neutrino ( ν ) | |
---|---|
Sloučenina | základní částice |
Rodina | Fermiony |
Skupina | Leptony |
Generace |
proti E proti μ proti τ |
Účastní se interakcí |
Slabé , gravitační |
Antičástice | Antineutrino |
Počet typů |
6 ( elektronové neutrino mion neutrino tau neutrino a jejich antičástice ) |
Hmotnost |
0,086 eV ( v E, v μ, v τ) [1] [2] [3] |
Život | Stabilní nebo > 7⋅10 9 s ×( m ν /1 eV) −1 |
kvantová čísla | |
Elektrický náboj | 0 |
barevný náboj | 0 |
baryonové číslo | 0 |
B−L | −1 |
Roztočit | ½ ħ |
Slabý hypernáboj | −1 |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Neutrino ( italsky neutrino - neutron , zdrobnělina od neutronu - neutron ) - obecný název neutrálních fundamentálních částic [4] s poloceločíselným spinem , účastnících se pouze slabých a gravitačních interakcí a patřících do třídy leptonů . V současné době jsou známy tři typy neutrin: elektronová, mionová a tau neutrina, jakož i jejich odpovídající antičástice.
Nízkoenergetická neutrina interagují s hmotou extrémně slabě, a proto mají enormní délku dráhy v široké škále látek. Neutrina s energií řádově 3-10 MeV mají tedy střední volnou dráhu ve vodě řádově 10 18 m (asi sto světelných let ). Téměř všechny typy hvězd jsou pro neutrina průhledné . Oblastí na Zemi o ploše 1 cm² projde každou sekundu asi 6⋅10 10 neutrin emitovaných Sluncem , ale jejich vliv na hmotu prakticky není cítit. Zároveň jsou vysokoenergetická neutrina úspěšně detekována jejich interakcí s cíli [6] .
Takaaki Kajita a Arthur MacDonald obdrželi v roce 2015 Nobelovu cenu za fyziku „za objev oscilací neutrin , které ukazují, že neutrina mají hmotnost“ [7] [8] .
Každý nabitý lepton má svůj vlastní pár neutrin/ antineutrin :
Různé typy neutrin se mohou vzájemně přeměňovat – jedná se o tzv. oscilace neutrin ; předpokládá se, že je to způsobeno tím, že neutrina mají nenulovou hmotnost [9] .
V experimentech se zrodem ultrarelativistických částic se ukázalo, že neutrina mají negativní helicitu , zatímco antineutrina mají pozitivní [10] .
Existují teoretické předpoklady, které předpovídají existenci čtvrtého typu neutrina – sterilního neutrina . Neexistuje jednoznačné experimentální potvrzení jejich existence (např. v projektech MiniBooNE , LSND ) [11] .
Není známo, zda je neutrino jeho vlastní antičásticí (viz Majorana fermion ) [12] [11] .
Není známo, zda je při oscilacích neutrin narušena CP invariance [11] .
Neutrina mají nenulovou hmotnost , ale tato hmotnost je extrémně malá. Skutečnost, že neutrino má hmotnost, přesahuje rámec standardního modelu a vede k potřebě jeho rozšíření [13] . Horní experimentální odhad pro součet hmotností všech typů neutrin je pouze 0,28 eV [14] [15] . Rozdíl ve druhé mocnině hmotností neutrin různých generací, získaný z oscilačních experimentů, nepřesahuje 2,7⋅10 −3 eV ² .
Informace o přesné hodnotě hmotnosti neutrin je důležitá pro vysvětlení fenoménu skryté hmotnosti v kosmologii , protože i přes její malost je možné, že koncentrace neutrin ve vesmíru je dostatečně vysoká, aby významně ovlivnila průměrnou hustotu.
V teorii dvousložkového neutrina je popsáno dvousložkovými vlnovými funkcemi, které jsou řešením Diracovy rovnice pro částice s nulovou hmotností. Teorii navrhli Landau [16] , Salam [17] a Lee a Yang [18] . Podle této teorie je neutrino popsáno rovnicí: . Jedná se o dvousložkovou rovnici získanou z Diracovy rovnice za podmínky, že je zachována kombinovaná parita . Zde označuje operátor hybnosti, je vektorem Pauliho matic. Vlastní hodnoty této rovnice jsou hodnoty , kde . Odpovídají vlnovým funkcím neutrina, pro které se spin shoduje s hybností a antineutrino (pro negativní energii) s hybností opačnou k rotaci. Hodnota průmětu spinu na hybnost se nazývá helicita neutrina. Pro danou hybnost může být neutrino ve dvou stavech, odpovídajících částici a antičástici. V těchto stavech jsou směry rotace vzhledem k hybnosti opačné.
Jak je však uvedeno výše, neutrina mají nenulovou klidovou hmotnost. Proto je teorie pouze první aproximací s nulovou klidovou hmotností.
