтрино
больших энергий, рожденных в недрах звезд и при взрывах сверхновых, в космосе
имеются очень низкоэнергетические нейтрино, сохранившиеся от эры Огромного
взрыва. Расчетная плотность этих реликтовых частиц совпадает с плотностью реликтовых
фотонов, но найти их пока нереально (не существует устройств).



В 1937
году рано ушедший из жизни феноменально даровитый итальянский физик-теоретик
Этторе Майорана опубликовал статью «Симметричная теория электрона и позитрона».
В согласовании с его теорией электрически нейтральные частички и античастицы
стопроцентно схожи и поэтому неотличимы друг от друга. Нейтрино с этими
качествами делают главную роль в теории, объясняющей галлактическую асимметрию
меж материей и антиматерией.


«Если нейтрино
обладает нулевой массой, вопрос о том, отличается оно от собственной античастицы либо
совпадает с ней, не имеет смысла. А вот наличие массы значит, что вероятны
оба варианта. В первом случае нейтрино именуется дираковским, во 2-м
майорановским. И как на этот счет распорядилась природа, пока не понятно,
поведал «Популярной механике» доктор теоретической физики Северо-западного
института Андре де Гувеа. – До сего времени опыты демонстрировали, что
лептонные числа строго сохраняются во всех ядерных реакциях. Если нейтрино
является дираковской частичкой, этот закон вообщем никогда не должен нарушаться.
А вот для майорановских нейтрино он может соблюдаться только приближенно и,
как следует, допускать нарушения. Экспериментаторы знают даже, где их находить. Есть таковой внутриядерный процесс, двойной бета-распад: сходу два нейтрона
преобразуются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Эти
перевоплощения происходят очень изредка, но все таки случаются. На данный момент много где
пробуют найти двойной безнейтринный бета-распад – перескок ядра на две
позиции правее по таблице Менделеева с испусканием только одних электронов. И
если его отыщут, придется согласиться, что лептонное число может не сохраняться
и что нейтрино следует считать майорановской частицей».


Во всех
опытах наблюдаются нейтрино, у каких спин противоположен импульсу,
такие частички именуют левовинтовыми. У антинейтрино спин глядит вту же
сторону, что и импульс, – это правовинтовые частички. Но если нейтрино
подчиняется уравнению Майорана, оно может проявить себя в слабеньких
взаимодействиях и как частичка с правой ориентацией. Правда, в опыте
подобные нейтринные разновидности не обнаружены, но это не фатально. Можно
представить, что из-за огромной массы порядка 1014–1016 ГэВ они рождались
только в составе сверхгорячей материи, существовавшей в первый раз мгновения
после космологической инфляции. Будучи очень нестабильными, они практически
одномоментно распадались и из-за прогрессирующего остывания Вселенной больше не
появлялись.


И вот
тут-то начинается самое увлекательное. Сверхмассивные майорановские нейтрино, либо
просто майораны, преобразуются в бозоны Хиггса и лептоны. Коль скоро вэтих
распадах не сохраняются лептонные числа, они могут порождать больше электронов,
ежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не
должно совпадать с количеством антинейтрино. В итоге у Вселенной
возникает ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех
майоранов фактически не меняется. Этот процесс именуется лептогенезом.


Этим дело
не кончается. Взаимодействие меж оставшимися после распада майоранов
лептонами сверхвысоких энергий может привести к возникновению кварков
иантикварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез
появление барионов, частиц, принимающих роль в сильном содействии.
Есть правдоподобные сценарии, в каких дисбаланс лептонов и антилептонов
оборачивается излишком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. А
позже случилась Величавая Аннигиляция со всеми ее последствиями. На данный момент
бариогенез через лептогенез – более пользующаяся популярностью интерпретация недостатка
антиматерии в нашей Вселенной.


«Конечно,
это всего только теория, – объясняет доктор де Гувеа. – Мы не знаем даже, можно
ли считать нейтрино майорановской частичкой. Если эта догадка получит
экспериментальное доказательство, то позиции модели лептогенеза существенно
укрепятся».


На сей день
модель с ролью майорановских нейтрино идеальнее всего разъясняет тайну абсолютного
доминирования материи над антиматерией в нашей вселенной, считает экс-президент
Южноамериканского физического общества, физик-теоретик Xелен Квигг из Стэнфордского
института. Она отмечает, что рождение нейтрино при распаде майоранов
позволяет разъяснить их жалкую массу – для этого выдумана очень прекрасная
теория, так именуемый механизм see-saw. Вобщем, доктор Квигг выделила, что
эта мысль не может быть испытана тестом в обозримом будущем. По ее
словам, не исключено даже, что эта модель так и остается прекрасной догадкой.





Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments