Нейтрино что это простыми словами
Странная частица.Что такое нейтрино?
Нейтрино — это неуловимые субатомные частицы. Они возникают в ходе самых разнообразных ядерных процессов. Их название, которое означает «маленький нейтрон», отсылает нас к факту, что они не имеют никакого электрического заряда. Из четырех существующих фундаментальных сил во Вселенной эти частицы взаимодействуют только с двумя. Это гравитационное и слабое взаимодействия. Интересно, но эти частицы не имеют почти никакой массы. Они несутся сквозь космос почти со скоростью света.
Бесчисленное множество этих загадочных частиц возникло в первые доли секунды после Большого Взрыва. А новые создаются постоянно и сейчас. Они рождаются в ядерных котлах звезд, в ускорителях частиц и атомных реакторах на Земле. Колоссальное их количество выбрасывается в пространство в ходе взрывного коллапса сверхновых. Считается, что нейтрино во Вселенной в среднем в 1 миллиард раз больше, чем протонов.
Несмотря на свою вездесущность, эти частицы остаются загадкой для физиков. Так происходит потому, потому что их очень трудно поймать. Нейтрино проходят сквозь материю так, как будто она практически прозрачна для них. Но взаимодействие этих частиц с веществом все же происходит. Но крайне и крайне редко. Около 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела прямо сейчас. Вы что-нибудь чувствуете? И это является одной из самых интересных тайн современной физики.
Поймать невидимку
Гипотеза о существовании нейтрино впервые предложили в качестве ответа на одну научную загадку. В конце XIX века исследователи изучали процесс, известный как бета-распад. В ходе этого процесса ядро внутри атома самопроизвольно испускает электрон. Бета-распад, казалось, нарушал два фундаментальных физических закона: сохранения энергии и сохранения импульса. Конечная конфигурация частиц после бета-распада, как казалось, имела слишком мало энергии. И протон входе эксперимента стоял неподвижно. А не смещался в противоположном от электрона направлении. Что бы объяснить наблюдаемые эффекты, в 1930 году физик Вольфганг Паули задумался о том, что из ядра может вылетать дополнительная частица. Именно она и могла уносить недостающие энергию и импульс.
Прошло более четверти века. Физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс построили нейтринный детектор. Они разместили его за пределами ядерного реактора атомной электростанции Саванна-Ривер в Южной Каролине, США. В ходе проводимого эксперимента ученым удалось поймать несколько из сотен триллионов невидимок, которые летели из реактора. Коуэн и Рейнс с гордостью отправили Паули телеграмму, чтобы сообщить ему о своем открытии. Рейнс впоследствии получил Нобелевскую премию по физике. Это случилось в 1995 году.
И с тех пор нейтрино постоянно бросали вызов ученым.
Разные нейтрино
Наше Солнце производит колоссальное количество нейтрино. Эти частицы непрерывно бомбардируют нашу планету. В середине 20-го века исследователи построили детекторы для поиска этих частиц. Но их эксперименты показывали несоответствие прогнозам. Было обнаружено только около трети предсказанного количество нейтрино. Либо что-то было не так с астрономическими моделями Солнца, либо происходило что-то странное.
Физики в конце концов поняли, что загадочные частицы, вероятно, бывают трех разных типов. Обычное нейтрино называется электронным нейтрино. Но существуют и два других: мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Когда они проходят расстояние между Солнцем и нашей планетой, частицы колеблются между этими тремя типами. Поэтому в тех ранних экспериментах — которые были предназначены только для поиска одного типа — не хватало двух третей от их общего числа.
Но только частицы, имеющие массу, могут подвергаться подобному колебанию. Это противоречило более ранним представлениям о том, что нейтрино не имеют массу. Хотя ученые до сих пор не знают точных масс всех трех типов частиц, эксперименты определили, что самая тяжелая из них должна иметь массу по крайней мере в 0,0000059 раза меньше массы электрона.
Новые типы нейтрино?
