Нейтрино ( / nj uː ˈ t r iː n oʊ / new- TREE -noh ; обозначается греческой буквой ν ) — это фермион ( элементарная частица со спином 1 /2), который взаимодействует только через слабое взаимодействие и гравитацию . [2] [3] Нейтрино названо так потому, что оно электрически нейтрально, а его масса покоя настолько мала ( -ino ), что долгое время считалось, что она равна нулю . Масса покоя нейтрино значительно меньше, чем у других известных элементарных частиц (исключая безмассовые частицы ). [1] Слабое взаимодействие имеет очень короткий радиус действия, гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабое из-за очень малой массы нейтрино, а нейтрино не участвуют в электромагнитном взаимодействии или сильном взаимодействии . [4] Таким образом, нейтрино обычно проходят через обычную материю беспрепятственно и незамеченными. [2] [3]
Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов :
Каждый аромат связан с заряженным лептоном с соответствующим названием . [5] Хотя долгое время считалось, что нейтрино не имеют массы, сейчас известно, что существуют три дискретные массы нейтрино с разными крошечными значениями (наименьшая из которых может быть даже равна нулю [6] ), но эти три массы не соответствуют однозначно три аромата: нейтрино, созданное с определенным ароматом, представляет собой специфическую смесь всех трех массовых состояний ( квантовая суперпозиция ). Как и некоторые другие нейтральные частицы , нейтрино в полете колеблются между разными ароматами. Например, электронное нейтрино, образующееся в реакции бета-распада , может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино. [7] [8] По состоянию на 2022 год три значения массы еще не известны, но лабораторные эксперименты и космологические наблюдения определили разность их квадратов, [9] верхний предел их суммы (< 2,14 × 10 −37 кг ), [1] [10] и верхний предел массы электронного нейтрино. [11]
Каждому нейтрино также существует соответствующая античастица , называемая антинейтрино, которая также имеет спин 1 /2и нет электрического заряда. Антинейтрино отличаются от нейтрино наличием лептонного числа с противоположным знаком , слабым изоспином и правосторонней, а не левосторонней киральностью. Чтобы сохранить общее число лептонов (при ядерном бета-распаде), электронные нейтрино появляются только вместе с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, тогда как электронные антинейтрино появляются только с электронами или электронными нейтрино. [12] [13]
Нейтрино создаются в результате различных радиоактивных распадов ; следующий список не является исчерпывающим, но включает некоторые из этих процессов:
Большинство нейтрино, обнаруженных на Земле, образуются в результате ядерных реакций внутри Солнца. У поверхности Земли поток составляет около 65 миллиардов (6,5 × 10 10 ) солнечных нейтрино , в секунду на квадратный сантиметр. [14] [15] Нейтрино можно использовать для томографии недр Земли. [16] [17]
Нейтрино [a] было впервые постулировано Вольфгангом Паули в 1930 году, чтобы объяснить, как бета-распад может сохранять энергию , импульс и угловой момент ( спин ). В отличие от Нильса Бора , который предложил статистическую версию законов сохранения для объяснения наблюдаемых непрерывных энергетических спектров при бета-распаде , Паули выдвинул гипотезу о необнаруженной частице, которую он назвал «нейтроном», используя то же окончание -on , которое используется для обозначения обоих частиц. протон и электрон . Он считал, что новая частица вылетела из ядра вместе с электроном или бета-частицей в процессе бета-распада и имела массу, близкую к электрону. [18] [б]
Джеймс Чедвик открыл гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году и также назвал ее нейтроном , оставив два типа частиц с одинаковым названием. Слово «нейтрино» вошло в научный словарь благодаря Энрико Ферми , который использовал его во время конференции в Париже в июле 1932 года и на Сольвеевской конференции в октябре 1933 года, где его также использовал Паули. Название ( итальянский эквивалент слова «маленький нейтральный») было в шутку придумано Эдоардо Амальди во время разговора с Ферми в Институте физики на Виа Панисперна в Риме, чтобы отличить эту легкую нейтральную частицу от тяжелого нейтрона Чедвика. [19]
В теории бета-распада Ферми большая нейтральная частица Чедвика могла распасться на протон, электрон и меньшую нейтральную частицу (теперь называемую электронным антинейтрино ):
Статья Ферми, написанная в 1934 году, [20] объединила нейтрино Паули с позитроном Поля Дирака и нейтронно-протонной моделью Вернера Гейзенберга и дала прочную теоретическую основу для будущих экспериментальных работ. [20] [21] [22] : 24
К 1934 году появились экспериментальные доказательства против идеи Бора о том, что сохранение энергии недопустимо для бета-распада: на Сольвеевской конференции того же года были представлены результаты измерений энергетических спектров бета-частиц (электронов), показавшие, что существует строгий предел энергия электронов от каждого типа бета-распада. Такого предела не ожидается, если сохранение энергии неверно, и в этом случае любое количество энергии будет статистически доступно, по крайней мере, в нескольких распадах. Естественным объяснением спектра бета-распада, впервые измеренного в 1934 году, было то, что было доступно только ограниченное (и сохраняющееся) количество энергии, и новая частица иногда забирала различную часть этой ограниченной энергии, оставляя остальную часть бета-частице. . Паули воспользовался случаем, чтобы публично подчеркнуть, что еще не обнаруженное «нейтрино» должно быть реальной частицей. [22] : 25 Первые доказательства реальности нейтрино появились в 1938 году благодаря одновременным измерениям в камере Вильсона электрона и отдачи ядра. [23]
В 1942 году Ван Ганчан впервые предложил использовать бета-захват для экспериментального обнаружения нейтрино. [24] В выпуске журнала Science от 20 июля 1956 года Клайд Коуэн , Фредерик Райнс , Фрэнсис Б. «Кико» Харрисон, Геральд В. Круз и Остин Д. Макгуайр опубликовали подтверждение того, что они обнаружили нейтрино, [25] [26 ] ] результат, который был награжден почти сорок лет спустя Нобелевской премией 1995 года . [27]
В этом эксперименте, теперь известном как нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнса , антинейтрино, созданные в ядерном реакторе в результате бета-распада, вступали в реакцию с протонами с образованием нейтронов и позитронов:
Позитрон быстро находит электрон, и они аннигилируют друг друга. Два образующихся гамма-излучения (γ) можно обнаружить. Нейтрон можно обнаружить, захватив его соответствующим ядром, испуская гамма-лучи. Совпадение обоих событий – аннигиляции позитрона и захвата нейтрона – дает уникальный признак взаимодействия антинейтрино.
В феврале 1965 года первое нейтрино, обнаруженное в природе, было идентифицировано группой, в которую входили Фредерик Райнес и Фридель Селлшоп . [28] [29] Эксперимент проводился в специально подготовленной камере на глубине 3 км в золотом руднике Ист-Рэнд («ERPM») недалеко от Боксбурга , Южная Африка. Мемориальная доска в главном здании увековечивает это открытие. В экспериментах также была реализована примитивная нейтринная астрономия и рассмотрены вопросы физики нейтрино и слабых взаимодействий. [30]
Антинейтрино, открытое Коуэном и Рейнсом, было античастицей электронного нейтрино.