Jedním z hlavních problémů jaderné fyziky ve 20. až 30. letech 20. století byl problém beta rozpadu : spektrum elektronů vzniklých během β- rozpadu, změřené anglickým fyzikem Jamesem Chadwickem již v roce 1914, je spojité , tzn. , vylétají z jádra
Na druhé straně vývoj kvantové mechaniky ve dvacátých letech 20. století vedl k pochopení diskrétnosti energetických hladin v atomovém jádru: tento předpoklad vyslovil rakouský fyzik Lise Meitner v roce 1922. To znamená, že spektrum částic emitovaných při rozpadu jádra musí být diskrétní a musí vykazovat energie rovné rozdílům energií hladin, mezi kterými při rozpadu dochází k přechodu. Takové je například energetické spektrum částic alfa při rozpadu alfa .
Kontinuita β - rozpadového elektronového spektra tedy zpochybňuje zákon zachování energie . Problém byl tak akutní, že v roce 1931 přišel slavný dánský fyzik Niels Bohr na římské konferenci s myšlenkou nešetření energie. Existovalo však i jiné vysvětlení – „ztracenou“ energii odnáší nějaká neznámá a nepostřehnutelná částice.
Hypotézu o existenci extrémně slabě interagující částice s hmotou (jako vysvětlení zjevného porušení zákona zachování energie při beta rozpadu) předložil 4. prosince 1930 Wolfgang Pauli – nikoli v článku, ale v neformálním dopise účastníkům fyzické konference v Tübingenu :
...to znamená ... spojité β -spektrum, zoufale jsem se pokusil zachránit "statistiku směny" a zákon zachování energie. Konkrétně existuje možnost, že v jádrech jsou elektricky neutrální částice, které budu nazývat "neutrony" a které mají spin ½ ... Hmotnost "neutronu" by měla být srovnatelná s hmotností elektronu a v žádném případě ne více než 0,01 hmotnostního protonu . Spojité β-spektrum by se pak vyjasnilo, pokud předpokládáme, že při β -rozpadu je spolu s elektronem emitován i „neutron“, takže součet energií „neutronu“ a elektronu zůstává konstantní. Připouštím, že takové východisko se může na první pohled zdát nepravděpodobné... Bez riskování však nevyhrajete; vážnost situace se spojitým β -spektrem dobře ilustroval můj vážený předchůdce pan Debye , který mi nedávno v Bruselu řekl: "Ach... je lepší o tom vůbec neuvažovat jako o nových daních." — „Otevřený dopis skupině radioaktivních lidí shromážděných v Tübingenu“, op. podle M. P. Rekala, "Neutrino".
Pauli pojmenoval částici, kterou navrhl, „neutron“. Když James Chadwick v roce 1932 objevil mnohem hmotnější neutrální jadernou částici, pojmenoval ji neutron. V důsledku toho se v částicové fyzice tento termín používal pro označení dvou různých částic. Enrico Fermi , který vyvinul teorii beta rozpadu, zavedl v roce 1934 termín „neutrino“, aby vyřešil zmatek. Slovo neutrino je přeloženo z italštiny jako „neutron“. [19]
Na kongresu Solvay v roce 1933 v Bruselu přednesl Pauli článek o mechanismu β - rozpadu zahrnujícího lehkou neutrální částici se spinem ½. Tento projev byl ve skutečnosti první oficiální publikací věnovanou neutrinu.
Neutrino bylo experimentálně objeveno v roce 1956 týmem vedeným Clydem Cowanem a Frederickem Reinesem . [20] [21]
Neutrino je studováno v desítkách laboratoří po celém světě (viz neúplný seznam experimentů ve fyzice neutrin ) [11] .
Jaderné reakce probíhající v jádru Slunce vedou ke vzniku velkého množství elektronových neutrin . Zároveň měření toku neutrin na Zemi , která se neustále provádějí od konce 60. let, ukázala, že počet registrovaných slunečních elektronových neutrin je přibližně dvakrát až třikrát menší, než předpovídá standardní solární model popisující procesy v Slunce. Tento rozpor mezi experimentem a teorií se nazývá „ problém slunečních neutrin “ a je jednou ze záhad sluneční fyziky již více než 30 let.
Byly navrženy dva hlavní způsoby řešení problému slunečních neutrin. Za prvé bylo možné upravit model Slunce tak, aby se snížila očekávaná termonukleární aktivita (a tím i teplota ) v jeho jádru a následně tok neutrin emitovaný Sluncem. Za druhé by se dalo předpokládat, že část elektronových neutrin emitovaných jádrem Slunce se při pohybu směrem k Zemi změní na neutrina jiných generací , která nejsou detekována konvenčními detektory (mionová a tau neutrina) [22] .
