النيوترينو جسيم: التعريف، الخصائص، وصفا. تذبذب النيوترينو - ذلك ...

نيوترينو - وهو الجسيمات الأولية التي هي مشابهة جدا لالإلكترون، ولكن ليس لديها أي شحنة كهربائية. أنه يحتوي على كتلة صغيرة جدا، والتي قد تكون حتى الصفر. من كتلة النيوترينو يعتمد على سرعة. الفرق في وقت وصول وشعاع الجسيمات 0،0006٪ (± 0،0012٪). في عام 2011، أنه ثبت خلال التجربة OPERA أن تتجاوز سرعة سرعة النيوترونات الخفيفة، ولكنها مستقلة عن هذه التجربة لم يتأكد بعد.

الجسيمات بعيد المنال

هذه هي واحدة من الجزيئات الأكثر شيوعا في الكون. لأنه يتفاعل مع القليل جدا المسألة، فإنه من الصعب للغاية للكشف. الالكترونات والنيوترونات لا تشارك في القوة النووية القوية، ولكن المشاركة على قدم المساواة في الضعفاء. وتسمى الجزيئات وجود مثل هذه الخصائص اللبتونات. بالإضافة إلى الإلكترون (البوزيترون وجسيم مضاد)، ويشار إلى الميون اتهم اللبتونات (200 كتلة الإلكترون)، تاو (3500 كتلة الإلكترون)، وجسيم مضاد الخاصة بهم. ما يطلق عليه: الإلكترون، الميون والنيوترونات تاو. كل واحد منهم لديه عنصر antimaterial، ودعا مضاد النترينو.

الميون والتاو، مثل الإلكترون، يكون الجسيمات المرفقة. ومن الميون والنيوترونات تاو. ثلاثة أنواع من الجسيمات مختلفة عن بعضها البعض. على سبيل المثال، عندما تتفاعل النيوترونات الميون مع الهدف، فإنها تنتج دائما ميونات وأبدا تاو أو الإلكترونات. في رد فعل من الجسيمات، على الرغم من أن يتم إنشاء الالكترونات والنيوترونات الإلكترون وتدميرها، لا يزال مجموعهما دون تغيير. هذه الحقيقة يؤدي إلى اللبتونات الفصل إلى ثلاثة أنواع، كل منها يمتلك اللبتونات المشحونة ونيوترينو المرافق له.

للكشف عن هذا الجسيم يتطلب كشف كبيرة جدا وحساسة للغاية. وكقاعدة عامة، مع النيوترونات الطاقة المنخفضة سيتوجه للعديد من السنوات الضوئية للتفاعل مع المسألة. ونتيجة لذلك، جميع التجارب الأرض معهم تعتمد على قياس جزء صغير التي تتفاعل مع المسجلين حجم معقول. على سبيل المثال، في مرصد النيوترينو سدبري، تحتوي على 1000 طن من الماء الثقيل يمر عبر كشف عن 1012 النيوترونات الشمسية في الثانية الواحدة. وجدنا 30 فقط في اليوم الواحد.

تاريخ الاكتشاف

فولفغانغ باولي أول افترض وجود الجزيئات في عام 1930. في ذلك الوقت، كانت هناك مشكلة، لأنه يبدو أن لا يتم تخزين الطاقة والزخم الزاوي في اضمحلال بيتا. لكنه أشار باولي إلى أنه إذا لم يكن هناك تنبعث النيوترونات تتفاعل الجسيمات محايد، و قانون الحفاظ على الطاقة وسيراعى. الفيزيائي الايطالي إنريكو فيرمي في عام 1934 وضعت نظرية تحلل بيتا، وأعطاها اسم الجسيمات.

على الرغم من كل التوقعات لمدة 20 عاما، النيوترونات لا يمكن الكشف عنها تجريبيا نظرا ل ضعف التفاعل مع الموضوع. لأن مشحونة كهربائيا الجزيئات، فإنها لا تعمل القوى الكهرومغناطيسية، وبالتالي، فإنها لا تسبب تأين للمادة. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تتفاعل مع مادة فقط من خلال ضعف التفاعلات قوة طفيفة. ولذلك، فإنها هي الجسيمات دون الذرية الأكثر اختراق قادرة على المرور عبر عدد هائل من الذرات دون التسبب في أي رد فعل. فقط 1-10000000000 من هذه الجسيمات السفر من خلال نسيج لمسافة مساوية لقطر الأرض، يتفاعل مع البروتونات أو النيوترونات.