В 1962 году Ледерман , Шварц и Стейнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюонного нейтрино (уже выдвинутого гипотезой под названием нейтретто ), [31] что принесло им Нобелевскую премию по физике 1988 года .
Когда в 1975 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей был открыт третий тип лептона, тау , также ожидалось, что у него будет связанное нейтрино (тау-нейтрино). Первое свидетельство существования этого третьего типа нейтрино было получено в результате наблюдения недостающей энергии и импульса в тау-распадах, аналогичных бета-распаду, что привело к открытию электронного нейтрино. О первом обнаружении тау-нейтринных взаимодействий было объявлено в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе ; его существование уже было подтверждено как теоретической согласованностью, так и экспериментальными данными Большого электрон-позитронного коллайдера . [32]
В 1960-х годах ныне знаменитый эксперимент Хоумстейка впервые измерил поток электронных нейтрино, прибывающих из ядра Солнца, и обнаружил значение, которое составляло от одной трети до половины числа, предсказанного Стандартной солнечной моделью . Это несоответствие, которое стало известно как проблема солнечных нейтрино , оставалось нерешенным около тридцати лет, в то время как возможные проблемы как с экспериментом, так и с солнечной моделью исследовались, но ни одна не была обнаружена. В конце концов стало понятно, что оба варианта на самом деле были верны и что расхождение между ними было связано с тем, что нейтрино оказались более сложными, чем предполагалось ранее. Было высказано предположение, что три нейтрино имеют ненулевую и слегка разную массу и, следовательно, могут колебаться в необнаружимые ароматы во время полета к Земле. Эта гипотеза была исследована с помощью новой серии экспериментов, тем самым открыв новую крупную область исследований, которая продолжается до сих пор. Окончательное подтверждение явления нейтринных осцилляций привело к получению двух Нобелевских премий: одну — Р. Дэвису , который задумал и возглавил эксперимент Хоумстейк, и Масатоши Кошибе из Камиоканде, чья работа подтвердила это, и одну — Такааки Кадзите из Супер-Камиоканде и А. Б. Макдональда. SNO за совместный эксперимент, подтвердивший существование всех трех ароматов нейтрино и не обнаруживший дефицита. [33]
Практический метод исследования нейтринных осцилляций впервые был предложен Бруно Понтекорво в 1957 г. по аналогии с каонными осцилляциями; в течение последующих 10 лет он разработал математический формализм и современную формулировку вакуумных колебаний. В 1985 году Станислав Михеев и Алексей Смирнов (расширяя работу Линкольна Вольфенштейна 1978 года ) отметили, что ароматические колебания могут модифицироваться при распространении нейтрино через материю. Этот так называемый эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна (эффект МСВ) важно понимать, потому что многие нейтрино, испускаемые при термоядерном синтезе на Солнце, проходят через плотное вещество в солнечном ядре (где, по сути, происходит весь солнечный синтез) на пути к детекторам. на земле.
Начиная с 1998 года эксперименты начали показывать, что солнечные и атмосферные нейтрино меняют вкус (см. Супер-Камиоканде и Нейтринная обсерватория Садбери ). Это решило проблему солнечных нейтрино: электронные нейтрино, образующиеся на Солнце, частично превратились в другие ароматы, которые эксперименты не смогли обнаружить.
Хотя отдельные эксперименты, такие как серия экспериментов с солнечными нейтрино, в целом согласуются с неколебательными механизмами преобразования ароматов нейтрино, нейтринные эксперименты предполагают существование нейтринных осцилляций. Особенно актуальными в этом контексте являются реакторный эксперимент KamLAND и ускорительные эксперименты, такие как MINOS . Эксперимент KamLAND действительно идентифицировал колебания как механизм преобразования аромата нейтрино, участвующий в нейтрино солнечных электронов. Точно так же MINOS подтверждает колебания атмосферных нейтрино и дает лучшее определение расщепления в квадрате массы. [34] Такааки Кадзита из Японии и Артур Б. Макдональд из Канады получили Нобелевскую премию по физике 2015 года за выдающиеся открытия, теоретические и экспериментальные, о том, что нейтрино могут менять вкус.
Ожидается, что помимо конкретных источников во Вселенной будет пронизывать общий фоновый уровень нейтрино, который, как предполагается, возникнет из-за двух основных источников.
Примерно через 1 секунду после Большого взрыва нейтрино отделились, образовав фоновый уровень нейтрино, известный как фон космических нейтрино (CNB).
Р. Дэвис и М. Кошиба были совместно удостоены Нобелевской премии по физике 2002 г. Оба провели новаторскую работу по обнаружению солнечных нейтрино , а работа Кошибы также привела к первому наблюдению в реальном времени нейтрино от сверхновой SN 1987A в близлежащем Большом Магеллановом Облаке . Эти усилия положили начало нейтринной астрономии . [35]
SN 1987A представляет собой единственное подтвержденное обнаружение нейтрино сверхновой. Однако многие звезды во Вселенной стали сверхновыми, оставив теоретический фон рассеянных нейтрино сверхновых .
Нейтрино имеют полуцелый спин ( 1 /2х ); следовательно, они являются фермионами . Нейтрино – это лептоны. Их взаимодействие наблюдалось только посредством слабого взаимодействия , хотя предполагается, что они также взаимодействуют гравитационно. Поскольку они имеют ненулевую массу, теоретические соображения позволяют нейтрино взаимодействовать магнитно, но не требуют от них этого. Пока нет экспериментальных подтверждений ненулевого магнитного момента у нейтрино.
