Нейтрино - мелкие неуловимые хранители тайн Вселенной

02.04.2018

Нейтрино есть везде. Они пронизывают пространство вокруг нас. Они могут быть найдены во всей галактике, и в Солнечной системе и каждую секунду десятки тысяч нейтрино проходят через ваше тело. Но нет нужды тревожиться из-за этих мельчайших частиц, они не взаимодействуют с чем угодно. На самом деле, они даже могут пройти через всю Землю без последствий.

Нейтрино - это фундаментальные частицы, которые впервые были сформированы в первую секунду образования Вселенной, даже до образования атомов. Они также постоянно производится при ядерных реакциях звезд, подобных нашему Солнцу, и ядерных реакциях здесь, на Земле. Еще неизвестно все об этих частиц, они имеют неопределенную массу и путешествуют со скоростью близкой к скорости свет.

Существует три типа нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Согласно стандартной модели существует 12 фундаментальных частиц. Каждое нейтрино имеет соответствующую заряженную частицу, из которых и получает свое имя. Стандартная модель состоит из трех поколений, и каждое поколение имеет два кварка, нейтрино и заряженную частицу. Частицы в стандартной модели разделяются на два типа: кварки и лептоны. Кварки взаимодействуют посредством сильных ядерных сил, в то время как лептоны взаимодействуют через электромагнитные и слабые ядерные силы. Нейтрино почти безмассовые и не имеют электрического заряда. Поэтому, в отличие от других частиц, они взаимодействуют через слабое ядерное взаимодействие. Нейтрино на самом деле означает "маленькая нейтральная". Поскольку слабая ядерная сила действует только на малом расстоянии, нейтрино могут проходить через массивные объекты без взаимодействия с ними.

История

Из-за неуловимого поведение нейтрино, об их существовании не было известно до 1959, хотя они были предсказаны еще в 1931 году. Паули первым предсказал нейтрино для того, чтобы учесть очевидную потерю энергии и импульса, которые он наблюдал при изучении радиоактивного бета-распада. Он предсказал, что энергию уносит некая неизвестная частица. Тогда в 1959 году, Клайд Коуэн и Рейнес Фред, наконец, нашли частицу, которая подходила под описание. При этом они на самом деле открыли электронное нейтрино. Следующим большим открытием стало то, что было найдено мюонное нейтрино Леоном Ледерманом, Мэлом Шварцем и Джеком Штейнбергером, учеными из ЦЕРНа. Они сделали это путем пропускания единого протонного пучка через мишень, таким образом, производя пионов, мюонов и мюонных нейтрино.

Был проведен первый эксперимент, чтобы попытаться обнаружить электронное нейтрино от Солнца при помощи детектора в шахте в 1968 году в США. Однако они обнаруживали нейтрино примерно два раза в неделю. Однако было предсказано, что детектор должен найти один из 10^16 солнечных нейтрино в день. Это необъяснимое отсутствие солнечных нейтрино стало известно как проблема солнечных нейтрино. Считается, что нейтрино осциллируют на самом деле между различными частицами после того, как испускались от Солнца. Поэтому не были выявлены все нейтрино, потому что некоторые изменились в мюонное и тау-нейтрино.

Существование третьего вида нейтрино, тау-нейтрино, впервые был выведено в 1978 с открытием тау частиц в ускорителе Стэнфордского центра линейных ускорителей. Они поняли, что тау-частица была просто тяжелее электрона и мюона и поэтому должен иметь соответствующие нейтрино. Тау-нейтрино уклонялась от обнаружения несколько лет. Во-первых, тау-частиц живет всего около 300 фемтосекунд, что затрудняет их отслеживание и поэтому трудно отслеживать соответствующие им нейтрино. Во-вторых, тау-нейтрино невероятно редки. Однако в 2000 году ученым в ЦЕРНе наконец-то удалось наблюдать тау-нейтрино.

Где нейтрино взялись и почему они такие крутые

Звезда взрывается в катастрофическом переборе энергии, ученые измеряют малое расхождение энергии при радиоактивном распаде, Солнце постоянно отправляет нам частицы, вся Вселенная вокруг нас пропитана остатками Большого взрыва, и во всех из этих вещей есть одно общее: нейтрино. Хотя их трудно обнаружить, эти маленькие частицы могут сообщить нам обо всем, от рождения Вселенной до ядерной реакции, что питает энергией наши города.

