Neutrini - baš kao nabijeni leptoni (elektron, mion, tau), up kvarkovi (gore, šarm, istina) i donji kvarkovi (dole, čudno, šarm) - dolaze tri vrste. Ali mogu se podijeliti na vrste Različiti putevi. Štaviše, zbog kvantne prirode našeg svijeta, samo jedan od njih se može koristiti u jednom trenutku. U ovom članku ću objasniti zašto se to događa, i kako ova činjenica dovodi do tako zanimljive i znanstveno važne činjenice kao što su neutrinske oscilacije.

Mogli biste pomisliti da svaka čestica ima određenu masu – na primjer, masena energija elektrona je (E = mc 2) 0,000511 GeV – i sa jedne moguće tačke gledišta, tri tipa neutrina nisu izuzetak. Možemo klasifikovati tri neutrina prema njihovim masama (koje još nisu tačno poznate) i nazvati ih, od najlakšeg do najtežeg, neutrina-1, neutrina-2 i neutrina-3. Ovu podjelu ćemo nazvati masovnom klasifikacijom, a ove vrste neutrina – tipovima mase.


Rice. 1

Drugi način za klasifikaciju neutrina je njihova povezanost s nabijenim leptonima (elektronom, mionom i tau). Ovo se spominje u članku o tome kako bi čestice izgledale da je Higsovo polje nula. Najbolji način razumjeti ovo znači usredotočiti se na to kako na neutrine djeluje slaba nuklearna sila, što se odražava u njihovoj interakciji sa W česticom jedan od tri naelektrisana antileptona i jedan od tri neutrina. Ako W raspadne u anti-tau, pojavit će se tau neutrino. Slično, ako se W raspadne u antimion, pojavit će se mionski neutrino. (Kritičan za stvaranje snopa neutrina, pion se raspada kroz slabe interakcije, a pozitivno nabijeni pioni proizvode antimion i mionski neutrino). A ako W raspadne u pozitron, pojavit će se elektronski neutrino. Nazovimo ovo slabom klasifikacijom, a ovi neutrini su neutrina slabog tipa jer su određeni slabom interakcijom.

Pa, šta je ovde problem? Stalno koristimo različite klasifikacije da bismo ih primijenili na ljude. Govorimo o tome da su ljudi mladi, odrasli i stari; visoki su, srednje visoki i niski. Ali ljudi se dalje mogu podijeliti po volji, na primjer, u devet kategorija: mladi i visoki, mladi i prosječne visine, odrasli i niski, stariji i niski itd. Ali kvantna mehanika nam zabranjuje da radimo isto sa klasifikacijama neutrina. Nema neutrina koji su i mionski neutrini i neutrino-1; Ne postoji tau neutrino-3. Ako vam kažem masu neutrina (i stoga pripada li neutrin grupi 1, 2 ili 3), jednostavno vam ne mogu reći da li je to elektron, mion ili tau neutrino. Neutrino određene mase je mješavina, ili "superpozicija", tri neutrina slabog tipa. Svaki masovni neutrino – neutrino 1, neutrino 2 i neutrino 3 – je precizna, ali različita mješavina elektronskih, mionskih i tau neutrina.

Vrijedi i suprotno. Ako vidim da se pion raspada u antimion i neutrino, odmah ću znati da će rezultirajući neutrino biti mionski neutrino - ali neću moći znati njegovu masu, jer će biti mješavina neutrina 1, neutrina 2 i neutrina 3. Elektronski neutrino i tau neutrino su također precizne, ali različite mješavine tri neutrina određene mase.

Odnos između ovih masivnih i slabih tipova sličniji je (ali ne baš ekvivalentan) odnosu između klasifikacija američkih autoputeva kao "sjever-jug" i "zapad-istok" (američka vlada ih dijeli na ovaj način, dodjeljujući neparne brojevima do autoputeva C/S, pa čak i jednostavnih W/E puteva), i dijeleći ih na puteve koji idu od “sjeveroistoka prema jugozapadu” i od “jugoistoka prema sjeverozapadu”. Korištenje bilo koje klasifikacije ima prednosti: klasifikacija N/S – W/E je prikladna ako se koncentrišete na geografsku širinu i dužinu, dok će klasifikacija NE/SW – SE/NW biti korisnija u blizini obale, jer se kreće od od jugozapada do sjeverozapada. Ali obje klasifikacije se ne mogu koristiti u isto vrijeme. Put koji vodi sjeveroistok je dijelom sjeverni, a dijelom istočni; Ne možete reći da je ona ovo ili ona. A sjeverni put je mješavina sjeveroistoka i sjeverozapada. Isto je i sa neutrinima: neutrina masenog tipa su mješavina neutrina slabog tipa, a neutrina slabog tipa mješavina su neutrina mase. (Analogija se raspada ako odlučite da koristite poboljšanu klasifikaciju puteva N/S - NE/SW - E/W - SE/NW; ne postoji takva opcija za neutrine).

Nemogućnost razvrstavanja neutrina u određeni masovni tip i određeni slab tip primjer je principa nesigurnosti, sličnog neobičnosti koja zabranjuje istovremeno poznavanje tačne pozicije i tačne brzine čestice. Ako znate tačno jedno od ovih svojstava, nemate pojma o drugom. Ili ćete možda naučiti nešto o oba svojstva, ali ne o svemu. Kvantna mehanika vam tačno govori kako da uravnotežite svoje znanje i neznanje. Inače, ovi problemi se ne odnose samo na neutrine. Oni su također povezani s drugim česticama, ali su posebno važni u kontekstu ponašanja neutrina.

Prije nekoliko decenija sve je bilo jednostavnije. U to vrijeme se vjerovalo da neutrini nemaju masu, pa je bilo dovoljno koristiti slabu klasifikaciju. Ako pogledate stare papire ili stare knjige za obične ljude, vidjet ćete samo imena kao što su elektronski neutrino, mionski neutrino i tau neutrino. Međutim, nakon otkrića iz 1990-ih, to više nije dovoljno.

A sada počinje zabava. Recimo da imate visokoenergetske neutrine elektronskog tipa, odnosno određenu mješavinu neutrina-1, neutrina-2 i neutrina-3. Neutrini se kreću kroz svemir, ali njihova tri različita tipa mase kreću se malo različitim brzinama, vrlo blizu brzine svjetlosti. Zašto? Jer brzina objekta ovisi o njegovoj energiji i masi, a tri vrste mase imaju tri različite mase. Razlika u njihovim brzinama je izuzetno mala za bilo koji neutrino koji možemo da izmerimo – nikada nije primećena – ali njegov efekat je iznenađujuće velik!