Слабые взаимодействия создают нейтрино одного из трех лептонных ароматов : электронные нейтрино (
ν
е), мюонные нейтрино (
ν
мкм), или тау-нейтрино (
ν
τ), связанный с соответствующими заряженными лептонами, электрон (
е−
), мюон (
мкм−
) и тау (
τ−
), соответственно. [36]
Хотя долгое время считалось, что нейтрино не имеют массы, теперь известно, что существует три дискретные массы нейтрино; каждое состояние аромата нейтрино представляет собой линейную комбинацию трех дискретных состояний собственной массы. Хотя по состоянию на 2016 год известны только разности квадратов трех значений масс, эксперименты [9] показали, что эти массы крошечны по сравнению с любой другой частицей. На основе космологических измерений было подсчитано, что сумма масс трех нейтрино должна быть меньше одной миллионной массы электрона. [1] [10]
Более формально, собственные состояния аромата нейтрино (комбинации рождения и уничтожения) - это не то же самое, что собственные состояния массы нейтрино (просто обозначаемые «1», «2» и «3»). По состоянию на 2016 год неизвестно, какой из этих троих самый тяжелый. Иерархия масс нейтрино состоит из двух возможных конфигураций. По аналогии с иерархией масс заряженных лептонов конфигурацию, в которой масса 2 легче массы 3, условно называют «нормальной иерархией», тогда как в «инвертированной иерархии» будет действовать обратное. В настоящее время предпринимаются несколько крупных экспериментальных попыток, чтобы помочь установить, какая из них верна. [37]
Нейтрино, созданное в собственном состоянии определенного аромата, находится в связанной с ним конкретной квантовой суперпозиции всех трех собственных массовых состояний. Эти три массы настолько мало различаются, что их невозможно различить экспериментально на какой-либо практической траектории полета. Было обнаружено, что доля каждого массового состояния в полученных состояниях чистого вкуса глубоко зависит от вкуса. Взаимосвязь между собственными состояниями аромата и массы закодирована в матрице PMNS . Эксперименты установили значения от умеренной до низкой точности для элементов этой матрицы, при этом по состоянию на 2016 год единственная сложная фаза в матрице известна плохо. [9]
Ненулевая масса позволяет нейтрино иметь крошечный магнитный момент ; если так, то нейтрино будут взаимодействовать электромагнитно, хотя такого взаимодействия никогда не наблюдалось. [38]
В полете нейтрино колеблются между разными ароматами. Например, электронное нейтрино, образующееся в реакции бета-распада, может взаимодействовать в удаленном детекторе как мюонное или тау-нейтрино, что определяется ароматом заряженного лептона, образующегося в детекторе. Это колебание происходит потому, что три компонента массового состояния созданного аромата движутся со слегка разными скоростями, так что их квантово-механические волновые пакеты развивают относительные фазовые сдвиги , которые меняют способ их объединения, создавая различную суперпозицию трех ароматов. Таким образом, каждый ароматический компонент колеблется по мере движения нейтрино, причем относительная сила ароматов варьируется. Относительные пропорции ароматов при взаимодействии нейтрино представляют собой относительные вероятности того, что этот аромат взаимодействия создаст соответствующий аромат заряженного лептона. [7] [8]
Существуют и другие возможности, при которых нейтрино могли бы колебаться, даже если бы они были безмассовыми: если бы лоренц-симметрия не была точной симметрией, нейтрино могли бы испытывать колебания, нарушающие Лоренц . [39]
Нейтрино, путешествующие через материю, в целом подвергаются процессу, аналогичному прохождению света через прозрачный материал . Этот процесс невозможно наблюдать непосредственно, поскольку он не приводит к ионизирующему излучению , но приводит к эффекту МСВ . Лишь небольшая часть энергии нейтрино передается материалу. [40]
Каждому нейтрино также существует соответствующая античастица , называемая антинейтрино , которая также не имеет электрического заряда и имеет полуцелый спин. От нейтрино они отличаются наличием противоположных знаков лептонного числа и противоположной киральности (и, следовательно, слабого изоспина противоположного знака). По состоянию на 2016 год не было обнаружено никаких доказательств каких-либо других различий.
До сих пор, несмотря на обширные и продолжающиеся поиски исключений, во всех наблюдаемых лептонных процессах ни разу не произошло какого-либо изменения общего лептонного числа; например, если общее число лептонов в начальном состоянии равно нулю, то в конечном состоянии есть только совпадающие пары лептонов и антилептонов: электронные нейтрино появляются в конечном состоянии вместе только с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, и электронные антинейтрино с электронами или электронными нейтрино. [12] [13]
Антинейтрино образуются при бета-распаде ядра вместе с бета-частицей (при бета-распаде нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино). Все наблюдаемые до сих пор антинейтрино имели правую спиральность (т.е. когда-либо наблюдалось только одно из двух возможных состояний спина), тогда как все нейтрино были левосторонними. [с]
Впервые антинейтрино были обнаружены в результате их взаимодействия с протонами в большом резервуаре с водой. Его установили рядом с ядерным реактором в качестве контролируемого источника антинейтрино (см. нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнса). Исследователи всего мира начали изучать возможность использования антинейтрино для мониторинга реакторов в контексте предотвращения распространения ядерного оружия . [41] [42] [43]
Поскольку антинейтрино и нейтрино являются нейтральными частицами, возможно, что это одна и та же частица. Вместо обычных фермионов Дирака нейтральные частицы могут иметь другой тип спина. 1 /2частица, называемая майорановыми частицами или майоронами , названными в честь итальянского физика Этторе Майорана , который первым предложил эту концепцию. В случае нейтрино эта теория приобрела популярность, поскольку ее можно использовать в сочетании с механизмом качелей , чтобы объяснить, почему массы нейтрино настолько малы по сравнению с массами других элементарных частиц, таких как электроны или кварки. Майорановские нейтрино будут обладать тем свойством, что нейтрино и антинейтрино можно будет отличить только по киральности; то, что эксперименты наблюдают как разницу между нейтрино и антинейтрино, может быть просто связано с одной частицей с двумя возможными киральностями.
По состоянию на 2019 год [update]неизвестно, являются ли нейтрино частицами Майорана или Дирака . Это свойство можно проверить экспериментально. Например, если нейтрино действительно являются майорановскими частицами, то процессы, нарушающие лептонное число, такие как безнейтринный двойной бета-распад, будут разрешены, но не будут, если нейтрино являются частицами Дирака . Для поиска этого процесса было и проводится несколько экспериментов, например, GERDA , [44] EXO , [45] SNO+ , [46] и CUORE . [47] Фон космических нейтрино также является пробой того, являются ли нейтрино майорановскими частицами , поскольку в случае Дирака или Майораны должно быть разное количество космических нейтрино, обнаруженных. [48]
Нейтрино могут взаимодействовать с ядром, превращая его в другое ядро. Этот процесс используется в радиохимических детекторах нейтрино . В этом случае для оценки вероятности взаимодействия необходимо учитывать уровни энергии и спиновые состояния внутри ядра-мишени. В целом вероятность взаимодействия увеличивается с увеличением количества нейтронов и протонов в ядре. [33] [49]
Очень сложно однозначно идентифицировать нейтринные взаимодействия среди естественного фона радиоактивности. По этой причине в ранних экспериментах для облегчения идентификации был выбран специальный канал реакции: взаимодействие антинейтрино с одним из ядер водорода в молекулах воды. Ядро водорода представляет собой один протон, поэтому для эксперимента по обнаружению не нужно учитывать одновременные ядерные взаимодействия, которые могли бы происходить внутри более тяжелого ядра. В кубическом метре воды, помещенном прямо за пределами ядерного реактора, можно зарегистрировать лишь относительно небольшое количество таких взаимодействий, но сейчас установка используется для измерения скорости производства плутония в реакторе.
Подобно нейтронам в ядерных реакторах , нейтрино могут вызывать реакции деления внутри тяжелых ядер . [50] До сих пор эта реакция не была измерена в лаборатории, но прогнозируется, что она произойдет внутри звезд и сверхновых. Этот процесс влияет на количество изотопов , наблюдаемых во Вселенной . [49] Вызванный нейтрино распад ядер дейтерия наблюдался в Нейтринной обсерватории Садбери, которая использует детектор тяжелой воды . [51]
Существует три известных типа ( аромата ) нейтрино: электронное нейтрино.
ν
е, мюонное нейтрино
ν
мкми тау-нейтрино
ν
τ, названные в честь лептонов-партнеров Стандартной модели (см. таблицу справа). На сегодняшний день лучшее измерение количества типов нейтрино происходит при наблюдении распада Z-бозона . Эта частица может распасться на любое легкое нейтрино и его антинейтрино, причем чем больше доступных типов легких нейтрино, тем [г]
короче время жизни Z-бозона. Измерения времени жизни Z показали, что с Z связаны три легких аромата нейтрино. [36] Соответствие между шестью кварками в Стандартной модели и шестью лептонами, среди которых три нейтрино, подсказывает интуиции физиков, что должны существовать ровно три типа нейтрино.