В 2011 году исследователи из проекта Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparature (OPERA) в Италии сотворили всемирную сенсацию. Они объявили, что обнаружили нейтрино, движущиеся быстрее скорости света. Что в корне противоречит постулатам современной физики. Несмотря на широкое освещение этих результатов в средствах массовой информации, они были встречены научным сообществом с большим скептицизмом. Менее чем через год физики поняли, что это неисправная проводка имитировала полученные сверхсветовые скорости. И нейтрино вернулись в область законопослушных частиц.
Ученым, конечно, еще многое предстоит узнать об этих странных частицах. Недавно исследователи из эксперимента Mini Booster Neutrino (MiniBooNE) в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго предоставили убедительные доказательства того, что они обнаружили новый тип нейтрино. Они назвали его «стерильным». Такая находка подтверждает более раннюю аномалию, наблюдавшуюся в нейтринном детекторе жидких сцинтилляторов (LSND), эксперименте в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в Нью-Мексико. Стерильные нейтрино перевернули бы всю известную физику. Потому что они не вписываются в то, что известно как стандартная модель. Она объясняет свойства почти всех известных частиц и сил, кроме гравитации.
В мире физики ничего не застыло и не стоит на месте. Иногда кажется, что со времен Эйнштейна не было придумано ничего нового. Но это не так. Наука постоянно двигается вперед. Кто знает, может быть именно нейтрино и их загадочные свойства помогут нам когда-нибудь достичь звезд…
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Всё о нейтрино
Эта реакция имеет энергетический порог 814 кэВ, поэтому регистрируются только нейтрино с относительно высокими энергиями.
Считается, что величина нейтринного потока определяется по количеству образовавшегося аргона. Но это не верно, так как таким способом регистрируются нейтрино одной строго определённой частоты. При других реакциях бета-распада нейтрино будут других частот, масс, энергий.
Например, современный метод регистрации нейтрино меньших энергий основан на использовании галлия в качестве детектирующего материала:
Энергетический порог в данном случае составляет 233 кэВ. Однако это довольно дорогостоящий эксперимент.
Протон, электрон, фотон и нейтрино считаются стабильными частицами.
Итак, нейтрино попавшее в сечение ядра хлора или галлия взаимодействует с одним нейтроном. Этот процесс называется бета-распадом.
Нейтрон состоит из протона и электрона. Протон в составе нейтрона поглощает нейтрино и отпускает электрон
.
Электрон вылетает из ядра хлора. Но так как вместо нейтрона остаётся положительно заряженный протон (в составе которого находится поглощённое нейтрино), то хлор превращается в следующий элемент аргон, аналогично галлий превращается в германий. Электроны хорошо поддаются регистрации.
Нейтринные телескопы с разными детекторами (хлор, галлий) показывают, что при бета-распаде ядер разных химических элементов излучаются нейтрино разных частот (энергий, масс). То есть нейтрино также как и фотоны имеют свою шкалу диапазонов частот нейтрального излучения. Скорость движения нейтрального излучения неизвестна, но она постоянная. Предположительно скорость нейтрино много больше скорости света. Прямая регистрация нейтрального излучения невозможна, только косвенная. Распад нейтрона (бета-распад) в ядре химического элемента, регистрируемый в нейтринных телескопах, происходит только при поглощении нейтрино строго определённой частоты (энергии, массы). И, наоборот, образование (синтез) ядер химических элементов, в том числе нейтронов в составе ядер происходит с излучением нейтрино (реакции термоядерного синтеза).
Так как нейтрино могут образоваться только при синтезе химических элементов, то в лабораторных условиях нейтрино не получить. Синтез химических элементов происходит в недрах звёзд и при взрыве водородной бомбы.
А теперь о противоречиях в ”современной“ фундаментальной науке.
В природе существует закон.
Если частицы микромира соединяются, то излучается обменная частица (фотон или нейтрино). И наоборот. Если частицы микромира разъединяются, то это может произойти только лишь при поглощении строго по параметрам такой же обменной частицы.
Эффект излучения или поглощения обменной частицы называют дефект массы или энергией связи.
Но в ”современной“ физике такого закона почему-то нет и Вы его не изучаете?.
Рассмотрим этот вопрос. Почему?
В недрах Солнца происходит термоядерный синтез химических веществ.
Например, из 4 атомов водорода получается один атом гелия.