Razlika u brzini neutrina - neke formule

Brzina čestice v u Ajnštajnovoj teoriji relativnosti može se zapisati kroz masu čestice m i energiju E (ovo je ukupna energija, tj. energija kretanja plus energija mase E=mc 2), i brzina svjetlosti c, kao:

Ako čestica ima veoma veliku brzinu i njena ukupna energija E je mnogo veća od mase mase mc 2, tada

Podsjetimo, podignuta 1/2 znači „uzmi kvadratni korijen“. Ako čestica ima veoma veliku brzinu i njena ukupna energija E je mnogo, mnogo veća od njene mase-energije mc2, tada

Gdje vas tačke podsjećaju da ova formula nije tačna, već dobra aproksimacija velikom E. Drugim riječima, brzina čestice koja se kreće skoro brzinom svjetlosti razlikuje se od brzine svjetlosti za iznos jednak pola kvadrat odnosa masene energije čestice i njene ukupne energije. Iz ove formule je jasno da ako dva neutrina imaju različite mase m 1 i m 2, ali istu visoku energiju E, tada se njihove brzine vrlo malo razlikuju.

Hajde da vidimo šta ovo znači. Svi izmjereni neutrini iz supernove koja je eksplodirala 1987. stigli su na Zemlju u intervalu od 10 sekundi. Recimo da je elektronski neutrino emitovala supernova sa energijom od 10 MeV. Ovaj neutrino je bio mješavina neutrina 1, neutrina 2 i neutrina 3, od kojih se svaki kretao malo različitom brzinom! Da li bismo ovo primetili? Ne znamo tačne mase neutrina, ali pretpostavimo da neutrino-2 ima energiju mase od 0,01 eV, a neutrino-1 ima energiju mase od 0,001 eV. Tada će se njihove dvije brzine, s obzirom da su njihove energije jednake, razlikovati od brzine svjetlosti i jedna od druge za manje od jednog dijela od sto hiljada triliona:

(greška svih jednačina ne prelazi 1%). Ova razlika u brzini znači da bi dijelovi Neutrina-2 i Neutrina-1 originalnog elektronskog neutrina stigli na Zemlju unutar jedne milisekunde jedan od drugog – razlika koju je, iz različitih tehničkih razloga, nemoguće otkriti.

A sada prelazimo sa zanimljivih na zaista čudne stvari.

Ova mala razlika u brzini uzrokuje da se precizna mješavina neutrina-1, neutrina-2 i neutrina-3 koja čini elektronski neutrino postupno mijenja dok se kreće kroz svemir. To znači da elektronski neutrino s kojim smo krenuli vremenom prestaje biti sam po sebi i odgovara jednoj specifičnoj mješavini neutrina-1, neutrina-2 i neutrina-3. Različite mase neutrina tri masena tipa pretvaraju početni elektronski neutrino u procesu kretanja u mješavinu elektronskih neutrina, mionskih neutrina i tau neutrina. Procenti mješavine ovise o razlici u brzinama, a samim tim i o energiji početnog neutrina, kao i o razlici u masama (tačnije, o razlici u kvadratima masa) neutrina.

Rice. 2

U početku se efekat povećava. Ali, zanimljivo, kao što je prikazano na sl. 2, ovaj efekat ne samo da stalno raste. Raste, pa opet opada, pa opet raste, opet se smanjuje, opet i opet, kako se neutrino kreće. To se naziva neutrinskim oscilacijama. Kako se tačno dešavaju zavisi od toga koje mase neutrina imaju i kako su maseni neutrini i slabi neutrini tamo pomešani.

Učinak oscilacija može se izmjeriti zbog činjenice da se elektronski neutrino pri sudaru s jezgrom (a na taj način se može detektirati neutrino) može pretvoriti u elektron, ali ne u mion ili tau, dok mionski elektrino se može pretvoriti u mion, ali ne u elektron ili tau. Dakle, ako smo krenuli sa snopom mionskih neutrina, a nakon prelaska određene udaljenosti neki neutrini su se sudarili s jezgrama i pretvorili u elektrone, to znači da se u snopu javljaju oscilacije, a mionski neutrini se pretvaraju u elektronske neutrine.

Jedan veoma važan efekat komplikuje i obogaćuje ovu priču. Budući da je obična materija napravljena od elektrona, ali ne od miona ili taua, elektronski neutrini s njom djeluju drugačije nego mioni ili tau. Ove interakcije, koje se javljaju kroz slabu silu, su izuzetno male. Ali ako neutrino prođe kroz veliku debljinu materije (recimo, kroz primjetan dio Zemlje ili Sunca), ovi mali efekti se mogu akumulirati i uvelike utjecati na oscilacije. Srećom, znamo dovoljno o slaboj nuklearnoj interakciji da predvidimo ove efekte u detalje i da izračunamo cijeli lanac unatrag, od eksperimentalnih mjerenja do razjašnjavanja svojstava neutrina.

Sve se to radi pomoću kvantne mehanike. Ako vam ovo nije intuitivno, opustite se; Ni meni to nije intuitivno. Dobio sam svu intuiciju koju sam imao iz jednačina.

Ispostavilo se da je pažljivo mjerenje neutrinskih oscilacija najviše brz način proučavanje svojstava neutrina! Ovo djelo je već dobilo Nobelovu nagradu. Cijela ova priča proizlazi iz klasične interakcije eksperimenta i teorije, koja se proteže od 1960-ih do danas. Spomenut ću najvažnija mjerenja.

Za početak, možemo proučavati elektronske neutrine proizvedene u središtu Sunca, u njegovoj dobro proučenoj nuklearnoj peći. Ovi neutrini putuju kroz Sunce i kroz prazan prostor do Zemlje. Otkriveno je da kada stignu na Zemlju jednako je vjerovatno da će biti mionskog ili tau tipa kao i elektronskog neutrina. Ovo samo po sebi pruža dokaz o neutrinskim oscilacijama, a to nam daje tačna raspodjela detaljne informacije o neutrinima.

Imamo i mionske neutrine, koji nastaju raspadom piona proizvedenih u kosmičkim zracima. Kosmičke zrake su čestice visoke energije koje dolaze iz svemira i sudaraju se s atomskim jezgrima u gornjoj atmosferi. Rezultirajuće kaskade čestica često sadrže pione, od kojih se mnogi raspadaju u mionske neutrine i antimuone, ili mionske antineutrine i mione. Detektiramo neke od ovih neutrina (i antineutrina) u našim detektorima i možemo izmjeriti koliko su od njih elektronski neutrini (i antineutrini) ovisno o tome kroz koji dio Zemlje su prošli prije nego što su udarili u detektor. Ovo nam opet daje važne informacije o ponašanju neutrina.

Ovi „solarni“ i „atmosferski“ neutrini su nas naučili mnogo o svojstvima neutrina u proteklih dvadeset godina (a prvi nagoveštaj nečeg zanimljivog desio se pre skoro 50 godina). A ovim prirodnim izvorima energije pridodaju se i razne studije provedene korištenjem snopa neutrina, poput onih korištenih u eksperimentu OPERA, kao i korištenjem neutrina iz konvencionalnih nuklearnih reaktora. Svako od mjerenja je u velikoj mjeri u skladu sa standardnom interpretacijom solarnih i atmosferskih neutrina i omogućava preciznija mjerenja mješavina neutrina masenog i slabog tipa i razlika u kvadratu masa neutrina masenog tipa.