Существует несколько активных направлений исследований нейтрино, стремящихся найти:
Международное научное сотрудничество устанавливает большие детекторы нейтрино рядом с ядерными реакторами или в пучках нейтрино от ускорителей частиц, чтобы лучше ограничивать массы нейтрино и значения величины и скорости колебаний между ароматами нейтрино. Таким образом, эти эксперименты направлены на поиск существования CP-нарушения в нейтринном секторе; то есть, по-разному ли законы физики относятся к нейтрино и антинейтрино. [9]
Эксперимент KATRIN в Германии начал сбор данных в июне 2018 г. [52] для определения значения массы электронного нейтрино, другие подходы к этой проблеме находятся на стадии планирования. [1]
Несмотря на свою крошечную массу, нейтрино настолько многочисленны, что их гравитационная сила может влиять на другую материю во Вселенной.
Три известных аромата нейтрино — единственные кандидаты на роль темной материи , которые являются экспериментально установленными элементарными частицами — в частности, это горячая темная материя . Однако известные в настоящее время типы нейтрино, по-видимому, по существу исключены как значительная часть темной материи, основываясь на наблюдениях космического микроволнового фона . По-прежнему кажется правдоподобным, что более тяжелые стерильные нейтрино могут составлять теплую темную материю , если они существуют. [53]
Другие усилия направлены на поиск доказательств существования стерильного нейтрино – четвертого аромата нейтрино, который не будет взаимодействовать с материей, как три известных аромата нейтрино. [54] [55] [56] [57] На возможность появления стерильных нейтрино не влияют измерения распада Z-бозона, описанные выше: если их масса превышает половину массы Z-бозона, они не могут быть продуктом распада. Следовательно, тяжелые стерильные нейтрино имели бы массу не менее 45,6 ГэВ.
На существование таких частиц фактически намекают экспериментальные данные эксперимента LSND . С другой стороны, проводимый в настоящее время эксперимент MiniBooNE предполагает, что стерильные нейтрино не требуются для объяснения экспериментальных данных [58], хотя последние исследования в этой области продолжаются, и аномалии в данных MiniBooNE могут допускать существование экзотических типов нейтрино, включая стерильные нейтрино. [59] Повторный анализ данных эталонных электронных спектров, проведенный Институтом Лауэ-Ланжевена [60] в 2011 году, также намекнул на существование четвертого, легкого стерильного нейтрино. [61] После результатов 2011 года с тех пор было проведено несколько экспериментов на очень коротких расстояниях от ядерных реакторов, направленных на поиск стерильных нейтрино. Хотя большинству из них удалось исключить существование легкого стерильного нейтрино, результаты в целом неоднозначны. [62]
Согласно анализу, опубликованному в 2010 году, данные микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона о космическом фоновом излучении совместимы либо с тремя, либо с четырьмя типами нейтрино. [63]
Другая гипотеза касается «безнейтринного двойного бета-распада», который, если бы он существовал, нарушил бы сохранение числа лептонов. Поиски этого механизма продолжаются, но доказательств его существования пока не найдено. Если бы это было так, то то, что сейчас называют антинейтрино, не могло бы быть настоящими античастицами.
Эксперименты с нейтрино космических лучей обнаруживают нейтрино из космоса, чтобы изучить как природу нейтрино, так и космические источники, производящие их. [64]
До того, как было обнаружено, что нейтрино колеблются, обычно предполагалось, что они не имеют массы и распространяются со скоростью света ( с ). Согласно специальной теории относительности , вопрос о скорости нейтрино тесно связан с их массой : если нейтрино безмассовые, они должны двигаться со скоростью света, а если у них есть масса, они не могут достичь скорости света. Из-за их крошечной массы предсказанная скорость во всех экспериментах чрезвычайно близка к скорости света, а детекторы тока не чувствительны к ожидаемой разнице.
Кроме того, существуют некоторые варианты квантовой гравитации , нарушающие правила Лоренца , которые могут допускать нейтрино со скоростью, превышающей скорость света. [ нужна цитация ] Комплексной основой для нарушений Лоренца является расширение стандартной модели (SME).
Первые измерения скорости нейтрино были сделаны в начале 1980-х годов с использованием импульсных пучков пионов (создаваемых импульсными пучками протонов, поражающими цель). Пионы распадались, образуя нейтрино, а взаимодействия нейтрино, наблюдаемые во временном окне детектора на расстоянии, соответствовали скорости света. Это измерение было повторено в 2007 году с использованием детекторов MINOS , которые определили скоростьНейтрино с энергией 3 ГэВ с доверительным уровнем 99% должны находиться в диапазоне между0,999 976 с и1.000 126 с . Центральная ценность1,000 051 c выше скорости света, но, с учетом неопределенности, также соответствует скорости точно c или немного меньше. Это измерение установило верхнюю границу массы мюонного нейтрино на уровне50 МэВ с достоверностью 99% . [65] [66] После того, как детекторы для проекта были модернизированы в 2012 году, MINOS уточнил свой первоначальный результат и обнаружил согласие со скоростью света, с разницей во времени прибытия нейтрино и света -0,0006% (±0,0012% ). [67]
Подобное наблюдение, но в гораздо большем масштабе, было сделано со сверхновой 1987А (SN 1987А). Антинейтрино с энергией 10 МэВ от сверхновой были обнаружены во временном окне, соответствующем скорости света для нейтрино. До сих пор все измерения скорости нейтрино соответствовали скорости света. [68] [69]
В сентябре 2011 года коллаборация OPERA опубликовала расчеты, показывающие, что скорости нейтрино с энергией 17 ГэВ и 28 ГэВ в их экспериментах превышают скорость света. В ноябре 2011 года OPERA повторила свой эксперимент с изменениями, чтобы скорость можно было определять индивидуально для каждого обнаруженного нейтрино. Результаты показали ту же скорость, превышающую скорость света. В феврале 2012 года появились сообщения о том, что результаты могли быть вызваны незакрепленным оптоволоконным кабелем, прикрепленным к одним из атомных часов, которые измеряли время вылета и прибытия нейтрино. Независимое повторение эксперимента в той же лаборатории, проведенное ICARUS , не выявило заметной разницы между скоростью нейтрино и скоростью света. [70]
В июне 2012 года ЦЕРН объявил, что новые измерения, проведенные в ходе всех четырех экспериментов Гран-Сассо (OPERA, ICARUS, Borexino и LVD ), обнаружили согласие между скоростью света и скоростью нейтрино, окончательно опровергнув первоначальное утверждение OPERA. [71]
Можем ли мы измерить массы нейтрино? Соответствуют ли нейтрино статистике Дирака или Майораны ?