وأخيرا، في عام 1956 ذكرت مجموعة من علماء الفيزياء الأميركي، من قبل فريدريك رينز قاد اكتشاف النيترون المضاد الإلكترون. في التجارب أنه antineutrinos المفاعل النووي يشع، التفاعل مع بروتون، وتشكيل النيوترونات والبروتونات. كانت فريدة من نوعها (ونادرة) التوقيعات الطاقة لهذه الأخيرة من المنتجات دليل على وجود جسيم.

افتتاح اتهم اللبتونات ميونات كان نقطة انطلاق لتحديد لاحقة من نوع النيوترونات الثانية - الميون. وجرى التعرف عليهم من عام 1962 على أساس نتائج التجربة في معجل الجسيمات. عالية الطاقة ميونات تسوس النيوترونات التي شكلتها بي-الميزونات التي وجهت للكشف بحيث كان من الممكن لدراسة تفاعلها مع المادة. وعلى الرغم من حقيقة أنها غير رد الفعل، فضلا عن أنواع أخرى من الجزيئات، تبين أنه في حالات نادرة عندما تتفاعل مع البروتونات أو النيوترونات، ميونات، ميونات النيوترونات، لكن الإلكترونات أبدا. في عام 1998، منحت الفيزياء الأمريكي ليون ليدرمان، ملفين شوارتز وDzhek Shteynberger على جائزة نوبل في الفيزياء لتحديد الميون-النيوترونات.

في منتصف 1970s، اكتسب فيزياء النيوترينو نوع آخر من اللبتونات المشحونة - تاو. ارتبطت تاو نيوترينو-وتاو-antineutrinos مع هذا يبتون اتهم الثالث. في عام 2000، علماء الفيزياء في المختبر الوطني مسرع. ذكرت إنريكو فيرمي الأدلة التجريبية الأولى من وجود هذا النوع من الجسيمات.

الوزن

جميع أنواع النيوترونات لها كتلة، وهو أقل بكثير من شركائها المشحونة. على سبيل المثال، تبين التجارب أن كتلة الإلكترون نيوترينو يجب أن يكون أقل من 0.002٪ من كتلة الإلكترون ومبلغ من الجماهير من الأصناف الثلاثة يجب أن تكون أقل من 0.48 فولت. فكر لسنوات عديدة أن كتلة الجسيم هي صفر، رغم عدم وجود أدلة دامغة النظري، لماذا يجب أن تكون على هذا النحو. ثم، في عام 2002، تم الحصول على مرصد سدبري النيوترينو أول أدلة مباشرة على أن تنبعث الإلكترون النيوترونات التي كتبها التفاعلات النووية في قلب الشمس، طالما أنها تمر من خلال ذلك، وتغيير نوعها. هذا "التذبذبات" نيوترينو ممكن إذا واحد أو أكثر من الجزيئات يملك كتلة صغيرة. دراستهم تفاعل الأشعة الكونية في الغلاف الجوي للأرض تبين أيضا وجود كتلة، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من التجارب لتحديد ذلك بشكل أكثر دقة.

مصادر

المصادر الطبيعية من النيوترونات - الاضمحلال الإشعاعي للعناصر داخل الأرض، التي تنبعث في تدفق كبير من الطاقة منخفضة الإلكترون النترينو. المستعرات أيضا نيوترينو مفيد الظاهرة، لأن هذه الجزيئات لا يمكن إلا أن اختراق المواد hyperdense تشكلت في النجوم المنهارة. فقط يتم تحويل جزء صغير من الطاقة للضوء. وتشير الحسابات إلى أن حوالي 2٪ من الطاقة الشمسية - الطاقة النيوترونات التي تشكلت في ردود فعل حراري الانصهار. ومن المرجح أن معظم المادة المظلمة في الكون يتكون من النيوترونات التي تنتج أثناء الانفجار الكبير.

