Mis on neutriinod?

Neutrinos, me otsime teid! Jaapani Super-Kamiokande detektor. Kamioka observatoorium, ICRR (kosmiliste kiirte uurimise instituut), Tokyo ülikool

Neutrinos, me otsime teid! Jaapani Super-Kamiokande detektor.Kamioka observatoorium, ICRR (kosmiliste kiirte uurimise instituut), Tokyo ülikool


KõrvalJohn Beacom,Ohio osariigi ülikool

Neutriinod võtavad kannatust. Nad on seda väärt ja teadaanne2015 Nobeli füüsikaauhindtunnistab, et pärast seotud auhindu aastal1988,üheksateist üheksakümmend viisja2002. Iroonilisel kombel võivad need peaaegu tuvastamatud osakesed paljastada asju, mida ei saa muul viisil näha.


Alustuseks võiksin öelda, et neutriinod on elementaarosakesed, kuid see kõlab alandavalt. Neid ei nimetata elementaarseteks sellepärast, et neid on lihtne mõista-need pole nii-, vaid seetõttu, et need on pealtnäha punktitaolised ja me ei saa neid väiksemateks koostisosadeks jagada. Pole olemas sellist asja nagu pool neutriino.

Väikseimad asjad universumis

Hoolimata kreeka nimest ('ei saa lõigata') pole aatomid elementaarsed osakesed, mis tähendab, et neid saab lahti võtta. Aatom on hajuv elektronide pilv, mis ümbritseb väikest, tihedat prootonitest ja neutronitest koosnevat tuuma, mida saab lõhkuda üles -alla kvarkideks.

Osakeste põrkurid, mis kiirendavad osakesi valguse kiiruse lähedusse ja purustavad need kokku, aitavad meil avastada uusi elementaarosakesi. Esiteks E = mc tõttu2, kokkupõrke energia saab muuta osakeste massiks. Teiseks, mida suurem on kiirendi valgusvihk, seda peenemalt suudame lahendada komposiitstruktuure, nii nagu näeme röntgenkiirtega väiksemaid asju kui nähtava valgusega.




Me pole suutnud elektrone ega kvarke lahti võtta. Need on elementaarsed osakesed, mis moodustavad tavalise aine põhikomponendid: universumi legoklotsid. Huvitav on see, et tuttavaid osakesi leidub palju raskeid nõbusid, kes eksisteerivad vaid sekundi murdosa ja seega ei kuulu tavalise mateeria hulka. Näiteks elektronide jaoks on need müon ja tauon.

Elementaarosakesed, millest neutriinod on ühte liiki. Pildikrediit: MissMJ

Elementaarosakesed, millest neutriinod on ühte liiki. Pildikrediit:MissMJ

Mis on neutriino?

Mille poolest erineb see elementaarosake - neutriino - kõigist teistest elementaarosakestest? See on ainulaadne selle poolest, et see on nii peaaegu massitu kui ka peaaegu interaktiivne. Need omadused on erinevad, kuigi sageli omavahel segunenud (ärge võtke luuletajalt nõu neutriinode kohta, isegi kui see nii on)John Updike).


On mõistatus, miks neutriinod on peaaegu, kuid mitte päris massivabad. Me teame küll, miks nad peaaegu omavahel ei suhtle: nad ei tunne tuumasid ja aatomeid siduvaid elektromagnetilisi ega tugevaid jõude, vaid tabavalt nimetatudnõrk jõud(ja gravitatsioon, kuid vaevalt, sest nende massid on väikesed).

Kuigi neutriinod ei ole tavalise aine koostisosad, leidub neid kõikjal meie ümber - triljon päikest läbib teie silmi iga sekund. Igast kuupsentimeetrist jääb Suurest Paugust sadu. Kuna nad suhtlevad nii harva, on neid peaaegu võimatu jälgida ja te ei tunne neid kindlasti.

Neutriinodel on muid veidraid külgi. Neid on kolme tüüpi, mida nimetatakse maitseteks - elektron-, müon- ja tauonneutriinod, mis vastavad kolmele laetud osakesele, millega nad paaruvad - ja kõik need tunduvad olevat stabiilsed, erinevalt elektroni rasketest sugulastest.

Kuna neutriinode kolm maitset on peaaegu identsed, on teoreetiline võimalus, et need võivad teineteiseks muutuda, mis on nende osakeste teine ​​ebatavaline aspekt, mis võib paljastada uue füüsika. See ümberkujundamine nõuab kolme asja: et neutriinomassid oleksid nullist erinevad, eri tüüpide puhul erinevad ja et kindla maitsega neutriinod on kindla massiga neutriinode kvantkombinatsioonid (seda nimetatakse „neutriinosegamiseks”).


