Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 37. Загадки нейтрино.

      Нейтрино были придуманы в 1930 году как частицы, спасающие законы сохранения энергии и импульса в некоторых процессах распада атомных ядер. В экспериментах же их зафиксировали лишь через четверть века. Нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях.
      Нейтрино практически не взаимодействует с веществом. Что можно описать такими примерами: а) каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно пронизывают никак нами не ощущаемые 60 миллиардов солнечных нейтрино; б) длина свободного пробега нейтрино (от одного акта взаимодействия с веществом до другого) через среду с плотностью воды оказывается порядка сотни световых лет.
      Но загадок за истекшее с момента его открытия время нейтрино загадало столько, что вряд ли ближайшие поколения физиков разгадают их полностью. Узнаем же, что это за загадки и как физики их пытаются разрешить.


      Установлено, что существует три типа нейтрино - электронное (νе), мюонное (νμ) и тау-нейтрино (ντ). В только что рассмотренной нами Стандартной Модели массы этих нейтрино изначально считались равными нулю. Ибо в экспериментах не удавалось уловить разницу между скоростью движения нейтрино и скоростью света. И до сих пор не удается.

      Первые попытки зафиксировать мощнейший поток нейтрино от Солнца начались в 60-х годах прошлого века и делались на нейтринных телескопах, представляющих собой расположенные в глубоких шахтах большие цистерны, наполненные чистейшим  жидким изотопом хлора Cl37. Ядро которого в результате взаимодействия с нейтрино превращается в ядро Аргона Ar37 (с вылетом электрона). Сами же солнечные электронные нейтрино νе  в большинстве своем рождаются в недрах Солнца в реакциях слияния ядер тяжелого водорода (дейтерия или трития) в ядро гелия. Интенсивность потока солнечных нейтрино рассчитывалась исходя из нынешней светимости Солнца в предположении непрерывности протекающих в недрах Солнца термоядерных реакций.

      Наблюдения на таких телескопах показали, что поток электронных нейтрино от Солнца почти втрое меньше расчетного (считалось по числу ядер Ar37). Другие нейтринные телескопы вплоть до 90-х годов показывали аналогичный результат. Физики и астрофизики испытали длительный шок.

      Поначалу возникла гипотеза о том, что в недрах Солнца термоядерная "печка" работает с переменной интенсивностью. Из-за конвекции. А именно, перегревшиеся в ходе термоядерной реакции массы солнечного ядра всплывают в область более холодной плазмы, где термоядерная реакция не идет из-за недостаточной температуры. А эта холодная плазма погружается в ядро Солнца, разогревается и в ней инициируется термоядерная реакция. И мы живем, якобы, в период такого всплытия-погружения. Расчеты периодов такой конвекции в моделях ядра Солнца дают величину порядка 200-300 млн. лет. Что по порядку величины близко к периодичности смены климата Земли от момента "Земли-снежка" до каменноугольного периода. На светимости Солнца такого рода процессы практически не сказываются. Поскольку рожденные в тех же реакциях фотоны, непрерывно рассеиваясь на протонах и электронах, просачиваются сквозь толщу Солнца многие миллионы лет. Но затем под давлением обнаруженного в экспериментах эффекта осцилляций нейтрино эта гипотеза приказала долго жить.

      Второе поколение нейтринных телескопов постепенно научилось фиксировать не только электронные нейтрино, но и мюонные, и тау-лептонные. Но главное, оно научилось определять направление, откуда прилетело нейтрино. В них нейтрино, столкнувшись с молекулой чистой воды и выбив из нее электрон, показывает по направлению вылета электрона направление на источник нейтрино. Показывает потому, что электрон, движущийся в воде со скоростью больше скорости света в воде, излучает в направлении своего движения многие десятки фотонов в конусе, угол раствора которого зависит от скорости электрона (это черенковское излучение). Такие телескопы представляют собой погруженные в глубины океанов, глубоких озер типа Байкала или льда Антарктиды крупные сосуды или гирлянды небольших сосудов с идеально чистой водой, окруженные множеством фотоумножителей:



      Схема Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 (работает с 1998 года).

      В результате проведенных на новом поколении нейтринных телескопов наблюдений выяснилось, что общее число солнечных нейтрино хорошо согласуется с построенными астрофизиками моделями Солнца. Но в общем потоке достигших Земли нейтрино электронных оказалось примерно треть. А две трети солнечных нейтрино по дороге превратились мюонные и тау-лептонные нейтрино.