مشاكل الفيزياء

المجالات المتعلقة نيوترينو الفيزياء الفلكية، ومتنوعة وسريعة التطور. القضايا الراهنة التي تجذب عددا كبيرا من الجهود التجريبية والنظرية، ما يلي:

• ما هي الجماهير نيوترينو مختلفة؟
• كيف تؤثر علم الكونيات، والانفجار الكبير؟
• أنها تتذبذب؟
• يمكن نوع واحد من النيوترينو يتحول إلى أخرى أثناء سفرهم من خلال المادة والفضاء؟
• هي النيوترونات تختلف اختلافا جوهريا عن الجسيمات المضادة بهم؟
• كيف والنجوم تنهار لتشكيل سوبر نوفا؟
• ما هو دور النيوترونات في علم الكونيات؟

واحدة من المشاكل منذ فترة طويلة أهمية خاصة هو ما يسمى مشكلة النيوترينو الشمسية. يشير هذا الاسم إلى حقيقة أنه خلال العديد من التجارب الأرضية التي أجريت على مدى السنوات ال 30 الماضية، لاحظ باستمرار جسيمات أصغر مما هو ضروري لإنتاج الطاقة التي تشعها الشمس. أحد الحلول الممكنة هو التذبذب، أي. E. تحول إلكترون نيوترينو الميون لأو تاو خلال الرحلة إلى الأرض. فكيف أكثر صعوبة لقياس الميون منخفضة الطاقة أو النيوترونات تاو، فإن هذا النوع من التحول يفسر لماذا لا نرى الحق في مبلغ من جزيئات على سطح الأرض.

جائزة نوبل الرابع

منحت جائزة نوبل في الفيزياء عام 2015 لتاكاكي كاجي وآرثر ماكدونالد للكشف عن كتلة النيوترينو. وكانت هذه هي الجائزة الرابعة مماثلة المرتبطة القياسات التجريبية من هذه الجسيمات. قد يكون شخص مهتم في مسألة لماذا علينا أن نهتم كثيرا عن شيء التفاعل بالكاد مع المادة العادية.

حقيقة أننا يمكن الكشف عن هذه الجسيمات سريعة الزوال، هو دليل على براعة الإنسان. لأن قواعد ميكانيكا الكم، الاحتمالية، ونحن نعلم أنه على الرغم من حقيقة أن ما يقرب من جميع النيوترونات تمر عبر الأرض، وبعضها سوف تتفاعل معها. كاشف قادر على بما فيه الكفاية مسجلة الحجم الكبير.

تم بناء هذا الجهاز الأول في الستينات، في عمق منجم في ولاية ساوث داكوتا. وقد شغل رمح في 400،000. سائل تنظيف L. في المتوسط النيوترينو جسيم واحد يتفاعل يوميا مع ذرة الكلور وتحويله إلى الأرجون. بشكل لا يصدق، ريموند ديفيس، الذي كان مسؤولا عن كاشف، اخترع طريقة للكشف عن ذرات الأرجون متعددة، وبعد أربعة عقود من الزمن، في عام 2002، على هذا الإنجاز الهندسي المدهش حصل على جائزة نوبل.

علم الفلك الجديد

لأن النيوترونات تتفاعل حتى ضعيفة، فإنها يمكن أن السفر لمسافات كبيرة. أنها تعطينا لمحة عن الأماكن التي وإلا فإننا لن شهدت. النيوترونات الكشف عن ديفيس، التي تشكلت نتيجة التفاعلات النووية التي وقعت في قلب الشمس، وكانوا قادرين على ترك هذا المقعد كثيفة بشكل لا يصدق والساخنة لمجرد أنها لا تتفاعل مع المواد الأخرى. حتى يمكنك اكتشاف النيوترونات المنبعثة من مركز لنجم انفجر على مسافة أكثر من مئة ألف سنة ضوئية من الأرض.

وبالإضافة إلى ذلك، هذه الجسيمات تجعل من الممكن لمراقبة الكون في حجمه صغير جدا، أصغر بكثير من تلك التي يمكن أن ننظر في مصادم هادرون الكبير في جنيف، اكتشف هيغز بوسون. ولهذا السبب قررت لجنة نوبل منح جائزة نوبل لاكتشاف النيوترينو من نوع آخر.

نقص غامض

عندما لاحظ راي ديفيس النيوترونات الشمسية، لم يجد سوى ثلث الكمية المتوقعة. ويعتقد معظم علماء الفيزياء أن السبب في ذلك هو قلة المعرفة الفيزياء الفلكية للشمس: ربما أشرق نموذج باطن المبالغة في تقدير الكمية المنتجة في النيوترينو لها. ومع ذلك، لسنوات عديدة، حتى بعد النماذج الشمسية قد تحسنت، ظل العجز. دفعت علماء الفيزياء الانتباه إلى احتمال آخر: يمكن أن تكون المشكلة متعلقة إلى تصورنا لهذه الجسيمات. ووفقا لهذه النظرية، ثم سادت لم يكن لديهم الوزن. ولكن بعض علماء الفيزياء ويقول أنه في الواقع جسيمات لها كتلة متناهية الصغر، وكان هذا كتلة سبب عدم و.

