Transformasi bersama pelbagai jenis neutrino 08.10.2015

Interaksi neutrino yang sangat lemah dengan jirim diketahui umum. Mereka boleh melalui Bumi atau Matahari tanpa mengganggu satu atom pun. Selain itu, mereka boleh melalui berbilion bintang dengan cara ini. Di satu pihak, ini menyukarkan untuk mendaftar dan mengukur ciri-ciri mereka, dan sebaliknya, ia menjadikan mereka sumber maklumat terpenting tentang evolusi Alam Semesta dan proses yang berlaku di dalam bintang. Para saintis juga percaya bahawa neutrino boleh memainkan peranan penting dalam menjelaskan asimetri jirim dan antijirim di Alam Semesta, yang terdiri daripada fakta bahawa selepas Big Bang tidak ada pemusnahan bersama yang lengkap bagi jirim dan antijirim, dan sebahagian daripada jirim itu masih bertahan. dan membentuk Alam Semesta kita.

Salah satu masalah dengan neutrino ialah masalah jisim mereka. Untuk masa yang lama diandaikan bahawa neutrino tidak mempunyai jisim. Ini adalah cara mereka dipertimbangkan dalam versi asal Model Standard. Penyelesaian soalan ini penting bukan sahaja untuk memahami fizik zarah asas. Neutrino dihasilkan oleh tindak balas nuklear yang berlaku di Alam Semesta, dan selepas foton ia adalah zarah yang paling biasa di dalamnya. Bilangan mereka sangat besar. Lebih daripada 60 bilion neutrino melalui satu sentimeter persegi setiap saat. Jadi walaupun dengan jisim sendiri yang sangat kecil, jumlah jisim semua neutrino boleh menjadi sangat besar dan boleh menjejaskan evolusi Alam Semesta. Menurut anggaran moden, jisim semua neutrino adalah lebih kurang sama dengan jisim semua bintang yang kelihatan di Alam Semesta.

Masalah lain timbul dalam menentukan bilangan neutrino elektron yang datang ke Bumi dari Matahari. Sejak tahun 1970-an, eksperimen telah mencatatkan hanya satu pertiga daripada bilangan yang diramalkan oleh teori. Ini dipanggil defisit dalam bilangan neutrino elektron. Untuk menjelaskan fenomena itu, dua dozen andaian telah dikemukakan, yang mana hipotesis yang dipanggil ayunan neutrino (ayunan) menang. Ia mengandaikan bahawa neutrino elektron dalam perjalanan dari Matahari bertukar menjadi jenis neutrino lain yang tidak direkodkan dalam eksperimen. Menariknya, idea ayunan zarah asas telah dinyatakan oleh ahli akademik Soviet Bruno Pontecorvo pada tahun 1957. Ayunan neutrino telah dibincangkan dengan serius pada separuh kedua tahun 1990-an.

Pada masa ini, tiga jenis neutrino diketahui, setiap satunya selalu dilahirkan bersama-sama dengan lepton yang sepadan - elektron, muon atau tau lepton, dari mana mereka mendapat nama mereka. Selaras dengan hipotesis ayunan neutrino, proses transformasi neutrino kepada satu sama lain berlaku secara berkala dalam masa dan ruang. Jadi, dalam rasuk, pada mulanya hanya terdiri daripada neutrino elektron, semasa ia merambat, campuran muon dan tau neutrino muncul dengan penurunan serentak dalam pecahan elektron.

Anehnya, penyelesaian kepada masalah ini ternyata berkaitan dengan masalah jisim neutrino. Hakikatnya ialah ayunan neutrino hanya mungkin jika ia mempunyai jisim.

Sebab untuk ini, mengikut konsep moden, adalah bahawa neutrino elektron, muon dan tau adalah campuran kuantum tiga keadaan dengan jisim yang berbeza, setiap satunya masuk dengan bahagiannya. Kita boleh mengatakan bahawa neutrino elektron, muon dan tau terdiri daripada tiga gelombang, setiap satunya berayun dengan frekuensi dan amplitudnya sendiri. Oleh itu, jika pada saat awal jumlah gelombang ini kelihatan seperti neutrino elektron, maka selepas beberapa ketika gelombang ini akan bertambah sedemikian rupa sehingga campuran muon dan tau neutrino muncul, yang diukur oleh penguji sebagai defisit dalam bilangan neutrino elektron.

Jadi ahli fizik telah lama percaya bahawa neutrino mempunyai jisim, walaupun ia belum diukur secara langsung. Pengubahsuaian sedikit formula Model Standard yang sepadan telah dibuat, yang tidak melanggar intipatinya. Tetapi bukti eksperimen ini diperolehi pada permulaan abad ke-2015 dan ke-XNUMX. Pemenang Hadiah Nobel XNUMX, Takaaki Kajita Jepun dan Arthur McDonald dari Kanada adalah tokoh utama dalam dua kumpulan penyelidikan utama yang menyiasat ayunan neutrino.

Pada tahun 1998, hasil saintis Jepun mengenai ayunan neutrino atmosfera, yang timbul daripada interaksi sinar kosmik dengan nukleus atom gas atmosfera, yang diperolehi dalam eksperimen Super-Kamiokande, telah diterbitkan. Apabila neutrino berlanggar dengan molekul air dalam tangki pengesan, zarah bercas elektrik yang cepat dilahirkan. Ia menjana sinaran Cherenkov, yang diukur oleh sensor cahaya. Bentuk dan keamatannya mendedahkan jenis neutrino dan dari mana ia berasal. Neutrino muon yang datang dari atas adalah lebih banyak daripada yang menempuh laluan yang lebih panjang di seluruh dunia. Ini menunjukkan bahawa neutrino muon dalam kes kedua bertukar menjadi jenis neutrino lain.

Pada tahun 2001, ayunan neutrino suria telah dibuktikan di Balai Cerap Neutrino Sudbury (SNO - Balai Cerap Neutrino Sudbury). Di sana, tindak balas antara neutrino dan air berat dalam tangki pengesan memungkinkan untuk mengukur bilangan kedua-dua neutrino elektron dan ketiga-tiga jenis neutrino bersama-sama. Bilangan neutrino elektron didapati kurang daripada jangkaan, manakala jumlah keseluruhan ketiga-tiga jenis neutrino bersama-sama adalah selaras dengan jangkaan. Dari sini ia diikuti bahawa beberapa neutrino elektron bertukar menjadi jenis neutrino lain.