Нейтрино

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Нейтрино
Символ: νe
νμ
ντ
FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg
Состав: Элементарная частица
Семья: Фермионы
Группа: Лептоны
Поколение: 1 (νe)
2 (νμ)
3 (ντ)
Участвует во взаимодействиях: слабое,
гравитационное
Кол-во типов: 3 (электронное нейтрино
мюонное нейтрино
тау-нейтрино)
Масса: меньше 0,28 эВ, но не нулевая у всех ароматов (νe, νμ, ντ)
Время жизни: стабильны
          Квантовые0числа:
Электрический заряд: 0
Спин: ½ ~\hbar

Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около 100 св. лет). Также известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6·1010 нейтрино, испущенных Солнцем[1]. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями[2].

Свойства нейтрино[править | править вики-текст]

Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:

Различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга; это так называемые нейтринные осцилляции, считается, что это происходит из-за того, что нейтрино обладают ненулевой массой[3].

В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, показано, что нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной.[4]

Существуют теоретические предпосылки, предсказывающие существование четвёртого типа нейтрино — стерильного нейтрино (англ.). Однозначного экспериментального подтверждения, например в проектах MiniBooNE (англ.), LSND (англ.), их существования пока нет.

Неизвестно, является ли нейтрино античастицей самой себе (см. майорановский фермион).[5]

Масса[править | править вики-текст]

Нейтрино имеют ненулевую массу, но эта масса крайне мала. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ[6][7]. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7·10−3 эВ².

Информация о точном значении массы нейтрино важна для объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.

История открытия[править | править вики-текст]

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов ХХ века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.

С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть, спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным, и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Н. Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии! Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы выдвинул 4 декабря 1930 г. Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:

…имея в виду … непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти «обменную статистику» и закон сохранения энергии. Именно имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½… Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при β-распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон», таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной.
Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь; серьёзность положения с непрерывным β-спектром хорошо проиллюстрировал мой уважаемый предшественник г-н Дебай, который недавно заявил мне в Брюсселе: «О… об этом лучше не думать вовсе, как о новых налогах».

— «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».

Впоследствии «нейтроном» была названа, как оказалось, другая элементарная частица, наряду с протоном входящая в состав атомных ядер. А предсказанная Паули частица в работах 1933—1934 итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино».

На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.

Исследования нейтрино[править | править вики-текст]

Нейтрино изучается в десятках лабораторий мира (см. неполный список экспериментов в физике нейтрино).

Дефицит солнечных нейтрино[править | править вики-текст]

Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. При этом измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1960-х годов, показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики.

Предлагалось два главных пути решения проблемы солнечных нейтрино. Во-первых, можно было модифицировать модель Солнца таким образом, чтобы уменьшить предполагаемую термоядерную активность (а, значит, и температуру) в его ядре и, следовательно, поток излучаемых Солнцем нейтрино. Во-вторых, можно было предположить, что часть электронных нейтрино, излучаемых ядром Солнца, при движении к Земле превращается в нерегистрируемые обычными детекторами нейтрино других поколений (мюонные и тау-нейтрино)[8].

Сегодня понятно, что правильным, скорее всего, является второй путь, то есть различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга; это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино[9] и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино[10].

Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в котором были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов[источник не указан 272 дня] и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»).

Регистрации возможного превышения скорости света[править | править вики-текст]

22 сентября 2011 года коллаборация OPERA объявила о регистрации возможного превышения скорости света мюонными нейтрино (на 0,00248 %).[11][12][13] Нейтрино от ускорителя SPS (ЦЕРН, Швейцария) якобы прибывали к детектору (находящемуся на расстоянии 730 км в подземной лаборатории Гран-Сассо, Италия) на 61 ±10 наносекунд раньше расчётного времени; это значение получено после усреднения по 16 тыс. нейтринных событий в детекторе за три года. Физики обратились к своим коллегам с просьбой проверить результаты в подобных экспериментах MINOS (лаборатория Fermilab возле Чикаго) и T2K (Япония).

