Продолжаю интересоваться сложными вопросами, и теперь попробую разобраться с нейтрино. Как и любая элементарная частица, нейтрино обладает очень необычными свойствами, и именно из-за них его трудно уловить. На данный момент прямых измерений массы нейтрино нет, есть только косвенные измерения. Попытки исследовать нейтрино продолжаются.
Ну а пока перескажу всё, что на данный момент известно о нейтрино.
Нейтрино — единственные фундаментальные частицы, массу которых мы до сих пор не знаем. Как известно, нейтрино очень и очень малы. Но они превосходят по численности другие фундаментальные частицы в 10 миллиардов раз.
Предполагается, что такое обилие нейтрино очень сильно повлияло на формирование структур в ранней Вселенной, поэтому знание их массы имеет решающее значение для устранения пробелов в нашем понимании космоса.
Измерять прямо или косвенно, вот в чем вопрос
Если бы вас попросили что-то взвесить, например, вашу собаку, как бы вы это сделали?
Вы можете посадить собаку в свою машину, понаблюдать за сжатием, измерить, на сколько сантиметров сместится автомобиль, а затем преобразовать это в измерение массы собаки. Вам нужно знать вес автомобиля, технические характеристики амортизаторов, количество воздуха в шинах и кое-что о жесткости пружины. Это косвенный (и трудный) путь.
В качестве альтернативы вы можете просто положить собаку на весы.
Решение о том, какой подход использовать, прямой или косвенный, зависит от того, какие ресурсы у вас есть. Если у вас нет напольных весов, косвенное измерение с помощью автомобиля гипотетически может быть лучшим вариантом.
Когда дело дошло до нейтрино, ученые столкнулись с похожей ситуацией.
В 1987 году астрофизики, интересующиеся массой нейтрино, получили помощь от редкой соседней сверхновой. Спектральные данные, собранные ими во время взрыва звезды, помогли им провести косвенное измерение, которое дало им верхний предел массы нейтрино. Как и в примере с автомобилем, они использовали математические модели, известные величины и взаимодействия между многими частями системы для выполнения расчетов.
Космологи также провели косвенные измерения, ища отпечаток массы нейтрино в слабом излучении в космосе, называемый космическим микроволновым фоном.
Таким образом, в то время как космологи и астрофизики смотрят в небо, экспериментаторы пробуют прямой подход к поиску массы нейтрино. Это сложно — призрачные частицы не взаимодействуют с электромагнитными полями или сильным ядерным взаимодействием, и они настолько легкие, что гравитация их едва притягивает. Экспериментаторам приходится проявлять изобретательность.
Создание весов для нейтрино
Я всё время пишу нейтрино но это неверно: на данный момент существует три разновидности нейтрино - электронный, мюонный и тау. Также предполагается наличие у них античастиц. И есть надежда, что они превращаются друг в друга.
Но как же обстоят дела с измерениями и как построить весы?
Если у вас есть изворотливая собака, которая не садится на весы, вы можете взвеситься в одиночку, а затем вместе со своим питомцем. Отняв свой вес от второго результата, вы получите вес собаки. Исследователи нейтрино используют ту же идею, внедряя процессы, которые производят нейтрино. Но тут включается принцип неопределённости вычисления. Чем больше ваш вес тем менее точными будут результаты вычислений. Поэтому требуется сопоставимая по массе к нейтрино частица.
Можно попытаться измерить в процессе, называемом бета-распадом. Нейтрон в нестабильном ядре превращается в протон для восстановления баланса. Когда нейтрон становится протоном, он испускает отрицательно заряженный электрон и нейтрино.
Другой процесс, который производит нейтрино — это захват электрона: протон в нестабильном ядре захватывает электрон из внутренней оболочки, превращается в нейтрон и выбрасывает нейтрино.
В обоих случаях события производят очень конкретное количество энергии — вы можете посмотреть его в таблице. Это точное количество энергии представляет собой разницу между массой родительского атома и массой дочернего атома. И эта энергия делится между продуктами: нейтрино и электрон при бета-распаде или нейтрино и возбужденный дочерний атом при захвате электрона.
Экспериментаторы измеряют энергии, следовательно, они могут определить энергию, поглощаемую нейтрино. Затем они используют в своих интересах старое доброе уравнение E = mc2 и преобразуют энергию нейтрино в массу. Но увы, из-за сложности вычислений и замеров, это способ пока не даёт достоверных данных.
Более интересен эксперимент, который был закончен в 1998 году. Супер-Камиоканде в Японии, он объявил о нахождении доказательств того, что мюонные нейтрино, произведенные в атмосфере Земли, меняют свой тип предположительно в тау-нейтрино.