Стандартная модель физики элементарных частиц предполагала, что нейтрино не имеют массы. [72] Экспериментально установленное явление осцилляций нейтрино, которое смешивает состояния аромата нейтрино с массовыми состояниями нейтрино (аналогично смешиванию CKM ), требует, чтобы нейтрино имели ненулевые массы. [73] Массивные нейтрино были первоначально задуманы Бруно Понтекорво в 1950-х годах. Улучшить базовую структуру для учета их массы несложно, добавив правый лагранжиан. [74]
Указать массу нейтрино можно двумя способами, а в некоторых предложениях используются оба:
Жесткий верхний предел масс нейтрино исходит из космологии : модель Большого взрыва предсказывает, что существует фиксированное соотношение между числом нейтрино и числом фотонов в космическом микроволновом фоне . Если бы суммарная масса всех трёх типов нейтрино превышала в среднем50 эВ/ c 2 на нейтрино, во Вселенной было бы столько массы, что она бы коллапсировала. [75] Это ограничение можно обойти, предположив, что нейтрино нестабильно, но в Стандартной модели существуют ограничения, которые затрудняют это. Гораздо более строгое ограничение возникает в результате тщательного анализа космологических данных, таких как космическое микроволновое фоновое излучение, исследования галактик и лес Лайман-альфа . Анализ данных микроволнового космического телескопа WMAP показал, что сумма масс трех видов нейтрино должна быть меньше0,3 эВ/ c 2 . [76] В 2018 году коллаборация Planck опубликовала более сильную оценку0,11 эВ/ c 2 , которое было получено путем объединения наблюдений общей интенсивности реликтового излучения, поляризации и гравитационного линзирования с измерениями барионно-акустических колебаний из обзоров галактик и измерениями сверхновых с Пантеона. [77] Повторный анализ 2021 года, в который добавлены измерения пространственного искажения красного смещения из исследования SDSS-IV eBOSS, получил еще более жесткий верхний предел0,09 эВ/ c 2 . [78] Однако несколько наземных телескопов с такими же размерами погрешностей, как Планк, предпочитают более высокие значения суммы масс нейтрино, что указывает на некоторую напряженность в наборах данных. [79]
Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кадзита и Артуру Б. Макдональду за экспериментальное открытие нейтринных осцилляций, демонстрирующих, что нейтрино имеют массу. [80] [81]
В 1998 году результаты исследований на детекторе нейтрино Супер-Камиоканде показали, что нейтрино могут колебаться от одного аромата к другому, что требует, чтобы они имели ненулевую массу. [82] Хотя это показывает, что нейтрино имеют массу, абсолютная шкала массы нейтрино до сих пор не известна. Это связано с тем, что нейтринные осцилляции чувствительны только к разнице квадратов масс. [83]
По состоянию на 2020 год [84] наиболее подходящее значение разности квадратов масс собственных состояний масс 1 и 2 составляет | Δ м2
21| "="0,000 074 (эВ/ c 2 ) 2 , а для собственных состояний 2 и 3 | Δ м2
32| "="0,002 51 (эВ/ c 2 ) 2 . Поскольку | Δ м2
32| является разницей двух квадратов масс, хотя бы одна из них должна иметь значение, равное как минимум квадратному корню из этого значения. Таким образом, существует по крайней мере одно собственное состояние массы нейтрино с массой не менее0,05 эВ/ c 2 . [85]
Предпринимается ряд попыток напрямую определить масштаб абсолютной массы нейтрино в лабораторных экспериментах, особенно с использованием ядерного бета-распада. Верхние пределы эффективных масс электронных нейтрино обусловлены бета-распадом трития. Массовый эксперимент нейтрино в Майнце установил верхний предел m <2,2 эВ/ c 2 при уровне достоверности 95 %. [86] С июня 2018 года эксперимент KATRIN ищет массу между0,2 эВ/ c 2 и2 эВ/ c 2 при распаде трития. [52] Верхний предел на февраль 2022 г. составляет m ν < 0,8 эВ/ c 2 при 90% CL в сочетании с предыдущей кампанией KATRIN от 2019 года. [11] [87]
31 мая 2010 года исследователи OPERA наблюдали первое событие-кандидат тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино, впервые наблюдая эту трансформацию в нейтрино, что предоставило дополнительные доказательства того, что они имеют массу. [88]
Если нейтрино является майорановской частицей , массу можно рассчитать, найдя период полураспада безнейтринного двойного бета-распада некоторых ядер. Текущий нижний верхний предел майорановской массы нейтрино был установлен KamLAND -Zen:0,060–0,161 эВ/ c 2 . [89]
Результаты экспериментов показывают, что в пределах погрешности все рожденные и наблюдаемые нейтрино имеют левостороннюю спиральность (спины антипараллельны импульсам ), а все антинейтрино имеют правовращающую спиральность. [90] В безмассовом пределе это означает, что для каждой частицы наблюдается только одна из двух возможных киральностей. Это единственные киральности, включенные в Стандартную модель взаимодействия частиц.
Возможно, их аналогов (правых нейтрино и левых антинейтрино) просто не существует. Если они существуют , то их свойства существенно отличаются от наблюдаемых нейтрино и антинейтрино. Предполагается, что они либо очень тяжелые (порядка шкалы Великого объединения — см. механизм качелей ), либо не участвуют в слабом взаимодействии (так называемые стерильные нейтрино ), либо и то, и другое.
Существование ненулевых масс нейтрино несколько усложняет ситуацию. Нейтрино рождаются в слабых взаимодействиях как собственные состояния киральности. Хиральность массивной частицы не является константой движения; спиральность есть, но оператор киральности не имеет общих собственных состояний с оператором спиральности. Свободные нейтрино распространяются как смеси левых и правых спиральных состояний с амплитудами смешивания порядка м ν /Э . Это не оказывает существенного влияния на эксперименты, поскольку участвующие в ней нейтрино почти всегда ультрарелятивистские, и поэтому амплитуды смешивания исчезающе малы. По сути, они путешествуют так быстро, а время в их системе отсчета покоя течет так медленно, что у них нет достаточно времени, чтобы изменить какой-либо наблюдаемый путь. Например, большинство солнечных нейтрино имеют энергию порядка0,100 МэВ ~1,00 МэВ ; следовательно, доля нейтрино с «неправильной» спиральностью среди них не может превышать 10 −10 . [91] [92]
Неожиданная серия экспериментальных результатов по скорости распада тяжелых высокозаряженных радиоактивных ионов , циркулирующих в накопителе, спровоцировала теоретическую активность в попытках найти убедительное объяснение. Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI , поскольку накопительное кольцо находится на базе Центра исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI в Дармштадте , Германия .