Менее чем за месяц в архиве препринтов появилось около 90 статей, предлагающих возможные объяснения зарегистрированного эффекта[14].

23 февраля 2012 года коллаборация OPERA сообщила об обнаружении двух ранее неучтенных эффектов, которые могли иметь влияние на процесс измерения времени полёта нейтрино. Для проверки степени влияния данных эффектов на результаты измерений было решено провести новые эксперименты с нейтринными пучками[15][16].
Проведенные в ноябре-декабре 2011 года независимые измерения в той же лаборатории (эксперимент ICARUS) сверхсветовых скоростей нейтрино не обнаружили[17].

В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стала техническая ошибка (плохо вставленный разъём оптического кабеля)[18].

Перспективы использования[править | править вики-текст]

Одно из перспективных направлений использования нейтрино — это нейтринная астрономия. Известно, что звёзды, кроме света, излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звёздной эволюции за счёт нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии (нейтринное охлаждение), то изучение свойств нейтрино (в частности — энергетического спектра солнечных нейтрино) помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать ещё более удалённые астрономические объекты[19].

Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведённые в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).

Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю[20].

Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли, могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли[21]

В культуре[править | править вики-текст]

  • В книге Станислава Лема «Солярис» «гости», созданные самим Солярисом, имеют в своей основе нейтринную структуру. В романе "Глас Божий" нейтрино использовалось для передачи сообщения от предположительно чрезвычайно высокоразвитой цивилизации.
  • Нейтрино посвящена песня Тимура Шаова — «Свободная частица»[22].
  • В фильме «2012» произошедший на Солнце выброс нейтрино привёл к расплавлению земного ядра, что привело к геотектонической катастрофе. Это, конечно, кинематографическая выдумка, так как низкоэнергетические нейтрино, излучаемые Солнцем, практически не взаимодействуют с веществом Земли.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Научно-популярные фильмы
  • д/ф «Проект „Полтергейст“. В поисках нейтрино» (англ. Project Poltergeist. Missing Neutrinos) (2004, BBC)

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Наше Солнце
  2. Физическая энциклопедия. Нейтри́но. Клайд Коуэн (англ.)русск. и Фредерик Райнес, 1953—57
  3. Пять загадок физики после бозона Хиггса Масса нейтрино
  4. Нейтрино — статья из Физической энциклопедии
  5. Физик Дмитрий Казаков о частице с нулевым электрическим зарядом, нейтринных осцилляциях и темной материи, 04.07.2013
  6. Астрономы получили самую точную оценку массы «частицы-призрака» (рус.). РИА Новости (22 июня 2010). Проверено 22 июня 2010. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  7. Shaun A. Thomas, Filipe B. Abdalla, and Ofer Lahav Upper Bound of 0.28 eV on Neutrino Masses from the Largest Photometric Redshift Survey (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2010. — В. 3. — Т. 105. — С. 031301.
  8. Haxton, W. C. (1995). «The Solar Neutrino Problem» (PDF). Annual Review of Astronomy and Astrophysics 33: 459—504.
  9. Extra-terrestrial Neutrinos // 2011 July
  10. Куденко Ю. Г. Нейтринная физика: год угла смешивания \theta_{13}, Природа, № 11, 2012
  11. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, 22 Sep 2011
  12. Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино — Элементы
  13. Lenta.ru: Прогресс: Торопливые нейтрончики
  14. В сверхсветовой скорости нейтрино обвинили GPS :: Lenta.ru
  15. OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso // CERN Press Release, Update 23 February 2012  (англ.)
  16. Данные о «сверхсветовых» нейтрино могли появиться из-за сбоя техники // РИА Новости, 23 февраля 2012
  17. Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam.
  18. Эксперимент OPERA окончательно «закрыл» сверхсветовые нейтрино // ria.ru
  19. Труды Бруно Понтекорво
  20. «Элементы»: Частица-призрак: нейтрино
  21. Скорохватов М. Д. Нейтринная геофизика — первые шаги, Природа, 2012, № 3
  22. Дискография Тимура Шаова

Литература[править | править вики-текст]