Kao što se moglo očekivati, postoje mala odstupanja sa teorijskim očekivanjima u eksperimentima, ali nijedna nije potvrđena i većina, ako ne i svi, su samo statistički slučajevi ili problemi na eksperimentalnom nivou. Do sada u nekoliko eksperimenata nije potvrđena nikakva kontradiktornost razumijevanju neutrina i njihovog ponašanja. S druge strane, cijela ova slika je sasvim nova i slabo testirana, pa je sasvim moguće, iako malo vjerovatno, da bi moglo biti potpuno drugačijih tumačenja. Zaista, prilično ozbiljne alternative su već predložene. Dakle, razjašnjavanje detalja svojstava neutrina je područje istraživanja koje se aktivno razvija, u kojem uglavnom postoji saglasnost, ali neka pitanja i dalje ostaju otvorena - uključujući potpuno i neopozivo određivanje masa neutrina.

Ministarstvo obrazovanja Republike Bjelorusije

Grodno univerzitet nazvan po. Ya

Katedra za teorijsku fiziku

Rad na kursu

Tema: Neutrinske oscilacije.

Završila: student 5. godine Šarkunova V.A.

Provjerila: Senko Anna Nikolaevna

Rad pokazuje da se za objašnjenje ovih eksperimenata može napraviti pretpostavka o postojanju neutrinskih oscilacija, a samim tim i masa neutrina. Razmatrana je teorija neutrina oscilacija. Neutrini se razmatraju u okviru modela lijevo-desno. U aproksimaciji sa dva ukusa dobijene su moguće hijerarhije masa neutrina.

Napomena................................................................ ................................................................ ...... ... 2

Uvod................................................................. ........................................................ ........................ 4

1. Neutrinske oscilacije.................................................. ........................................ 7

1.1. Vakuumske neutrino oscilacije.................................................. ........................................................ ........................................ 7

1.2. Neutrin oscilacije u kontinuiranom mediju................................................ ........................................................ ............................... jedanaest

2. Indikacija mase neutrina koja nije nula ................................................ ........ 15

2.1. Problem solarnih neutrina.................................................. ........................................................ ................................................................ 15

2.2. Atmosferski neutrini.................................................................. ................................................... ........................................................ ...... 19

2.3. Rezultati eksperimenta LSND (Los Alamos tečni scintilacioni neutrino detektor) ........................................ .............. 21

2.4. Vruća tamna materija Univerzuma................................................... ........................................................ ........................................ 22

2.5. Dvostruki β-raspad.................................................. ........................................................ ............................................................ ........................ 23

3. Neki eksperimenti u otkrivanju neutrina......................................... 26

3.1. Detektori solarnih neutrina.................................................................. ................................................................... .......................... ................................ ... 26

3.2. Eksperiment sa kućom ................................................................ ................................................... ........................................................ ...... 28

3.3. Eksperimenti Kamiokande i Super-Kamiokande........................................ ........................................................ .............. .... 29

3.4. Gallex i SAGE eksperimenti.................................................................. ........................................................ ........................................ 31

4. Hijerarhija mase Majorana neutrina u lijevo-desnom modelu.. 32

Zaključak................................................................ ................................................................ 35

Književnost ................................................................. ................................................................ ...... 36

Neutrino je elementarna čestica nastala u određenim nuklearnim reakcijama. Postoji nekoliko moćnih izvora neutrina u Univerzumu.

1) Sunce i druge zvijezde su u stabilnom stanju.

2) Supernove, koje gube dio svoje energije za nekoliko sekundi u obliku neutrina.

3) Neki masivni astrofizički objekti (kvazari, aktivna galaktička jezgra...), koji su izvori visokoenergetskih neutrina, koji čine važan dio kosmičkih zraka.

Postoje atmosferski neutrini - to su neutrini rođeni prilikom sudara kosmičkih zraka sa jezgrima zemljine atmosfere, kao i neutrini rođeni tokom beta raspada jezgara u atomskim reaktorima i zemaljskih neutrina. Uronjeni smo u reliktne neutrine (oko 500 po kubnom centimetru) nastale tokom Velikog praska prije 15 milijardi godina.

Slika 1. Tok neutrina iz različitih izvora.

Postoje tri tipa, ili ukusa, neutrina: elektron, mion i tauon. Još uvijek nije jasno da li se neutrino razlikuje od antineutrina. Postoje teorije u kojima se razlikuju. U ovom slučaju govore o Diracovim neutrinima. U drugim teorijama, neutrini i antineutrini se ne razlikuju i tada se neutrini nazivaju Majorana neutrinima.

Bez obzira na to da li su neutrini Majornovi ili Diracovi, ne znamo da li neutrini imaju masu i magnetni moment. Dosadašnji eksperiment pruža gornje granice. Međutim, postoje naznake da neutrini imaju masu. Da bi se objasnili neki eksperimenti, postavlja se hipoteza o neutrinskim oscilacijama. Oscilacije neutrina su međukonverzija različitih tipova neutrina. Trenutno postoje tri eksperimentalne činjenice u prilog neutrinskim oscilacijama.

1) Solarni tok

čini se da je u velikoj mjeri potisnut u odnosu na predviđanja postojećih solarnih modela.

2) Teorijski omjer fluksa atmosferskih mionskih i elektronskih neutrina prema eksperimentalno izmjerenim je u suprotnosti s eksperimentalnim rezultatima.

3) Proučavanje raspada kretanja

mezon LSND saradnja pokazuje prisustvo oba i .

Za postojanje neutrinskih oscilacija neophodno je (ali nije dovoljno) da neutrini imaju mase različite od nule.

U minimalnom standardnom modelu nema desnih neutrina, pa stoga leptonski broj nije očuvan. Dakle, neutrino nema ni Majoranu ni Diracovu masu. Svaki dokaz za masu različitu od nule ili ugao miješanja je dokaz izvan standardnog modela. Dodatno, mase i uglovi miješanja su fundamentalni parametri koji će biti objašnjeni u konačnoj teoriji fermionske mase. Model lijevo-desno predviđa postojanje neutrina mase i dovodi do miješanja između stanja određene mase kako unutar tako i između neutrina generacija.

1. Neutrinske oscilacije.

Oscilacije neutrina mogu se predstaviti slično poznatijem primjeru precesije spina u poprečnom magnetskom polju. Pretpostavimo da postoje čestice spina ½ čiji su spinovi polarizovani duž z (ili “gore”). Zraka prolazi kroz područje gdje se stvara magnetsko polje u smjeru y. Spin up nije osnovno stanje u ovom magnetnom polju. Zbog toga snop prolazi kroz oscilacije (precesiju). Ako pregledamo snop nakon prelaska određene udaljenosti, možemo otkriti da je snop superpozicija okretanja "gore" i "dolje".