      Процессы спонтанного превращения нейтрино одного типа в другой назвали нейтринными осцилляциями.

      Из факта этих осцилляций был сделан вывод о наличии у нейтрино массы. Такой вывод можно считать естественным с точки зрения волн де Бройля, длина которых λдБ ~ 2πħ/mс обратно пропорциональна массе частицы. При разных массах нейтрино наложение их волн разной длины могло бы при некотором уровне фантазии трактоваться как их осцилляции.

      По-видимому эта мысль привела к рождению модели трехкомпонентных нейтрино.
По мысли ее авторов каждое из трех типов нейтрино, родившихся в неких актах слабого взаимодействия, состоит из трех компонент разных масс в разных весовых долях. Назовем эти компоненты ν1, ν2, ν3. Эти компоненты имеют некие фиксированные массы. А каждый из реальных нейтрино (νе,νμ,ντ) фиксированной массы не имеет. Все реальные нейтрино являются некими суперпозициями  ν1, ν2, ν3. Рождаются реальные нейтрино, а распространяться могут только нейтрино определенной массы. Поэтому когда рождается, скажем, электронное нейтрино, то в нем компоненты ν1, ν2, ν3 четко сбалансированы друг с другом. Но по ходу движения эта балансировка может сбиваться и изначально электронное нейтрино в некоторой точке пространства окажется, например, мюонным. Или тау-лептонным. И за эту модель ее авторам в 2015 году была присуждена Нобелевская премия. Заслужено или нет - покажет будущее (когда будут измерены массы нейтрино или их компонент).

      Образ описанных выше явлений составить, конечно, непросто. Но вспомнив, что движущиеся с одинаковой скоростью частицы разных масс, будучи представленными в виде волновых пакетов, будут иметь разные пространственные периодичности (длины волн де-Бройля  λдБ ~ 2πħ/). Поэтому можно нарисовать простейший двухкомпонентный аналог трехкомпонентной реальности. Понятный без дополнительных пояснений.


      Экспериментальные попытки определить массы нейтрино к конкретным результатам пока не привели. Но в разных экспериментах определены верхние границы этих масс. Разные. Которые, по крайней мере, в сотни и тысячи раз меньше масс соответствующих лептонов (электронов, мюонов, тау-лептонов). Скорее всего, именно по этой причине отличить скорости нейтрино от скорости света в экспериментах пока не удается.

      По последним данным сумма масс всех трех типов нейтрино < 0,3 эВ (это гораздо меньше цифр, приведенных в предыдущем параграфе в таблице частиц Стандартной модели). Отсюда следует приближенная нижняя оценка длины волны де Бройля для нейтрино: λдБ ~ 10³ см. Что для микромира чудовищно большая величина (на 5 порядков больше де Бройлевской длины волны электрона в атоме водорода).

Пройдет, очевидно, еще много лет или даже десятков лет, прежде чем массы всех типов нейтрино или их компонент будут определены в экспериментах. Заодно придется подправлять и Стандартную модель. И за все это, конечно, будут даны Нобелевские премии.
Tags: Начала физики
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Конец МКС?

    Объявлено о прекращении участия России в МКС. Аккуратно объявлено - после 2024 года. Как раз тогда, когда истечет второе продление ее эксплутации…

  • Птичка поет кольцами...

    Не только лишь особо тренированные курильшики способны выпускать дым кольцами. Делают это и птички. Разумеется, выпуская из клюва не дым, а…

  • Путин, скорее всего, согласится. И потому окончательно проиграет.

    Политика - это игра в мяч. И тот, кто отдает мяч-инициативу в руки противника, тот, как правило, проигрывает. Менее суток в руках Путина был…

promo moralg march 5, 2018 03:01 44
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 10 comments

Recent Posts from This Journal

  • Конец МКС?

    Объявлено о прекращении участия России в МКС. Аккуратно объявлено - после 2024 года. Как раз тогда, когда истечет второе продление ее эксплутации…

  • Птичка поет кольцами...

    Не только лишь особо тренированные курильшики способны выпускать дым кольцами. Делают это и птички. Разумеется, выпуская из клюва не дым, а…

  • Путин, скорее всего, согласится. И потому окончательно проиграет.

    Политика - это игра в мяч. И тот, кто отдает мяч-инициативу в руки противника, тот, как правило, проигрывает. Менее суток в руках Путина был…