Эксперимент фиксировал нейтрино, которое прошло длинное расстояние через Землю. Поскольку поток нейтрино почти одинаков в разных местах на Земле, что позволило провести измерения «до» и «после».
В 2001 и 2002 году нейтринная обсерватория Садбери в Канаде предоставила убедительные доказательства того, что электронные нейтрино, производимые в ядре Солнца, также меняются. На этот раз доказательство проявилось в том, что электронные нейтрино исчезли, а затем появились в других типах, предположительно в виде смеси мюонных и тау-нейтрино.
Неудобные места в стандартной модели
Почему исследование массы нейтрино так привлекает ученых? Потому что решение проблемы может помочь улучшить понимание Вселенной.
На данный момент стандартная модель физики элементарных частиц — даёт лучшее объяснение фундаментальных взаимодействий и частиц, составляющих все сущее, — предсказывает, что нейтрино не должно иметь массы. Но эксперименты с колебаниями показали, что они имеют массу.
Увы, нейтрино — единственные материальные частицы, для которых стандартная модель сделала предсказание относительно их массы. И этот прогноз оказался неверным. У нас есть примеры явлений, которых нет в стандартной модели. В стандартной модели нет гравитации. Масса кварков непредсказана.
Верхний предел массы нейтрино, косвенно определяемый космологией, составляет примерно одну миллионную массы следующей самой легкой частицы, электрона. Это как разрыв между одной мышью, которая весит примерно 25 граммов, и пятью слонами, которые вместе весят примерно 25 000 килограммов. Это огромный разрыв.
Пустое место в стандартной модели
Пофантазируем, что если бы исследователи получили результат для массы нейтрино, то всё равно работа не была бы выполнена. Это помогло бы исключить некоторые теории и модели, но остались бы вопросы.
Учёные не могут сразу после измерения выбирать правильную модель. У каждого учёного есть своё предсказание определенной массы нейтрино, и если у кого-то совпадёт теория после ее измерения, то это приведёт к целому ряду более широких вопросов. Такова наука, даже результаты точных измерений будут долго перепроверяться.
Если углубляться в теорию, то для учёных не так интересно узнать массу нейтрино. Куда более захватывающим будет, если будет выяснено, что массы у нейтрино нет, это означало бы, что происходит что-то новое.
Новые подходы
Что же на данный момент предпринимается для исследования массы нейтрино?
- Эксперименты следующего поколения. В настоящее время планируются или будут проводиться несколько экспериментов следующего поколения, целью которых является измерение массы нейтрино с беспрецедентной точностью. К ним относятся эксперимент KATRIN, в котором будет использоваться спектрометр высокого разрешения, для измерения энергетического спектра бета-распада трития, и эксперимент DUNE, в котором будет использоваться большой подземный детектор для изучения нейтринных осцилляций. Подробнее будет исследоваться конечная точка энергетического распределения электронов, испускаемых при бета-распаде трития. Масса нейтрино влияет на форму энергетического спектра вблизи конечной точки, поэтому, измеряя этот спектр, ученые могут сделать вывод о массе нейтрино.
- Космологические наблюдения. Космологические наблюдения, такие как космическое микроволновое фоновое излучение и крупномасштабная структура Вселенной, могут предоставить информацию о сумме масс всех трех атоматов нейтрино. Эти наблюдения также могут дать представление об иерархии масс нейтрино.
- Эксперименты с безнейтринным двойным бета-распадом: в этих экспериментах ученые ищут редкий процесс ядерного распада, называемый безнейтринным двойным бета-распадом. Этот процесс может происходить только в том случае, если нейтрино являются майорановскими частицами (что означает, что они являются своими собственными античастицами), а скорость распада чувствительна к абсолютной шкале масс нейтрино.
- Эксперименты с нейтринными осцилляциями: эксперименты с нейтринными осцилляциями, например, проводимые коллаборациями Super-Kamiokande и IceCube, могут косвенно делать выводы о различиях в квадрате массы между различными собственными состояниями массы нейтрино. Комбинируя эти измерения с информацией из других экспериментов, ученые могут определить абсолютные массы нейтрино.
Эти различные подходы всего лишь предоставляют дополнительную информацию о массе нейтрино, но дальнейшие усилия в этих областях важны для улучшения нашего понимания фундаментальных свойств нейтрино и природы Вселенной.
Мне было интересно разбираться с нейтрино. Конечно, применять его в электронике будут нескоро, но общий кругозор увеличился.
Подписывайтесь на мой канал, будет много интересного.