Posljednju izjavu možete preformulisati drugačije. Počeli smo sa okretnim snopom, ali nakon prelaska određene udaljenosti, vjerovatnoća pronalaženja okretanja u snopu je manja od jedan. Drugim riječima, dolazi do iscrpljivanja spin-up. Neutrine oscilacije predstavljaju iscrpljivanje, kao što je solarno

na isti način, tj. pretpostavlja se da stanja koja su stvorena ili posmatrana nisu osnovna stanja propagacije.

1.1. Oscilacije vakuumskih neutrina.

Elektronski neutrino

- stanje koje nastaje u raspadu, gdje se rađa i pozitron. Muonski neutrino je stanje dobijeno raspadom zajedno sa mionom. Imenućemo i stanja ukusa. Iz ove definicije nije očito da su ova stanja okusa fizičke čestice. Općenito, bilo koja od njih može biti superpozicija različitih fizičkih čestica. Drugim rečima, stanje dobijeno raspadom mora imati izvesnu verovatnoću postojanja čestice i izvesnu verovatnoću postojanja čestice. Ta stanja ćemo nazvati i kao čestice ili fizička stanja. Uvedemo sljedeću notaciju: (1.1)

Teorija predviđa postojanje zakona periodične promjene vjerovatnoće detekcije čestice određenog tipa u zavisnosti od tačnog vremena koje je proteklo od nastanka čestice.

Ideju o neutrinskim oscilacijama prvi je iznio sovjetsko-italijanski fizičar B. M. Pontecorvo 1957. godine.

Prisustvo neutrina oscilacija je važno za rješavanje problema solarnih neutrina.

Oscilacije u vakuumu

Pretpostavlja se da su takve transformacije posljedica prisustva mase u neutrinima ili (za slučaj neutrina↔antineutrina transformacija) neočuvanja leptonskog naboja pri visokim energijama.

vidi takođe

• Matrix Pontecorvo - Maki - Nakagawa - Sakata
• Oscilacije neutralnih kaona
• Oscilacije B-mezona

Bilješke

Književnost

• Yu. G. Kudenko, “Proučavanje oscilacija neutrina u eksperimentima s dugom baznom linijom akceleratora”, Advances in Physical Sciences, vol. 6, 2011.
• S. M. Bilenky, “Masa, miješanje i oscilacije neutrina”, Advances in Physical Sciences 173 1171-1186 (2003)

Wikimedia fondacija. 2010.

Pogledajte šta su „neutrinske oscilacije“ u drugim rječnicima:

Neutrinske oscilacije transformacije neutrina (elektrona, miona ili taona) u neutrino druge vrste (generacije), ili u antineutrino. Teorija predviđa postojanje zakona periodične promjene vjerovatnoće otkrivanja čestice... ... Wikipedia

- (v), laka (možda bez mase) električno neutralna čestica sa spinom 1/2 (u jedinicama ć), koja učestvuje samo u slaboj i gravitacionoj. izloženosti. N. pripada klasi leptona, a prema statistici. Sveto vam otkrivenje fermion. Poznata su tri tipa N.: ... ... Fizička enciklopedija

Gotovo svi štreberi su čuli za oscilacije neutrina. O ovom fenomenu napisano je dosta stručne literature i dosta popularnih članaka, ali samo autori udžbenika vjeruju da čitalac razumije teoriju polja, pa čak i kvantnu teoriju, a autori popularnih članaka obično se ograničavaju na fraze u stil: „Čestice lete i lete, a onda BAM i pretvoriti se u druge”, i to sa drugom masom (!!!). Pokušajmo otkriti odakle dolazi ovaj zanimljivi efekat i kako se to opaža pomoću ogromnih instalacija. A istovremeno ćemo naučiti kako pronaći i izdvojiti nekoliko potrebnih atoma iz 600 tona materije.

Još jedan neutrino

U prethodnom članku sam govorio o tome kako se ideja o postojanju neutrina pojavila 1932. godine i kako je ova čestica otkrivena 25 godina kasnije. Da vas podsjetim da su Reines i Cowan registrovali interakciju antineutrina sa protonom. Ali čak i tada, mnogi naučnici su vjerovali da neutrina može biti nekoliko vrsta. Neutrino koji aktivno stupa u interakciju s elektronom naziva se elektron, a neutrino koji stupa u interakciju s mionom naziva se mionski. Eksperimentatori su trebali otkriti jesu li ova dva stanja različita ili ne. Lederman, Schwartz i Steinberger izveli su izvanredan eksperiment. Ispitivali su snop pi mezona iz akceleratora. Takve čestice se lako raspadaju u mione i neutrine.

Ako neutrini zaista imaju različite tipove, onda bi se trebao roditi mion. Tada je sve jednostavno - postavljamo metu na putanju rođenih čestica i proučavamo njihovu interakciju: s rođenjem elektrona ili miona. Iskustvo je jasno pokazalo da se elektroni gotovo nikada ne stvaraju.

Dakle, sada imamo dvije vrste neutrina! Spremni smo da pređemo na sledeći korak u raspravi o neutrinskim oscilacijama.

Ovo je neka vrsta "pogrešnog" Sunca

Prvi eksperimenti neutrina koristili su umjetni izvor: reaktor ili akcelerator. To je omogućilo stvaranje vrlo moćnih tokova čestica, jer su interakcije izuzetno rijetke. Ali bilo je mnogo zanimljivije registrirati prirodne neutrine. Od posebnog interesa je proučavanje protoka čestica sa Sunca.

Sredinom 20. vijeka već je bilo jasno da na Suncu ne gori drva - izračunali su i ispostavilo se da neće biti dovoljno drva za ogrjev. Energija se oslobađa tokom nuklearnih reakcija u samom centru Sunca. Na primjer, glavni proces za našu zvijezdu naziva se "proton-protonski ciklus", kada se atom helija sastavlja od četiri protona.

Može se primijetiti da na prvom koraku treba da se rode čestice koje nas zanimaju. I ovdje fizika neutrina može pokazati svu svoju moć! Za optičko posmatranje dostupna je samo površina Sunca (fotosfera), a neutrini nesmetano prolaze kroz sve slojeve naše zvijezde. Kao rezultat toga, registrovane čestice dolaze iz samog centra u kojem su rođene. Možemo direktno "posmatrati" jezgro Sunca. Naravno, takva istraživanja nisu mogla a da ne privuku fizičare. Osim toga, očekivani tok bio je skoro 100 milijardi čestica po kvadratnom centimetru u sekundi.