Было обнаружено, что скорости слабого распада двух радиоактивных частиц с периодом полураспада около 40 секунд и 200 секунд имеют значительную колебательную модуляцию с периодом около 7 секунд. [93] Поскольку в процессе распада образуется электронное нейтрино, некоторые из предлагаемых объяснений наблюдаемой частоты колебаний предполагают новые или измененные свойства нейтрино. Идеи, связанные с колебаниями вкуса, были встречены скептически. [94] Более позднее предложение основано на различиях между собственными состояниями масс нейтрино . [95]
Ядерные реакторы являются основным источником нейтрино, созданных человеком. Большая часть энергии в ядерном реакторе вырабатывается за счет деления (четыре основных делящихся изотопа в ядерных реакторах235
ты
,238
ты
,239
Пу
и241
Пу
), образующиеся в результате богатые нейтронами дочерние нуклиды быстро подвергаются дополнительным бета-распадам, каждый из которых превращает один нейтрон в протон и электрон и высвобождает электронное антинейтрино. С учетом этих последующих распадов среднее количество выбросов ядерного деления составляет около200 МэВ энергии, из которой примерно 95,5% остается в ядре в виде тепла, а примерно 4,5% (или около9 МэВ ) [96] излучается в виде антинейтрино. Для типичного ядерного реактора тепловой мощностью4000 МВт , [e]
общее производство энергии из делящихся атомов фактически составляет4185 МВт , из них185 МВт излучается в виде антинейтринного излучения и никогда не встречается в технике. Это значит,185 МВт энергии деления теряется в этом реакторе и не проявляется в виде тепла, доступного для работы турбин, поскольку антинейтрино проникают во все строительные материалы практически без взаимодействия.
Энергетический спектр антинейтрино зависит от степени сгорания топлива (антинейтрино деления плутония-239 в среднем имеют немного большую энергию, чем антинейтрино деления урана-235), но в целом обнаруживаемые антинейтрино деления имеют пиковую энергию примерно между 3,5 и4 МэВ , с максимальной энергией около10 МэВ . [97] Не существует общепринятого экспериментального метода измерения потока антинейтрино низкой энергии. Только антинейтрино с энергией выше порога1,8 МэВ может вызвать обратный бета-распад и, таким образом, быть однозначно идентифицирован (см. § Обнаружение ниже).
По оценкам, 3% всех антинейтрино из ядерного реактора несут энергию выше этого порога. Таким образом, средняя атомная электростанция может вырабатывать более10 20 антинейтрино в секунду выше порога, но также и гораздо большее количество ( 97% / 3% ≈ в 30 раз больше этого числа) ниже энергетического порога; эти антинейтрино с более низкой энергией невидимы для современной детекторной технологии.
Некоторые ускорители частиц использовались для получения пучков нейтрино. Методика заключается в столкновении протонов с фиксированной мишенью, в результате чего образуются заряженные пионы или каоны . Эти нестабильные частицы затем магнитно фокусируются в длинный туннель, где они распадаются во время полета. Из-за релятивистского ускорения распадающейся частицы нейтрино рождаются пучком, а не изотропно. Продолжаются попытки создать ускоритель, в котором нейтрино будут производиться в результате распадов мюонов. [98] Такая установка широко известна как «фабрика нейтрино» .
В отличие от других искусственных источников, коллайдеры производят как нейтрино, так и антинейтрино всех сортов при очень высоких энергиях. О первом прямом наблюдении коллайдерных нейтрино было сообщено в 2023 году в эксперименте FASER на Большом адронном коллайдере . [99]
Ядерное оружие также производит очень большое количество нейтрино. Фред Райнс и Клайд Коуэн рассматривали возможность обнаружения нейтрино из бомбы до поиска нейтрино реактора; Реактор деления был рекомендован как лучшая альтернатива руководителем физического отдела Лос-Аламоса Дж. М. Б. Келлоггом. [100] Оружие деления производит антинейтрино (в результате процесса деления), а термоядерное оружие производит как нейтрино (в результате процесса термоядерного синтеза), так и антинейтрино (в результате инициирующего взрыва деления).
Нейтрино образуются вместе с естественным фоновым излучением . В частности, цепи распада238
ты
и232
че
изотопы, а также40К, включают бета-распады, испускающие антинейтрино. Эти так называемые геонейтрино могут предоставить ценную информацию о недрах Земли. Первое указание на существование геонейтрино было обнаружено в эксперименте KamLAND в 2005 году, обновленные результаты были представлены KamLAND [101] и Borexino . [102] Основным фоном в измерениях геонейтрино являются антинейтрино, исходящие из реакторов.
Атмосферные нейтрино возникают в результате взаимодействия космических лучей с атомными ядрами в атмосфере Земли , создавая потоки частиц, многие из которых нестабильны и при распаде производят нейтрино. Коллаборация физиков элементарных частиц из Института фундаментальных исследований Тата (Индия), Городского университета Осаки (Япония) и Даремского университета (Великобритания) зафиксировала первое взаимодействие нейтрино космических лучей в подземной лаборатории на золотых месторождениях Колар в Индии в 1965 году. [103]
Солнечные нейтрино возникают в результате ядерного синтеза, питающего Солнце и другие звезды. Детали работы Солнца объясняются Стандартной солнечной моделью . Вкратце: когда четыре протона сливаются, образуя одно ядро гелия , два из них должны превратиться в нейтроны, и при каждом таком превращении высвобождается одно электронное нейтрино.
Солнце посылает огромное количество нейтрино во всех направлениях. Каждую секунду около 65 миллиардов (6,5 × 10 10 ) солнечных нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр на части Земли, ортогональной направлению Солнца. [15] Поскольку нейтрино незначительно поглощаются массой Земли, площадь поверхности на стороне Земли, противоположной Солнцу, получает примерно такое же количество нейтрино, как и сторона, обращенная к Солнцу.
Колгейт и Уайт (1966) [104] рассчитали, что нейтрино уносят большую часть гравитационной энергии, высвобождаемой во время коллапса массивных звезд, [104] событий, которые теперь классифицируются как сверхновые типа Ib, Ic и типа II . Когда такие звезды коллапсируют, плотность материи в ядре становится очень высокой (10 17 кг/м 3 ), что вырождения электронов недостаточно, чтобы предотвратить объединение протонов и электронов с образованием нейтрона и электронного нейтрино. Манн (1997) [105] обнаружил второй, более обильный источник нейтрино — это тепловая энергия (100 миллиардов кельвинов ) вновь образованного нейтронного ядра, которая рассеивается за счет образования пар нейтрино-антинейтрино всех ароматов. [105]
Теория Колгейта и Уайта о рождении нейтрино сверхновой была подтверждена в 1987 году, когда были обнаружены нейтрино от сверхновой 1987А. Водные детекторы Камиоканде II и IMB зарегистрировали 11 и 8 антинейтрино (лептонное число = -1) теплового происхождения [105] соответственно, а сцинтилляционный детектор Баксан обнаружил 5 нейтрино (лептонное число = +1) любого теплового происхождения. или источник электронного захвата, в виде всплеска длительностью менее 13 секунд. Нейтринный сигнал от сверхновой прибыл на Землю за несколько часов до прихода первого электромагнитного излучения, как и следовало ожидать из того очевидного факта, что последнее возникает вместе с ударной волной. Исключительно слабое взаимодействие с обычной материей позволило нейтрино пройти сквозь бурлящую массу взрывающейся звезды, в то время как электромагнитные фотоны были замедлены.