Dnes je jasné, že správný je s největší pravděpodobností druhý způsob, to znamená, že různé typy neutrin se mohou vzájemně transformovat; jedná se o tzv. oscilace neutrin , které dokládají pozorování slunečních neutrin [23] a úhlová anizotropie atmosférických neutrin , jakož i experimenty s reaktorovými (viz KamLAND ) a urychlovacími neutriny [24] provedené na počátku r. toto století .
Existenci oscilací neutrin navíc přímo potvrzují experimenty v Sudbury , ve kterých byla přímo detekována sluneční neutrina všech tří typů. a jejich celkový tok se ukázal jako konzistentní se standardním solárním modelem. V tomto případě se pouze asi třetina neutrin dopadajících na Zemi ukáže jako elektronická. Toto číslo je v souladu s teorií, která předpovídá přechod elektronových neutrin na neutrina další generace jak ve vakuu (ve skutečnosti „kmitace neutrin“), tak ve sluneční hmotě („ efekt Mikheev-Smirnov-Wolfenstein “).
Dne 22. září 2011 oznámila spolupráce OPERA registraci možného překročení rychlosti světla mionovými neutriny (o 0,00248 %). [25] [26] [27] Neutrina z urychlovače SPS ( CERN , Švýcarsko) údajně dorazila k detektoru (nachází se ve vzdálenosti 730 km v podzemní laboratoři Gran Sasso , Itálie) 61±10 nanosekund před vypočteným čas; tato hodnota byla získána po zprůměrování více než 16 tisíc neutrinových událostí v detektoru za tři roky. Fyzici požádali své kolegy, aby zkontrolovali výsledky podobných experimentů MINOS ( laboratoř Fermilab poblíž Chicaga) a T2K ( Japonsko ).
Za necelý měsíc se v předtiskovém archivu objevilo asi 90 článků , které nabízely možná vysvětlení registrovaného účinku [28] .
Dne 23. února 2012 oznámila spolupráce OPERA objev dvou dříve nezjištěných efektů, které by mohly mít dopad na proces měření doby letu neutrin. Pro kontrolu míry vlivu těchto vlivů na výsledky měření bylo rozhodnuto provést nové experimenty s neutrinovými svazky [29] [30] .
Nezávislá měření provedená v listopadu až prosinci 2011 ve stejné laboratoři ( experiment ICARUS ) neodhalila nadsvětelné rychlosti neutrin [31] .
V květnu 2012 OPERA provedla sérii kontrolních experimentů a dospěla ke konečnému závěru, že důvodem mylného předpokladu nadsvětelné rychlosti byla technická chyba (špatně zasunutý konektor optického kabelu, který vedl ke zpoždění hodin 73 nanosekund) [ 32] .
V roce 2017 byl experimentálně objeven rozptyl elastických koherentních neutrin . Pomocí tohoto efektu je možné vytvořit malé přenosné detektory neutrinového záření [33] [34] .
Výzkum geoneutrina umožňuje najít ložiska radioaktivních prvků.
Jedním ze slibných využití neutrin je neutrinová astronomie . Neutrina nesou důležité informace o raných fázích expanze vesmíru [35] . Kromě toho je známo, že hvězdy kromě světla vyzařují významný proud neutrin, které vznikají v procesu jaderných reakcí. Vzhledem k tomu, že v pozdějších fázích vývoje hvězd je až 90 % vyzařované energie odváděno díky neutrinům ( ochlazování neutrin ), studium vlastností neutrin (zejména energetického spektra slunečních neutrin) pomáhá lépe porozumět dynamika astrofyzikálních procesů. Neutrina navíc cestují na velké vzdálenosti bez absorpce, což umožňuje detekovat a studovat i vzdálenější astronomické objekty [36] .
Další (praktickou) aplikací je nedávno vyvinutá neutrinová diagnostika průmyslových jaderných reaktorů . Experimenty provedené na konci 20. století fyziky Kurčatovova institutu ukázaly příslib tohoto směru a dnes se v Rusku, Francii, Itálii a dalších zemích pracuje na vytvoření detektorů neutrin schopných měřit spektrum neutrin reaktoru v reálném čase a tím řídit jak výkon reaktoru, tak složení kompozitního paliva (včetně výroby plutonia pro zbraně ).
Teoreticky lze toky neutrin využít k vytvoření komunikačních prostředků ( neutrinová komunikace ), což přitahuje zájem armády: částice teoreticky umožňuje komunikovat s ponorkami umístěnými v hloubce nebo přenášet informace přes Zemi [37] .
Neutrina vzniklá v důsledku rozpadu radioaktivních prvků uvnitř Země [38] mohou být použita ke studiu vnitřního složení Země. Měřením toků geologických neutrin v různých bodech na Zemi je možné zmapovat zdroje uvolňování radioaktivního tepla uvnitř Země [39] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Částice ve fyzice | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
základní částice |
| ||||||||||||
Kompozitní částice |
| ||||||||||||