Prvi takav eksperiment izveo je Raymond Davis u najvećem rudniku zlata u Americi - Rudniku Homestake. Instalacija je morala biti skrivena duboko pod zemljom kako bi se zaštitila od snažnog protoka kosmičkih čestica. Neutrino može bez problema proći kroz kilometar i po stijene, ali će druge čestice biti zaustavljene. Detektor je bio ogromno bure napunjeno sa 600 tona tetrahloretilena - jedinjenja od 4 atoma hlora. Ova tvar se aktivno koristi u kemijskom čišćenju i prilično je jeftina.

Ovu metodu registracije predložio je Bruno Maksimovič Pontecorvo. U interakciji s neutrinima, klor se pretvara u nestabilan izotop argona,

koji hvata elektron sa donje orbitale i raspada se nazad u proseku za 50 dana.

Ali! Očekuje se samo oko 5 interakcija neutrina dnevno. Za nekoliko sedmica će se nakupiti samo 70 rođenih atoma argona i oni se moraju pronaći! Pronađite nekoliko desetina atoma u buretu od 600 tona. Zaista fantastičan zadatak. Svaka dva mjeseca, Davis je pročišćavao bure helijumom, izduvavajući nastali argon. Više puta pročišćeni gas stavljan je u mali detektor (Geigerov brojač), gde je prebrojan broj raspada nastalog argona. Tako je mjeren broj interakcija neutrina.

Gotovo odmah se pokazalo da je tok neutrina sa Sunca skoro tri puta manji od očekivanog, što je stvorilo veliku senzaciju u fizici. Godine 2002. Davis i Koshiba-san podijelili su Nobelovu nagradu za njihov značajan doprinos astrofizici, uključujući otkriće kosmičkih neutrina.

Mala napomena: Davis je snimio neutrine ne iz proton-protonske reakcije, koju sam gore opisao, već iz malo složenijih i rjeđih procesa s berilijumom i borom, ali to ne mijenja suštinu.

Ko je kriv i šta da se radi?

Dakle, tok neutrina je tri puta manji od očekivanog. Zašto? Sljedeće opcije se mogu ponuditi:

Ovi prevrtljivi neutrini

Godinu dana prije nego što su dobijeni rezultati Davisovog eksperimenta, već spomenuti Bruno Pontecorvo razvio je teoriju o tome kako točno neutrini mogu promijeniti svoj tip u vakuumu. Jedna od posljedica je da različite vrste neutrina trebaju imati različite mase. I zašto bi, pobogu, čestice upravo ovakve u hodu mijenjale svoju masu, koju bi, općenito govoreći, trebalo sačuvati? Hajde da to shvatimo.

Ne možemo bez malog uvoda u kvantnu teoriju, ali pokušaću da ovo objašnjenje učinim što transparentnijim. Sve što vam treba je osnovna geometrija. Stanje sistema opisuje se „vektorom stanja“. Pošto postoji vektor, onda mora postojati i osnova. Pogledajmo analogiju prostora boja. Naša "država" je zelena boja. U RGB bazi ćemo ovaj vektor zapisati kao (0, 1, 0). Ali u CMYK bazi, skoro ista boja će biti drugačije napisana (0,63, 0, 1, 0). Očigledno je da nemamo i ne možemo imati „glavnu“ osnovu. Za različite potrebe: slike na monitoru ili štampanje, moramo koristiti vlastiti koordinatni sistem.

Kakva će osnova biti za neutrine? Sasvim je logično razložiti tok neutrina na različite vrste: elektron (), mion () i tau (). Ako imamo tok isključivo elektronskih neutrina koji leti sa Sunca, onda je ovo stanje (1, 0, 0) u takvoj bazi. Ali kao što smo već govorili, neutrini mogu biti masivni. Štaviše, imaju različite mase. To znači da se tok neutrina takođe može razložiti na stanja mase: sa masama, respektivno.

Čitava poenta oscilacija je da se ove baze ne poklapaju! Plave na slici prikazuju vrste (vrste) neutrina, a crvene stanja sa različitim masama.

To jest, ako se elektronski neutrino pojavi u raspadu neutrona, tada su se pojavila tri masena stanja odjednom (projicirana na ).

Ali ako ova stanja imaju malo različite mase, tada će energije biti malo drugačije. A pošto su energije različite, onda će se drugačije širiti u svemiru. Slika pokazuje tačno kako će se ova tri stanja razvijati tokom vremena.

(c) www-hep.physics.wm.edu

Na slici je kretanje čestice prikazano u obliku talasa. Ova reprezentacija se zove de Broglie val, ili val vjerovatnoće registracije određene čestice.

Neutrini međusobno djeluju ovisno o vrsti (). Stoga, kada želimo izračunati kako će se neutrino manifestirati, moramo projektirati naš vektor stanja na (). I stoga će postojati vjerovatnoća registracije jedne ili druge vrste neutrina. Ovo su talasi verovatnoće koje ćemo dobiti za elektronski neutrino u zavisnosti od pređene udaljenosti:

Koliko će se tip promijeniti određeno je relativnim uglovima opisanih koordinatnih sistema (prikazano na prethodnoj slici) i razlikama u masama.

Ako vas terminologija kvantne mehanike ne plaši, a imate strpljenja da pročitate do ove tačke, onda se jednostavan formalni opis može naći na Wikipediji.

Kako je to zaista?

Teorija je, naravno, dobra. Ali još uvijek ne možemo odlučiti koja se od dvije opcije realizuje u prirodi: Sunce „nije takvo“ ili neutrini „nisu takvi“. Potrebni su novi eksperimenti koji će definitivno pokazati prirodu ovog zanimljivog efekta. Doslovno ću ukratko opisati glavne postavke koje su imale ključnu ulogu u istraživanju.

Kamioka opservatorija

Istorija ove opservatorije počinje činjenicom da su ovde pokušali da pronađu protonski raspad. Zato je detektor dobio odgovarajuće ime - "Kamiokande" (Kamioka eksperiment raspada nukleona). Ali pošto ništa nisu našli, Japanci su se brzo ponovo fokusirali obećavajući pravac: proučavanje atmosferskih i solarnih neutrina. Već smo razgovarali o tome odakle dolazi solarna energija. Atmosferski se rađaju u raspadima miona i pi-mezona u Zemljinoj atmosferi. I dok stignu do Zemlje uspijevaju oscilirati.

Detektor je počeo da prikuplja podatke 1987. Imali su divnu sreću sa datumima, ali o tome u sledećem članku :) Instalacija je bila ogromna bačva napunjena najčistijom vodom. Zidovi su popločani fotomultiplikatorima. Glavna reakcija kojom su neutrini bili uhvaćeni bilo je izbacivanje elektrona iz molekula vode:

Slobodni elektron koji brzo leti svijetli u tamnoj vodi plava. Ovo zračenje je snimljeno fotomultiplikatorima na zidovima. Nakon toga, instalacija je nadograđena na Super-Kamiokande i nastavila sa radom.