Сверхновая

23 февраля 1987 детекторы глубоко под землей, предназначенные для обнаружения протонного распада вдруг обнаружили огромное количество нейтрино (8 за 5 секунд). Ученые недоумевали о причинах этого потока нейтрино до 24 февраля, когда аспирант по имени Иэн Шелтон озвучил свое наблюдение сверхновой звезды в большом Магеллановом облаке. Когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно давит на протоны и электроны и те образуют нейтрино.

п + е → н + ν.

Нейтрино проходят прямо через коллапсирующую звезду до взрыва. Именно поэтому нейтрино, были обнаружены до того, как Сверхновая явно наблюдалась. Когда нейтрино уходят, они забирают энергию от звезды, и звезда продолжает развал и происходит взрыв, который может затмить сияние целой галактики. Нейтрино очень важны для изучения сверхновых, потому что они обеспечивают раннее предупреждение сигнала и позволяют ученым смотреть в нужном направлении до взрыва сверхновой.

Солнце

Нейтрино создаются также при ядерных реакциях, в ядре таких звезд, как наше Солнце. Нейтрино образуются в протон - протонной цепочке:

протон + протон → дейтрон + позитрон + нейтрино,

где дейтрон - ядро дейтерия. На Солнце водород соединяется в гелий посредством протон-протонных реакций. Нейтрино являются важными, поскольку они позволяют ученым заглянуть в недра Солнца и узнать о процессах внутри нашей самой близкой звезды. Вся информация, полученная о Солнце, идет пока от электромагнитного излучения, которое проходит через многие слои Солнца, взаимодействует и изменяется вдоль пути и путешествует через пространство к нам. Весь этот процесс может занять миллионы лет. Однако нейтрино могут пройти через Солнце, без взаимодействия и займет это всего 8 минут, чтобы добраться от ядра, где они создаются, до нас.

Большой Взрыв

Величайший источник нейтрино произошел приблизительно 15 миллиардов лет назад. Нейтрино был создан 10^-4 секунд после большого взрыва. Тогда всего за 1 секунду после большого взрыва Вселенная стала прозрачной для нейтрино, что позволяет им свободно перемещаться в пространстве. В этом времени Вселенная имела температуру около 3*10^10 Кельвин. Со временем Вселенная расширялась и охлаждалась, и продолжает расширяться по сей день. Насчитывается около 330 млн. этих нейтрино на 1 кубометр; однако, эти нейтрино имеют очень низкую энергию. Они образуют космическое радиационный фон, температура которого сегодня только 2,73 Кельвина. Изучая эти нейтрино ученые смогли узнать о первоначальных этапах формирования Вселенной.

Будущее исследований нейтрино

Ученые постоянно придумывают новые и изощренные способы для изучения нейтрино из космоса. Нейтринные телескопы, такие как супер-Камиоканде в Японии используют огромные чаны с водой, чтобы обнаружить нейтрино.

Внутри бака фото-умножители обнаруживают черенковское излучение, которое испускается нейтрино при их прохождении через воду почти со скоростью света. Поэтому детектор обнаруживает эффект нейтрино взаимодействуя с водой, а не сами нейтрино. Телескопы, такие как супер-Камиоканде глубоко под землей, чтобы избежать обнаружения других частиц из космических лучей.

В настоящее время ученые строят лучший нейтринный телескоп с помощью полярных льдов, как средство для обнаружения нейтрино. Ученые строят новый телескоп под Южным полюсом, потому что это позволит им сделать невероятно больше чем когда-либо. Во-первых, это очень хорошее место для излучателей, чтобы сохранить стабильную температуру, во-вторых, если построить достаточно глубоко, можно избежать помех от космических лучей.

Лед в Арктике также является хорошим средством, потому что он чистый, прозрачный и свободный от радиоактивности. Ученые надеются, что путем построения телескопа, они смогут больше узнать о дальних источниках нейтрино: гамма-всплески, сверхновые, черные дыры и даже о темной материи.