Поскольку нейтрино мало взаимодействуют с материей, считается, что нейтринные выбросы сверхновой несут информацию о самых внутренних областях взрыва. Большая часть видимого света возникает в результате распада радиоактивных элементов, образующихся ударной волной сверхновой, и даже свет самого взрыва рассеивается плотными и турбулентными газами и, таким образом, задерживается. Ожидается, что нейтринный всплеск достигнет Земли раньше любых электромагнитных волн, включая видимый свет, гамма-лучи или радиоволны. Точное время задержки прихода электромагнитных волн зависит от скорости ударной волны и толщины внешнего слоя звезды. В случае сверхновой типа II астрономы ожидают, что поток нейтрино высвободится через несколько секунд после коллапса ядра звезды, тогда как первый электромагнитный сигнал может появиться через несколько часов, после того как ударная волна взрыва успеет достичь поверхности звезды. Проект системы раннего предупреждения о сверхновой использует сеть детекторов нейтрино для мониторинга неба на предмет событий-кандидатов на сверхновую; сигнал нейтрино станет полезным заблаговременным предупреждением о взрыве звезды в Млечном Пути .
Хотя нейтрино проходят через внешние газы сверхновой, не рассеиваясь, они предоставляют информацию о более глубоком ядре сверхновой, свидетельствуя о том, что здесь даже нейтрино рассеиваются в значительной степени. В ядре сверхновой плотность равна плотности нейтронной звезды (которая, как ожидается, образуется в сверхновой этого типа), [106] становится достаточно большой, чтобы влиять на продолжительность нейтринного сигнала, задерживая некоторые нейтрино. Нейтринный сигнал продолжительностью 13 секунд от SN 1987A длился намного дольше, чем потребовалось бы для беспрепятственного прохождения нейтрино через генерирующее нейтрино ядро сверхновой, диаметр которой, как ожидается, будет всего 3200 километров для SN 1987A.
Число подсчитанных нейтрино также соответствовало полной энергии нейтрино2,2 × 10 46 джоулей , что, по оценкам, составляет почти всю полную энергию сверхновой. [35]
Для средней сверхновой примерно 10Высвобождается +57 ( октодециллион ) нейтрино, но реальное их количество, обнаруженное наземным детектором,будет намного меньше, на уровне
где - масса детектора (например, Супер Камиоканде имеет массу 50 ктонн) и - расстояние до сверхновой. [107] Следовательно, на практике можно будет обнаружить только нейтринные всплески от сверхновых внутри или вблизи Млечного Пути (нашей собственной галактики). Помимо регистрации нейтрино от отдельных сверхновых, должна быть также возможно обнаружить диффузный фон нейтрино сверхновых , который исходит от всех сверхновых во Вселенной. [108]
Энергия нейтрино сверхновых колеблется от единиц до нескольких десятков МэВ. Ожидается, что места, где ускоряются космические лучи, будут производить нейтрино, энергия которых как минимум в один миллион раз выше, и которые образуются из турбулентной газовой среды, оставшейся после взрывов сверхновых: остатки сверхновых . Происхождение космических лучей Бааде и Цвикки приписывали сверхновым ; эта гипотеза была уточнена Гинзбургом и Сыроватским, которые объяснили ее происхождение остатками сверхновых и подкрепили свое утверждение решающим замечанием о том, что потери космических лучей Млечного Пути компенсируются, если эффективность ускорения в остатках сверхновых составляет около 10 процентов. Гипотеза Гинзбурга и Сыроватского подтверждается специфическим механизмом «ускорения ударной волны», происходящим в остатках сверхновых, который согласуется с исходной теоретической картиной, нарисованной Энрико Ферми , и получает подтверждение данными наблюдений. Нейтрино очень высоких энергий еще предстоит увидеть, но эта отрасль нейтринной астрономии находится только в зачаточном состоянии. Основными существующими или предстоящими экспериментами, целью которых является наблюдение нейтрино очень высоких энергий из нашей галактики, являются Байкал , АМАНДА , IceCube , АНТАРЕС , НЕМО и Нестор . Соответствующую информацию предоставляют обсерватории гамма-излучения очень высоких энергий , такие как VERITAS , HESS и MAGIC . Действительно, предполагается, что в результате столкновений космических лучей образуются заряженные пионы, распад которых создает для нейтрино, нейтральных пионов и гамма-лучей среду остатка сверхновой, прозрачную для обоих типов излучения.
Нейтрино еще более высоких энергий, возникающие в результате взаимодействия внегалактических космических лучей, можно было наблюдать с помощью обсерватории Пьера Оже или с помощью специального эксперимента под названием ANITA .
Считается, что, как и космическое микроволновое фоновое излучение, оставшееся после Большого взрыва, в нашей Вселенной существует фон из нейтрино низкой энергии. В 1980-х годах было высказано предположение, что это может быть объяснением существования темной материи во Вселенной. У нейтрино есть одно важное преимущество перед большинством других кандидатов в темную материю: известно, что они существуют. Эта идея также имеет серьезные проблемы.
Из экспериментов с частицами известно, что нейтрино очень легкие. Это означает, что они легко движутся со скоростью, близкой к скорости света . По этой причине темная материя, состоящая из нейтрино, называется « горячей темной материей ». Проблема в том, что, будучи быстро движущимися, нейтрино имели тенденцию равномерно распространяться во Вселенной до того, как космологическое расширение сделало их достаточно холодными, чтобы собраться в сгустки. Это приведет к тому, что часть темной материи, состоящей из нейтрино, будет размыта и не сможет вызвать крупные галактические структуры, которые мы видим.
Эти же галактики и группы галактик, по-видимому, окружены темной материей, которая недостаточно быстро движется, чтобы покинуть эти галактики. Предположительно эта материя послужила гравитационным ядром для формирования . Это означает, что нейтрино не могут составлять значительную часть от общего количества темной материи.
Согласно космологическим аргументам, реликтовые фоновые нейтрино имеют плотность 56 каждого типа на кубический сантиметр и температуру.1,9 К (1,7 × 10 −4 эВ ), если они безмассовые, гораздо холоднее, если их масса превышает0,001 эВ/ c 2 . Хотя их плотность довольно высока, они еще не наблюдались в лаборатории, поскольку их энергия ниже порогов большинства методов обнаружения, а также из-за чрезвычайно низких сечений взаимодействия нейтрино при энергиях субэВ. Напротив, солнечные нейтрино бора-8 , испускаемые с более высокой энергией, были окончательно обнаружены, несмотря на то, что их пространственная плотность ниже, чем у реликтовых нейтрино примерно на шесть порядков .
Нейтрино невозможно обнаружить напрямую, поскольку они не несут электрического заряда, а это значит, что они не ионизируют материалы, через которые проходят. Другие способы воздействия нейтрино на окружающую среду, такие как эффект MSW , не производят прослеживаемого излучения. Уникальная реакция для идентификации антинейтрино, иногда называемая обратным бета-распадом , примененная Рейнсом и Коуэном (см. ниже), требует очень большого детектора для обнаружения значительного количества нейтрино. Все методы обнаружения требуют, чтобы нейтрино имели минимальную пороговую энергию. Пока не существует метода обнаружения нейтрино низких энергий, в том смысле, что потенциальные нейтринные взаимодействия (например, с помощью эффекта МСВ) нельзя однозначно отличить от других причин. Детекторы нейтрино часто строят под землей, чтобы изолировать детектор от космических лучей и другого фонового излучения.