Eksperiment je potvrdio deficit solarnih neutrina i tome dodao deficit atmosferskih neutrina.

Eksperimenti sa galijumom

Gotovo odmah nakon lansiranja Kakiokandea 1990. godine, počela su sa radom dva detektora galija. Jedna od njih nalazila se u Italiji, ispod planine Grand Sasso u istoimenoj laboratoriji. Drugi je na Kavkazu, u Baksanskoj klisuri, ispod planine Andirči. Selo Neutrino izgrađeno je posebno za ovu laboratoriju u klisuri. Samu metodu je predložio Vadim Kuzmin, inspirisan idejama Pontecorva, davne 1964. godine.

U interakciji sa neutrinima, galijum se pretvara u nestabilan izotop germanijuma, koji se ponovo raspada u galijum u proseku za 16 dana. Tokom mjesec dana formira se nekoliko desetina atoma germanija, koji se moraju vrlo pažljivo izdvojiti iz galija, staviti u mali detektor i izbrojati broj raspada u galijum. Prednost eksperimenata s galijumom je u tome što oni mogu uhvatiti neutrine vrlo niske energije koji su nedostupni drugim objektima.

Svi gore opisani eksperimenti su pokazali da vidimo manje neutrina od očekivanog, ali to ne dokazuje prisustvo oscilacija. Problem je možda i dalje netačan model Sunca. Eksperiment SNO stavio je posljednju i konačnu tačku u problem solarnih neutrina.

Sudbury Observatory

Kanađani su izgradili ogromnu "zvijezdu smrti" u rudniku Creighton.

Na dubini od dva kilometra postavljena je akrilna sfera, okružena fotomultiplikatorima i napunjena sa 1000 tona teške vode. Ova voda se razlikuje od obične vode po tome što je obični vodonik sa jednim protonom zamijenjen deuterijumom - spojem protona i neutrona. Upravo je deuterijum igrao ključnu ulogu u rješavanju problema solarnih neutrina. Takva instalacija mogla bi registrovati kako interakcije elektronskih neutrina tako i interakcije svih drugih tipova! Elektronski neutrini će rađanjem elektrona uništiti deuterijum, dok sve druge vrste elektrona ne mogu rađati. Ali oni mogu lagano "gurnuti" deuterijum tako da se on raspadne na sastavne dijelove, a neutrino poleti naprijed.

Brzi elektron, kao što smo već raspravljali, svijetli kada se kreće u mediju, a neutron bi trebao brzo biti zarobljen deuterijumom, emitujući foton. Sve se to može snimiti pomoću fotomultiplikatora. Fizičari su konačno u mogućnosti da izmjere puni protok čestica sa Sunca. Ako se pokaže da se poklapa sa očekivanjima, onda se elektronski neutrini prenose na druge, a ako je manje od očekivanog, onda je kriv pogrešan model Sunca.

Eksperiment je započeo s radom 1999. godine, a mjerenja su pouzdano pokazala da postoji nedostatak elektronske komponente

Da vas podsjetim da se u zvijezdi mogu roditi gotovo isključivo elektronski neutrini. To znači da su ostali dobijeni u procesu oscilacija! Za ove radove, Arthur MacDonald (SNO) i Kajita-san (Kamiokande) dobili su Nobelovu nagradu 2015.

Gotovo odmah, početkom 2000-ih, drugi eksperimenti su počeli proučavati oscilacije. Ovaj efekat je takođe primećen za neutrine koje je napravio čovek. Japanski eksperiment KamLAND, koji se nalazi na istom mestu, u Kamioki, već 2002. godine posmatrao je oscilacije elektronskih antineutrina iz reaktora. A drugi, također japanski, K2K eksperiment po prvi put je zabilježio promjenu u vrsti neutrina stvorenih pomoću akceleratora. Dobro poznati Super-Kamiokande korišten je kao detektor dugog dometa.

Sada sve više instalacija proučava ovaj efekat. Detektori se grade na Bajkalskom jezeru, u Sredozemnom moru i na Južnom polu. Postojale su i instalacije u blizini Sjevernog pola. Svi oni hvataju neutrine kosmičkog porijekla. Eksperimenti na akceleratorima i reaktorima su u toku. Prečišćavaju se parametri samih oscilacija i pokušava se saznati nešto o veličini masa neutrina. Postoje indicije da se upravo uz pomoć ovog efekta može objasniti prevlast materije nad antimaterijom u našem Univerzumu!

Ispod spojlera je mala napomena za one najpametnije.

Nagrada za 2015. je dodijeljena s tekstom "za otkriće neutrina oscilacija, koje pokazuju prisustvo mase u njima". Ova izjava izazvala je konfuziju među fizičarima. Prilikom mjerenja solarnih neutrina (SNO eksperiment), neosjetljivi smo na razlike u masama. Uopšteno govoreći, masa može biti nula, ali će oscilacije ostati. Ovo ponašanje se objašnjava interakcijom neutrina sa sunčevom materijom (efekat Mikheev-Smirnov-Wolfenstein). Odnosno, postoje oscilacije solarnih neutrina, njihovo otkriće je fundamentalni proboj, ali to nikada nije ukazivalo na prisustvo mase. U stvari, Nobelov komitet je nagradu dodijelio pogrešnom formulacijom.
Oscilacije se manifestiraju u vakuumu za atmosferske, reaktorske i akceleratorske eksperimente. Dodaj oznake

U utorak, 6. oktobra, postalo je poznato da su Japanac Takaaki Kajita i Kanađanin Arthur MacDonald dobili Nobelovu nagradu za fiziku za 2015. godinu za otkriće neutrinskih oscilacija.

Ovo je četvrti "Nobel" iz fizike koji se dodjeljuje za rad na proučavanju ovih misterioznih čestica. Koja je misterija neutrina, zašto ih je tako teško detektovati i šta su neutrine oscilacije, objasnićemo u ovom članku jednostavnim i pristupačnim jezikom.

Rođenje neutrona

Krajem 19. stoljeća, francuski fizičar Henri Becquerel, proučavajući povezanost luminiscencije i rendgenskih zraka, slučajno je otkrio radioaktivnost. Ispostavilo se da jedna od soli uranijuma sama emituje nevidljivo i misteriozno zračenje koje nije rendgensko zračenje. Tada se pokazalo da je radioaktivnost svojstvena upravo uranijumu, a ne spojevima u koje je uključen, nakon čega je otkrivena radioaktivnost drugih elemenata - poput torija, radijuma i tako dalje.

Nekoliko godina kasnije, britanski fizičar Ernest Rutherford odlučio je da još neistraženo radioaktivno zračenje prođe kroz magnetsko polje i otkrio da se ono može podijeliti na tri dijela. Neke su se zrake skretale u magnetskom polju kao da su sastavljene od pozitivno nabijenih čestica, druge kao da su sastavljene od negativnih, a treće se uopće nisu skretale.