ثلاث سنوات في مواجهة الجسيمات

وفقا لنظرية تذبذب النيوترينو، في الطبيعة، وهناك ثلاثة أنواع مختلفة منها. إذا جسيم له كتلة، كما أن يتحرك أنه يمكن أن تمر من نوع واحد إلى آخر. ثلاثة أنواع - الإلكترونات، ميونات وتاو - في التفاعل مع مادة يمكن تحويلها إلى الجسيمات المشحونة المقابلة (الإلكترون والميون تاو اللبتونات). "التذبذب" ويرجع ذلك إلى ميكانيكا الكم. نوع نيوترينو ليست ثابتة. يتغير مع مرور الوقت. النيوترونات، التي بدأت وجودها باعتبارها البريد الإلكتروني، يمكن أن تتحول إلى الميون، ومن ثم العودة. وهكذا، فإن الجسيمات، التي تشكلت في قلب الشمس، في طريقها إلى الأرض يمكن تحويلها إلى دوري النيوترونات الميون والعكس بالعكس. منذ ديفيس كاشف يمكن الكشف الوحيدة الإلكترون النيوترونات، والتي يمكن أن تؤدي إلى تحول نووي الكلور في الأرجون، ويبدو الممكن أن النيوترينو المفقودين تحولت إلى أنواع أخرى. (وتبين أن النيوترونات تتأرجح داخل الشمس، وليس على الطريق إلى الأرض).

التجربة الكندية

وكانت الطريقة الوحيدة لاختبار هذا إلى إنشاء جهاز للكشف عن أنه يعمل لجميع أنواع ثلاثة من النيوترونات. ابتداء من 90S آرثر ماكدونالد من جامعة كوينز في أونتاريو، قاد الفريق، والتي تنفذ في منجم في سودبيري، أونتاريو. تركيب يحتوي على طن من الماء الثقيل، قدمت على قرض من حكومة كندا. الماء الثقيل أمر نادر الحدوث، ولكن شكل طبيعي للمياه، حيث يتم استبدال الهيدروجين التي تحتوي على بروتون واحد من أثقل الديوتيريوم النظير، والذي يتألف من بروتون ونيوترون. خزنت الحكومة الكندية الماء الثقيل، م. يستخدم K. وكمبرد في مفاعل نووي. جميع الأنواع الثلاثة من النيوترونات يمكن أن تدمر الديوتيريوم لتشكيل البروتونات والنيوترونات، والنيوترونات وثم فرزها. مسجل كشف عن ثلاثة أضعاف العدد مقارنة مع ديفيس - بالضبط المبلغ الذي الأفضل توقع النماذج أحد وهذا يشير إلى أنه ينبغي للإلكترون نيوترينو يمكن أن تتذبذب في أنواع الأخرى.

التجربة اليابانية

وفي الوقت نفسه، أجرى Takaaki Kadzita من جامعة طوكيو تجربة رائعة أخرى. وكشف تقام في رمح في اليابان تسجل النيوترونات القادمة وليس من الداخل من الشمس، ومن الغلاف الجوي العلوي. في اصطدام البروتون الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي تتشكل الاستحمام من الجزيئات الأخرى، بما في ذلك النيوترونات الميون. في المنجم يتم تحويلها إلى نواة الهيدروجين في ميونات. كشف Kadzity يمكن أن نرى الجسيمات القادمة من اتجاهين. سقط من فوق، قادمة من الغلاف الجوي، في حين أن آخرين تتحرك من الأسفل. وكان عدد من جسيمات مختلفة، التي تحدثت عن طبيعتها المختلفة - كانت في نقاط مختلفة في دورة متذبذبة لها.

ثورة في العلوم

انها كل التذبذبات غريبة ومثيرة للدهشة، ولكن لماذا النيوترينو وكتلة جذب الكثير من الاهتمام؟ والسبب بسيط. في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية، التي وضعت على مدى السنوات الخمسين الأخيرة من القرن العشرين، والذي يصف جميع الملاحظات الأخرى في المعجلات وتجارب أخرى بشكل صحيح، كانت النيوترونات لتكون عديمة الكتلة. اكتشاف كتلة النيوترينو يشير إلى أن هناك شيء مفقود. النموذج القياسي ليست كاملة. عناصر لم تكتشف بعد في عداد المفقودين - مع مساعدة من مصادم هادرون الكبير أو ذاك، لم يخلق بعد الجهاز الظاهري.