Aastakümneid eeldati üldiselt, et ükski neist tingimustest ei ole täidetud. Mitte aga neutriino -füüsikute poolt - me lootsime.

Nähtamatute osakestega astronoomia tegemine

Lõpuks andis loodus ja eksperimentaalid avastasid, toetades seda teoreetikute arvutustega. Kõigepealt tuli aastakümnete pikkune otsimine paljude katsete abil ja olulised näpunäited tagaajamiseks.

Siis, sisse1998,Super-Kamiokande eksperimentJaapanis teatasid tugevad tõendid selle kohta, et Maa atmosfääris toodetud müonneutriinod muutuvad teist tüüpi (nüüd arvatakse, et need on tauonneutriinod). Tõestuseks oli see, et see juhtus neutriinode puhul, mis tulid altpoolt, olles läbinud pika vahemaa läbi Maa, kuid mitte nende puhul, kes tulid ülevalt, olles läbinud vaid lühikese vahemaa läbi atmosfääri. Kuna neutriino voog on Maa erinevates kohtades (peaaegu) sama, võimaldas see mõõtmist „enne” ja „pärast”.

Vaade Sudbury Neutrino vaatluskeskuse akrüülnõu ja PMT massiivi alt. pildikrediit: Ernest Orlando Lawrence Berkeley riiklik labor

Vaade Sudbury Neutrino vaatluskeskuse akrüülnõu ja PMT massiivi alt. pildikrediit:Ernest Orlando Lawrence Berkeley riiklik labor

Sisse2001ja2002,Sudbury Neutrino observatooriumKanadas teatasid tugevad tõendid selle kohta, et päikese tuumas toodetud elektronneutriinod muudavad ka maitseid. Seekord oli tõestuseks, et elektronmaitselised neutriinod, mis kadusid, ilmusid uuesti teist tüüpi (nüüd arvatakse, et need on müoni ja tauoni neutriinode segu).

Kõik need katsed nägid umbes poole vähem neutriinosid, kui teoreetilistest ennustustest oodati. Ja ehk sobival kombel said Takaaki Kajita ja Arthur McDonald kumbki pool Nobeli preemiat.

Mõlemal juhul täheldati maapealseid ja astronoomilisi kaugusskaalasid kvantmehaanilisi mõjusid, mis toimivad tavaliselt ainult mikroskoopilistel vahemaadel.

The New York Timesi esilehenaütles1998. aastal “Mass leitud in Elusive Particle; Universum ei pruugi kunagi olla sama. ” Need selged märgid neutrino maitse muutumisest, kuna need on laborikatsetes üksikasjalikult kinnitatud ja mõõdetud, näitavad, et neutriinodel on mass ja need massid on erinevat tüüpi neutriinode puhul erinevad. Huvitav on see, et me ei tea veel, millised on masside väärtused, kuigi muud katsed näitavad, et need peavad olema umbes miljon korda väiksemad kui elektronide mass ja võib -olla ka väiksemad.

See on pealkiri. Ülejäänud lugu seisneb selles, et erinevate neutriinomaitsete segunemine on tegelikult üsna suur. Võib arvata, et see on halb uudis, kui ennustused ebaõnnestuvad - näiteks, et me ei saaks kunagi jälgida neutriino maitse muutumist -, kuid selline ebaõnnestumine on hea, sest õpime midagi uut.

Rahvusvaheline neutriinoküttide selts

Kanada kuningannade ülikooli emeriitprofessor Arthur B. McDonald räägib ajakirjanikele Kingstoni ülikoolis Ontarios, 6. oktoobril 2015. McDonald ja Jaapani Takaaki Kajita olid 2015. aasta Nobeli preemia kaasvõitjad Füüsika nende avastuse eest, et neutriinodel, mis on märgistatud looduse kõige raskemini tabatavate osakestega, on mass, teatas auhindade jagaja teisipäeval. REUTERS/Lars Hagberg - RTS3AOV

Kanada kuninganna ülikooli emeriitprofessor Arthur B. McDonald räägib ajakirjanikele Kingstoni ülikoolis Ontarios, 6. oktoobril 2015. McDonald ja jaapanlane Takaaki Kajita olid 2015. aasta Nobeli füüsikapreemia kaasvõitjad avastuse eest, et neutriinod , mis on märgistatud looduse kõige tabamatumateks osakesteks, omavad massi, teatas autasustav organ teisipäeval. REUTERS/Lars Hagberg - RTS3AOV