Kao rezultat toga, odlučeno je da se prvi alfa zraci, drugi beta zraci, a treći gama zraci nazovu. Kasnije se pokazalo da su gama zraci visokofrekventno elektromagnetno zračenje (ili tok fotona visoke energije), alfa zraci su tok jezgara atoma helija, odnosno čestica sastavljenih od dva protona i dva neutrona, a beta zraci su tok elektrona iako postoje i pozitronski beta zraci (ovo zavisi od vrste beta raspada).

Ako izmjerimo energiju alfa čestica i gama čestica koje proizlaze iz odgovarajućeg tipa radioaktivnog raspada, ispada da ona može poprimiti samo neke diskretne vrijednosti. Ovo se dobro slaže sa zakonima kvantne mehanike. Međutim, sa elektronima emitovanim tokom beta raspada, situacija je bila drugačija - njihov energetski spektar je bio kontinuiran. Drugim riječima, elektron bi mogao nositi apsolutno bilo koju energiju, ograničenu samo vrstom raspadajućeg izotopa. Štaviše, u većini slučajeva se pokazalo da je energija elektrona manja od onoga što je teorija predviđala. Osim toga, ispostavilo se da je i energija jezgra nastala nakon radioaktivnog raspada manja od predviđene.

Ispostavilo se da je tokom beta raspada energija bukvalno nestala, kršeći osnovni fizički princip - zakon održanja energije. Neki naučnici, među kojima je bio i sam Niels Bohr, već su bili spremni da priznaju da zakon možda ne funkcioniše u mikrokosmosu, ali je nemački fizičar Volfgang Pauli predložio rešavanje ovog problema na jednostavan i prilično rizičan način - pretpostaviti da je energija koja nedostaje ponesena nekom česticom, koja nema električni naboj, izuzetno slabo stupa u interakciju s materijom i stoga još nije otkrivena.

Nekoliko godina kasnije, ovu hipotezu je usvojio italijanski fizičar Enriko Fermi za teorijsko objašnjenje beta raspada. U to vrijeme, neutron je već bio otkriven i fizičari su znali da se atomsko jezgro sastoji od više od protona. Bilo je poznato da se protoni i neutroni u jezgru drže zajedno takozvanom jakom interakcijom. Međutim, i dalje je bilo nejasno zašto, tokom beta raspada, jezgro emituje elektron koji u principu ne postoji.

Fermi je sugerirao da je beta raspad sličan emisiji fotona od strane pobuđenog atoma i da se elektron pojavljuje u jezgru upravo tokom procesa raspada. Jedan od neutrona u jezgru se raspada na tri čestice: proton, elektron i onu istu nevidljivu česticu koju je predvidio Pauli, a koju je Fermi na talijanskom nazvao “neutrino”, odnosno “neutron” ili mali neutron. Kao i neutron, neutrino nema električni naboj, a takođe ne učestvuje u snažnoj nuklearnoj interakciji.

Fermijeva teorija je bila uspješna. Otkriveno je da je još jedna do sada nepoznata interakcija, slaba nuklearna interakcija, odgovorna za beta raspad. To je upravo interakcija u kojoj osim gravitacione učestvuju i neutrina. Ali pošto su intenzitet i radijus ove interakcije tako mali, neutrino ostaje uglavnom nevidljiv materiji.

Možete zamisliti neutrin ne previsoke energije kako leti kroz željezni list. Da bi ovu česticu zadržao list sa stopostotnom vjerovatnoćom, njena debljina bi trebala biti približno 10^15 kilometara. Poređenja radi: udaljenost između Sunca i centra naše Galaksije je samo za jedan red veličine veća - oko 10 16 kilometara.

Ova neuhvatljivost neutrina otežava njegovo posmatranje u praksi. Stoga je postojanje neutrina eksperimentalno potvrđeno tek 20 godina nakon teorijskog predviđanja - 1953. godine.

Tri generacije neutrina

Beta raspad se može dogoditi na dva načina: emisijom elektrona ili pozitrona. Antineutrino se uvek emituje zajedno sa elektronom, a neutrino se uvek emituje zajedno sa pozitronom. Sredinom dvadesetog veka, fizičari su se suočili sa pitanjem: postoji li razlika između neutrina i antineutrina? Na primjer, foton je vlastita antičestica. Ali elektron uopće nije identičan svojoj antičestici – pozitronu.

Identitet neutrina i antineutrina je naznačen odsustvom električnog naboja na čestici. Međutim, uz pomoć pažljivih eksperimenata, bilo je moguće otkriti da su neutrini i antineutrini ipak različiti. Zatim, da bi se razlikovale čestice, bilo je potrebno uvesti njihov vlastiti znak naboja - leptonski broj. Po dogovoru naučnika, leptonima (čestice koje ne učestvuju u jakim interakcijama), u koje spadaju elektroni i neutrini, dodeljuje se leptonski broj +1. A antileptonima, među kojima ima i antineutrina, pripisuje se broj -1. U ovom slučaju leptonski broj uvijek mora biti očuvan - to objašnjava činjenicu da se neutrino uvijek pojavljuje samo u paru s pozitronom, a antineutrino s elektronom. Čini se da uravnotežuju jedni druge, ostavljajući nepromijenjenim zbir leptonskih brojeva svake čestice iz cijelog sistema.

Sredinom dvadesetog veka, fizika elementarne čestice doživjeli pravi procvat - naučnici su otkrivali nove čestice jednu za drugom. Pokazalo se da leptona ima više nego što se mislilo – osim elektrona i neutrina, otkriven je i mion (teški elektron), kao i mionski neutrino. Nakon toga, naučnici su otkrili treću generaciju leptona - još teže tau lepton i tau neutrino. Postalo je jasno da svi leptoni i kvarkovi formiraju tri generacije fundamentalnih fermiona (čestice sa polucijelim spinom koje čine materiju).

Da bi se razlikovale tri generacije leptona, bilo je potrebno uvesti takozvani leptonski naboj okusa. Svaka od tri generacije leptona (elektron i neutrino, mionski i mionski neutrino, tau lepton i tau neutrino) ima svoj leptonski naboj, a zbir naelektrisanja čini ukupan leptonski broj sistema. Dugo se vjerovalo da naboj leptona također treba uvijek biti očuvan. Ispostavilo se da se to ne dešava u slučaju neutrina.

Desni i levi neutrini

Svaka elementarna čestica ima kvantno mehaničku karakteristiku koja se naziva spin. Spin se može posmatrati kao količina rotacionog kretanja čestice, iako je ovaj opis vrlo proizvoljan. Spin se može usmjeriti u određenom smjeru u odnosu na impuls čestice - paralelno s njim ili okomito. U drugom slučaju uobičajeno je govoriti o poprečnoj polarizaciji čestice, u prvom - o uzdužnoj. Uz longitudinalnu polarizaciju razlikuju se i dva stanja: kada je spin usmjeren zajedno s impulsom i kada je usmjeren suprotno od njega. U prvom slučaju se kaže da čestica ima desnu polarizaciju, u drugom lijevu polarizaciju.