Впервые антинейтрино были обнаружены в 1950-х годах возле ядерного реактора. Рейнс и Коуэн использовали две мишени, содержащие раствор хлорида кадмия в воде. Рядом с кадмиевыми мишенями располагались два сцинтилляционных детектора. Антинейтрино с энергией выше порога1,8 МэВ вызвало взаимодействие заряженного тока с протонами в воде, в результате чего образовались позитроны и нейтроны. Это очень похоже
β+
распад, при котором энергия используется для преобразования протона в нейтрон, позитрон (
е+
) и электронное нейтрино (
ν
е) излучается:
Из известных
β+
разлагаться:
В эксперименте Коуэна и Райнса вместо вылетающего нейтрино имеется входящий антинейтрино (
ν
е) из ядерного реактора:
В результате аннигиляции позитронов электронами в материале детектора были созданы фотоны с энергией около0,5 МэВ . Пары совпадающих фотонов могли быть обнаружены двумя сцинтилляционными детекторами над и под мишенью. Нейтроны были захвачены ядрами кадмия, что привело к образованию гамма-лучей примерно8 МэВ , которые были обнаружены через несколько микросекунд после фотонов от аннигиляции позитрона.
С тех пор использовались различные методы обнаружения. Супер Камиоканде — это большой объем воды, окруженный фотоумножителями , которые следят за черенковским излучением, испускаемым, когда падающее нейтрино создает в воде электрон или мюон. Нейтринная обсерватория Садбери аналогична, но в качестве детекторной среды использовалась тяжелая вода , которая использует те же эффекты, но также позволяет проводить дополнительную реакцию фотодиссоциации нейтрино любого аромата дейтерия, в результате чего образуется свободный нейтрон, который затем обнаруживается по гамма-излучению. после улавливания хлора. Другие детекторы состояли из больших объемов хлора или галлия , которые периодически проверялись на наличие избытков аргона или германия соответственно, которые создаются электронами-нейтрино, взаимодействующими с исходным веществом. MINOS использовал твердый пластиковый сцинтиллятор , соединенный с фотоумножителями, в то время как Borexino использует жидкий псевдокумоловый сцинтиллятор, также контролируемый фотоумножителями, а детектор NOνA использует жидкий сцинтиллятор, контролируемый лавинными фотодиодами . Нейтринная обсерватория IceCube использует1 км 3 антарктического ледникового щита вблизи южного полюса с фотоумножителями, распределенными по всему объему.
Низкая масса и нейтральный заряд нейтрино означают, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами и полями. Эта особенность слабого взаимодействия интересует ученых, поскольку означает, что нейтрино можно использовать для исследования сред, через которые не может проникнуть другое излучение (например, свет или радиоволны).
Использование нейтрино в качестве зонда было впервые предложено в середине 20-го века как способ обнаружения условий в ядре Солнца. Солнечное ядро невозможно визуализировать напрямую, поскольку электромагнитное излучение (например, свет) рассеивается большим количеством и плотностью материи, окружающей ядро. С другой стороны, нейтрино проходят через Солнце с небольшим количеством взаимодействий. В то время как фотонам, испускаемым из солнечного ядра, может потребоваться 40 000 лет, чтобы диффундировать к внешним слоям Солнца, нейтрино, образующиеся в реакциях звездного синтеза в ядре, пересекают это расстояние практически беспрепятственно почти со скоростью света. [109] [110]
Нейтрино также полезны для исследования астрофизических источников за пределами Солнечной системы, поскольку они являются единственными известными частицами, которые существенно не ослабляются при путешествии через межзвездную среду. Оптические фотоны могут быть скрыты или рассеяны пылью, газом и фоновым излучением. Космические лучи высоких энергий в виде быстрых протонов и атомных ядер не могут преодолевать расстояние более 100 мегапарсек из-за предела Грейзена-Зацепина-Кузьмина (обрезания ГЗК). Нейтрино, напротив, могут преодолевать еще большие расстояния, почти не ослабляясь.
Галактическое ядро Млечного Пути полностью скрыто плотным газом и многочисленными яркими объектами. Нейтрино, образующиеся в ядре галактики, можно было бы измерить с помощью наземных нейтринных телескопов . [22]
Другое важное применение нейтрино — наблюдение сверхновых — взрывов, которые заканчивают жизнь очень массивных звезд. Фаза коллапса ядра сверхновой — чрезвычайно плотное и энергичное событие. Оно настолько плотное, что ни одна известная частица не может покинуть наступающий фронт ядра, за исключением нейтрино. Следовательно, известно, что сверхновые выделяют примерно 99% своей лучистой энергии за короткий (10 секунд) всплеск нейтрино. [111] Эти нейтрино являются очень полезным зондом для изучения коллапса ядра.
Масса покоя нейтрино является важной проверкой космологических и астрофизических теорий (см. Темная материя ). Значение нейтрино в исследовании космологических явлений так же велико, как и любой другой метод, и поэтому оно является основным направлением исследований в астрофизических сообществах. [112]
Изучение нейтрино важно в физике элементарных частиц , поскольку нейтрино обычно имеют самую низкую массу покоя среди массивных частиц (т.е. самую низкую ненулевую массу покоя, т.е. исключая нулевую массу покоя фотонов и глюонов) и, следовательно, являются примерами самых низких масс покоя. энергетические массивные частицы, теоретизированные в рамках расширения Стандартной модели физики элементарных частиц.
В ноябре 2012 года американские ученые использовали ускоритель частиц, чтобы послать когерентное нейтринное сообщение через скалу высотой 780 футов. Это знаменует собой первое использование нейтрино для связи, и будущие исследования могут позволить отправлять бинарные нейтринные сообщения на огромные расстояния даже через самые плотные материалы, такие как ядро Земли. [113]
В июле 2018 года Нейтринная обсерватория IceCube объявила, что они отследили нейтрино чрезвычайно высокой энергии, которое поразило их исследовательскую станцию в Антарктиде в сентябре 2017 года, до точки его происхождения в блазаре TXS 0506 +056, расположенном на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет. в сторону созвездия Ориона . Впервые детектор нейтрино был использован для обнаружения объекта в космосе и идентифицирован источник космических лучей. [114] [115] [116]
В ноябре 2022 года нейтринная обсерватория IceCube обнаружила свидетельства испускания высокоэнергетических нейтрино от NGC 1068, также известной как Мессье 77 , активной галактики в созвездии Кита и одной из самых знакомых и хорошо изученных галактик на сегодняшний день. [117]
В июне 2023 года астрономы сообщили об использовании новой техники для обнаружения выброса нейтрино из галактической плоскости галактики Млечный Путь . [118] [119]
Доктор. Крейн и Халперн решают, что это не просто гипотеза.
В 1989 году экспериментаторы ЦЕРН нашли доказательство того, что тау-нейтрино является третьим и последним легким нейтрино Стандартной модели, но прямое наблюдение еще не было возможным.
Детектор состоит из акриловой сферы диаметром 12 метров, содержащей 1000 тонн тяжелой воды... [Солнечные нейтрино] обнаруживаются в SNO посредством процесса заряженного тока, когда электронные нейтрино взаимодействуют с дейтронами с образованием двух протонов и электрона.
Эта группа обнаружила, хотя и с меньшей точностью, что скорости нейтрино соответствуют скорости света.
Впервые астрономы проследили за космическими нейтрино в огнедышащее сердце сверхмассивного блазара