Takaaki Kajita pressikonverentsil pärast teadet, et ta võitis Nobeli füüsikaauhinna. Foto krediit: Kato/Reuters

Takaaki Kajita pressikonverentsil pärast teadet, et ta võitis Nobeli füüsikaauhinna. Foto krediit: Kato/Reuters

Mul on hea meel näha seda tunnustust oma sõpradele Taka ja Art. Soovin, et mitmed võtmeisikud, nii eksperimentaal- kui ka teoreetikud, kes oleksid olulisel määral kaasa aidanud, oleksid sarnaselt tunnustatud. Nende katsete koostamiseks ja teostamiseks kulus palju aastaid, mis ise tuginesid aeglasele, raskele ja suuresti tasuvale tööle aastakümneid tagasi, nõudes sadade inimeste pingutusi. See hõlmab USA suurt osalemist nii Super-Kamiokande kui ka Sudbury Neutrino observatooriumis. Niisiis, palju õnne neutriinodele, Takale ja Artile ning paljudele teistele, kes selle võimalikuks tegid!

Kui ma esimest korda neutriinodega tegelema hakkasin, siis üle 20 aasta tagasi ütlesid paljud inimesed, sealhulgas silmapaistvad teadlased, et ma raiskan oma aega. Hiljem kutsusid teised mind üles töötama millegi muuga, sest 'neutriinodega töötanud inimesed ei saa tööd'. Ja isegi praegu arvavad paljud füüsikud ja astronoomid, et me jälitame midagi peaaegu kujuteldavat.

Aga me ei ole. Neutriinod on tõelised. Need on füüsika oluline osa, valgustades massi päritoluosakeste-osakeste vastane asümmeetriauniversumi ja võib -olla uute jõudude olemasolu, mis on teiste osakestega katsetamiseks liiga nõrgad. Ja need on astronoomia oluline osa, paljastades universumi kõrgeima energiaga kiirendid, kõige tihedamate tähtede sees ja võib-olla uued ja muidu nähtamatud astrofüüsikalised objektid.

Autor kirjeldab, kuidas universumi kohta teada saanud faktid kujundavad meie tähendustunnet.

Pisikesed osakesed, suured saladused

Miks peaksite sellest hoolimata jagama meie uudishimu universumi kõige veidramate asjade paljastamise vastu?

Nõrk jõud, mida neutriinod tunnevad, muudab prootonid neutroniteks, aktiveerides tuumasünteesi reaktsioone päikeses ja teistes tähtedes ning luues elemente, mis muudavad planeedid ja elu ise võimalikuks.

Neutriinod on ainus tumeaine komponent, millest me aru saame, ja ülejäänud väljamõtlemine aitab meil mõista universumi struktuuri ja arengut. Kui neutriino massid oleksid olnud palju suuremad, näeks universum palju teistsugune välja ja võib -olla poleks me siin seda nägema.

Lõpuks, kui olete puhtalt praktiline, on neutriinofüüsika ja astrofüüsika üks raskemaid töid, mis nõuab meilt uskumatult tundlike detektorite ja tehnikate leiutamist. Sellel teadmisel on muid otstarbeid; näiteks saaksime neutriinodetektori abil teada, kas väidetav tuumareaktor on sisse lülitatud, milline on selle võimsus ja isegi kui see toodab plutooniumi. Sellel võib olla reaalseid rakendusi.

Viimased aastakümned neutriinofüüsikas ja astronoomias on olnud suurepärased, kuid mõned põnevamad asjad alles hakkavad juhtuma. TheIceCube Neutrino vaatluskeskusLõunapoolusel näeb nüüd kõrge energiaga neutriino väljaspool meie galaktikat. Super-Kamiokande on teatanud plaanist, mis põhineb aettepanekutminult ja Mark Vaginsilt, et parandada nende tundlikkust antineutriinode suhtes võrreldes neutriinodega. Ja rahvusvaheline üldsus loodab ehitada suure uue neutriinorajatise, milles Illinoisi Fermilabist saadetakse Lõuna -Dakota Homestake kaevanduses sügavale maa alla detektorile võimas neutriinokiir. Kes teab, mida me leiame?

Ja seda ma tõesti ootasin.

Vestlus

John Beacom, Füüsikaprofessor, astronoomiaprofessor ning kosmoloogia ja astroosakeste füüsika keskuse (CCAPP) direktor,Ohio osariigi ülikool

See artikkel avaldati algseltVestlus. Loeoriginaal artikkel.