Нейтрино

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
нейтрино
склад: елементарна частинка
родина: ферміон
група: Лептон
покоління: три покоління: електронне, мюонне, таонне
взаємодії: слабка, гравітаційна
частинка: нейтрино
античастинка: антинейтрино
передбачена: 1930, Вольфганг Паулі
Відкрита: 1956, Клайд Кован, Фредерік Рейнз, Ф.Б. Гаррісон, Г.В. Крузе та А.Д. Макґваєр
символ: ν
Число типів: 3
Маса: дискутується
Електричний заряд: 0
спін: 1/2

Нейтри́но — стабільні нейтральні лептони з напівцілим спіном, що беруть участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодіях. Надзвичайно слабо взаємодіють з речовиною: нейтрино з енергією 1 МеВ мають в свинці довжину вільного пробігу ~ 1020 см (~ 100 світлових років).

Нейтрино - стабільна електрично нейтральна елементарна частинка, маса якої близька до нуля. Вона належить до групи лептонів. Швидкість руху нейтрино близька до швидкості світла. Розрізняють нейтрино електронне, мюонне і τ-лептонне нейтрино. Нейтрино і відповідні їм антинейтрино беруть участь тільки у слабких та гравітаційних взаємодіях. Вони відіграють велику роль у перетвореннях елементарних частинок, у глобальних космогонічних процесах.

Властивості нейтрино[ред.ред. код]

Кожному зарядженому лептону відповідає своя пара нейтрино/антинейтрино:

Маса нейтрино вкрай мала у порівнянні із іншими елементарними частинками. Останні експериментальні оцінки (на травень 2012 р.), отримані в ході роботи австралійської колаборації WiggleZ на Англо-австралійському телескопі засвідчують, що верхня межа маси для усіх ароматів нейтрино становить всього 0,29 еВ [1].

Маса нейтрино важлива для пояснення феномену прихованої маси в космології, оскільки, незважаючи на її мале значення, концентрація нейтрино у Всесвіті достатньо висока, щоб істотно вплинути на середню густину речовини.

Якщо нейтрино мають ненульову масу, то різні види нейтрино можуть перетворюватися один в одного. Це так звані осциляції нейтрино, на користь яких свідчать спостереження сонячних нейтрино, кутової анізотропії атмосферних нейтрино, а також проведені на початку цього століття експерименти з реакторними (див. KamLAND) і прискорювальними нейтрино. Крім того, існування осциляцій нейтрино, ймовірно, напряму підтверджено експериментами в Садбері. Підтвердження осциляцій нейтрино вимагатиме внесення змін в Стандартну Модель.

Спіральність[ред.ред. код]

Нейтрино має спін 1/2. Проте експериментально детектуються тільки нейтрино з певною спіральністю, тобто тільки нейтрино з однією проекцією спіну на напрямок руху, який задається імпульсом. Нейтрино мають ліву спіральність, антинейтрино - праву спіральність. Ліва спіральність нейтрино означає те, що його спін направлений протилежно до імпульсу.

Історія відкриття[ред.ред. код]

Пропозиція Паулі[ред.ред. код]

Однією з основних проблем в ядерній фізиці 20-30-их років XX століття була проблема бета-розпаду: спектр електронів, що утворюються при β-розпаді, виміряний англійським фізиком Джеймсом Чедвіком ще 1914 року має неперервний характер, тобто, з ядра вилітають електрони із найрізноманітнішими енергіями.

Розвиток квантової механіки в 20-их роках призвів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення висловила австрійський фізик Ліза Мейтнер у 1922. Виходячи з цих міркувань, спектр частинок, що вилітають при розпаді ядра повинен бути дискретним, і показувати енергії, рівні різницям енергій рівнів, між якими при розпаді відбувається перехід. Таким, наприклад, є спектр альфа-частинок при альфа-розпаді.

Отже, неперервність спектру електронів β-розпаду ставила під сумнів закон збереження енергії. Питання стояло настільки гостро, що 1931 року знаменитий датський фізик Нільс Бор на Римській конференції виступив з ідеєю про незбереження енергії. Проте було й інше пояснення — втрачену енергію відносить якась невідома і непомітна частинка.

Гіпотезу про існування частинки, яка надзвичайно слабо взаємодіє з речовиною, висунув 4 грудня 1930 Паулі — не в статті, а в неформальному листі учасникам фізичної конференції в Тюбінгені:

...маючи на увазі ... неперервний β-спектр, я зробив відчайдушну спробу врятувати «обмінну статистику» і закон збереження енергії. А саме, є можливість того, що в ядрах існують електрично нейтральні частинки, які я називатиму «нейтронами» і які мають спін 1/2. Маса «нейтрона» за порядком величини повинна бути порівнянною з масою електрона і в усякому разі не більше від 0,01 маси протона. Неперервний β-спектр тоді став би зрозумілим, якщо припустити, що при β-розпаді разом з електроном вилітає ще й «нейтрон» таким чином, що сума енергій «нейтрона» і електрона залишається сталою.
Я визнаю, що такий вихід може здатися на перший погляд маловірогідним. Проте не ризикнувши, не виграєш; серйозність положення з неперервним β-спектром добре проілюстрував мій поважний попередник пан Дебай, який недавно заявив мені в Брюселі: «Про ... це краще не думати зовсім, як про нові податки».
(«Відкритий лист групі радіоактивних, що зібралися в Тюбінгені», цит. за М. П. Рекало, Нейтрино.)

Згодом нейтроном була названа, як виявилося, інша елементарна частинка.

На Сольвеївському конгресі 1933 року в Брюселі Паулі виступив з рефератом про механізм β-розпаду з участю легкої нейтральної частинки зі спіном 1/2, в якому, з посиланням на пропозицію Фермі, назвав гіпотетичну частинку «нейтрино». Цей виступ був фактично першою офіційною публікацією, присвяченою нейтрино.

Експериментальне спостереження[ред.ред. код]

Нейтрино вперше спостерігала 1956 року група Клайда Кована та Фредеріка Райнеса[2][3] за механізмом, який 1942 року запропонував Ван Ганьчан[4]. За це відкриття Фредерік Райнес отримав Нобелівську премію з фізики за 1995 рік. Спостерігалися антинейтрино, народжені в ядерному реакторі. Вони взаємодіють з протонами за реакцією:

νe + p+n0 + e+.

Надалі утворений позитрон швидко анігілює з електроном, і утворюються два гамма-кванти. Отже, експериментально потрібно зафіксувати подію, коли одночасно детектується нейтрон та два гамма-кванти.

Леон Ледерман, Мелвін Шварц та Джек Стейнбергер 1962 року вперше спостерігали мюонне нейтрино, за що 1988 року отримали Нобелівську премію. Про існування тау-нейтрино було повідомлено 2000 року проектом DONUT у Фермілабі.

Реймонд Девіс та Масатосі Косіба отримали Нобелівську премію 2002 року за спостереження нейтрино від супернових, що заклало початок нейтринної астрономії.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Установлено строгое астрофизическое ограничение на массы нейтрино
  2. C.L Cowan Jr., F. Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse, A.D McGuire Detection of the Free Neutrino: a Confirmation // Science. — 124 (1956) (3212) С. 103–4. DOI:10.1126/science.124.3212.103. PMID 17796274.
  3. K. Winter (2000). Neutrino physics. Cambridge University Press. с. 38ff. ISBN 978-0-521-65003-8. 
    Джерело відтворює статтю 1956 року.
  4. K.-C. Wang A Suggestion on the Detection of the Neutrino // Physical Review. — 61 (1942) (1–2). DOI:10.1103/PhysRev.61.97.