Dugo se vremena u fizici smatrao neospornim zakon održanja parnosti, koji kaže da se u prirodi mora poštovati stroga zrcalna simetrija i da čestice sa desnom polarizacijom moraju biti potpuno ekvivalentne česticama sa lijevom polarizacijom. Prema ovom zakonu, u bilo kojem snopu neutrina može se naći isti broj desno i lijevo polariziranih čestica.

Iznenađenju naučnika nije bilo granica kada se ispostavilo da se zakon pariteta za neutrine ne poštuje - desni neutrini i levoruki antineutrini ne postoje u prirodi. Svi neutrini imaju lijevu polarizaciju, a antineutrini desnu. Ovo je dokaz zadivljujuće činjenice da je slaba nuklearna interakcija, odgovorna za beta raspad, u kojoj se rađaju neutrini, kiralna - sa refleksijom u zrcalu, njeni zakoni se mijenjaju (o tome smo već posebno pisali).

Sa stanovišta fizike elementarnih čestica sredine dvadesetog veka, situacija sa strogom polarizacijom ukazivala je na to da je neutrino čestica bez mase, jer bi se inače moralo priznati da zakon održanja leptonskog naboja nije poštovan. Na osnovu toga, dugo se vjerovalo da neutrini zaista nemaju masu. Ali danas znamo da to nije tako.

Neuhvatljiva masa

Neutrini jure u ogromnom broju kroz debljinu Zemlje i direktno kroz naše tijelo. Oni se rađaju u termonuklearnim reakcijama na Suncu i drugim zvijezdama, u atmosferi, u nuklearnim reaktorima, čak iu nama samima, kao rezultat radioaktivnog raspada određenih izotopa. Reliktni neutrini rođeni nakon veliki prasak. Ali njihova izuzetno slaba interakcija s materijom znači da ih uopće ne primjećujemo.

Međutim, tokom godina proučavanja neutrina, fizičari su naučili da ih registruju pomoću pametnih metoda. I dok su posmatrali tok neutrina rođenih na Suncu, naučnici su otkrili čudnu činjenicu: otprilike tri puta manje ovih čestica stiže sa Sunca nego što teorija predviđa. Ovdje je potrebno pojasniti da je riječ upravo o jednoj vrsti neutrina – elektronskim neutrinima.

Da bismo objasnili ovu činjenicu, razne hipoteze o unutrašnja struktura Sunce, koje je u stanju da zadrži neutrine koji nedostaju, međutim, ovi pokušaji su bili neuspješni. Ostalo je samo jedno teorijsko objašnjenje za tu činjenicu: na putu od Sunca do Zemlje, čestice prelaze iz jedne vrste neutrina u drugu. Čestica rođena kao elektronski neutrino doživljava oscilacije duž svoje putanje, manifestujući se sa određenom periodičnošću kao mion ili tau neutrino. Dakle, ne samo elektronski neutrini, već i mionski i tau neutrini lete na Zemlju sa Sunca. Hipotezu o neutrinskim oscilacijama iznio je sovjetsko-italijanski fizičar Bruno Pontecorvo još 1957. godine. Takve transformacije neutrina iz jedne vrste u drugu sugerirale su jednu neophodno stanje– prisustvo mase neutrina. Svi eksperimenti provedeni s neutrinima pokazali su da je masa ove čestice zanemarljivo mala, ali nije dobiven strogi dokaz da je jednaka nuli. To znači da je mogućnost neutrinskih oscilacija zaista ostala.

Otkriće oscilacija

Potvrda postojanja neutrina oscilacija dobijena je posmatranjem solarnih i atmosferskih neutrina u eksperimentalnom postrojenju Superkamiokande u Japanu i u Sudbury Neutrino opservatoriju u Kanadi.

Japanci su izgradili impresivnu strukturu za registraciju neutrina - ogroman rezervoar (40 puta 40 metara) od nerđajućeg čelika, napunjen sa 50 hiljada tona čiste vode. Rezervoar je bio okružen sa više od 11 hiljada fotomultiplikatora, koje su trebale da snime najmanje bljeskove Čerenkovljevog zračenja nastalog kada su elektroni izbačeni iz atoma nekim neutrinom. S obzirom na to da neutrini izuzetno slabo stupaju u interakciju sa materijom, od milijardi čestica koje lete kroz rezervoar, samo nekoliko je registrovano. Uzimajući u obzir i činjenicu da istraživači moraju da izdvoje ove događaje iz velike pozadine (na kraju krajeva, još uvijek postoji mnogo potpuno različitih čestica koje lete kroz ogroman rezervoar), obavili su kolosalnu količinu posla.

Japanski detektor je bio u stanju da razlikuje elektronske i mionske neutrine po prirodi zračenja koje su izazvali. Osim toga, naučnici su znali da se većina mionskih neutrina stvara u atmosferi kada se čestice zraka sudare sa kosmičkim zracima. Zahvaljujući tome, otkrili su sljedeći obrazac: što su snopovi neutrina duži put, to je manje mionskih neutrina među njima. To je značilo da su se na tom putu neki od mionskih neutrina pretvorili u druge neutrine.

Konačan dokaz postojanja neutrina oscilacija dobijen je 1993. u eksperimentu u Sudburyju. U suštini, kanadska instalacija bila je slična japanskoj - ogroman i ništa manje impresivan rezervoar vode pod zemljom i mnogo detektora radijacije Čerenkova. Međutim, već je bila u stanju da razlikuje sva tri tipa neutrina: elektronski, mionski i tau neutrino. Kao rezultat toga, utvrđeno je da se ukupan broj neutrina koji dolaze sa Sunca ne mijenja i da se dobro slaže s teorijom, a nedostatak elektronskih neutrina je uzrokovan upravo njihovim oscilacijama. Štaviše, prema statističkim podacima, neutrini doživljavaju oscilacije u većoj mjeri pri prolasku kroz materiju nego kroz vakuum, jer je veći broj elektronskih neutrina stigao na detektor danju nego noću, kada su čestice rođene na Suncu morale savladati čitavu debljinu Zemlje.

Prema današnjem shvatanju, oscilacije neutrina su dokaz da ove čestice imaju masu, iako se tačna vrednost mase još uvek ne zna. Fizičari znaju samo njegovu gornju granicu - neutrino je najmanje hiljadu puta lakši od elektrona. Pronalaženje tačne mase neutrina je sljedeći veliki zadatak za fizičare koji rade u ovom smjeru, a moguće je da će za ovo postignuće biti dodijeljen sljedeći Nobel za neutrine.