4 атома водорода представляют собой 4 протона и 4 электрона.
1 атом гелия представляет собой 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона.
В свою очередь нейтрон состоит из протона и электрона.
Благодаря закону Авогадро стало возможным рассчитать массу газов.
Расчеты сразу показали, что масса атома гелия меньше, чем масса 4 атомов водорода, из которых образуется атом гелия.
”Учёные“ стали производить расчёт дефекта массы. И, тут сразу не знаю как и назвать, вероятно, жульничество. Сначала говорят, что гелий образуется из 4 атомов водорода, а это 4 протона и 4 электрона. А, когда говорят произведём расчёт, то уже говорят: возьмём 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. А это очень разные расчёты. Ведь нейтрон сложная частица и наша задача узнать, где находится нейтрино – в протоне или в нейтроне.
В первом случае нейтрино окажутся в составе протонов.
Во втором случае нейтрино окажутся в нейтроне.
Как такое жульничество смогло остаться в физике столько лет?
Хотя и так ясно, что при термоядерном синтезе нейтрино излучается. А распад возможен только при поглощении нейтрино. Но в ”современной“ физике всё запутывают.
Таким образом, вот ошибочная (жульническая) формула бета-распада нейтрона
.
Вот правильная формула бета-распада нейтрона
.
Эту правильную формулу подтверждают и нейтринные телескопы. Или, что их зря строят?
Как можно объяснить эффект, что покинувший ядро химического элемента нейтрон распадётся, где-то в промежутке времени от 0 до 15 минут?
Нейтрон довольно устойчивая конструкция и распадается только при встрече (поглощении) с нейтрино определённой частоты (массы, энергии). Такое нейтрино обязательно появится в данном сечении взаимодействия в течение 15 мин. Этот факт характеризует среду пространства о наличии в ней нейтрино определённых частот (масс, энергий) и подтверждает факт поглощения нейтрино.
Соответственно, распад произойдёт только после поглощения нейтрино
.
Ни массу нейтрона, ни массу нейтрино через число Авогадро не определить. Они с числом Авогадро никак не связаны. Связь с числом Авогадро имеют только химические элементы.
Таким образом, найдена ошибка в модели распада нейтрона, масса нейтрона приведённая в справочнике ошибочная. Теперь ничто не мешает закону взаимодействия частиц в микромире занять своё законное место по важности вслед за законом сохранения массы и энергии.
Вот подробно со всеми расчётами статьи
Бета-распад
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/beta-rapad.shtml
Дефект массы – энергия связи
Вам стали ясны ответы на поставленные нами же вопросы?
1. Можно ли получить нейтрино в лабораторных условиях?
2. Можно ли сформировать пучок нейтрино?
3. Можно ли пометить нейтрино?
4. Можно ли идентифицировать регистрируемые нейтрино?
5. Можно ли замерить скорость нейтрино?
Ведь ответы на все поставленные нами же вопросы отрицательные.
Как видим к нейтрино описываемое ”учёными“ никакого отношения не имеет.
Что за частицы получали в лаборатории ”учёные“, из чего формировали пучок, что метили, что регистрировали и идентифицировали? У чего замеряли скорость?
На кого рассчитаны эти сенсационные статьи?
Подумайте и задайтесь вопросом за кого Вас принимают?
Статью с формулами можно прочитать в РАЗДЕЛЕ РЕЦЕНЗИИ
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/wseonejtrino.shtml
Доклад на Ютубе
http://www.youtube.com/watch?v=eP1iYV96Sr8
Используемые источники:
1. Николаев С.А. “Эволюционный круговорот материи во Вселенной”. 6-ое издание,
СПб, 2010 г., 320 с.
Почему так тяжело изучать нейтрино и что эта частица расскажет об истории Вселенной
Нейтрино является одной из самых распространенных частиц во Вселенной, при этом ее невероятно сложно обнаружить. Изучать нейтрино важно, потому что они содержат в себе информацию о явлениях и процессах, которые их порождают: это значит, что с помощью частицы можно узнать о происхождении Вселенной. Рассказываем обо всех тайнах, которые хранят в себе нейтрино.
Читайте «Хайтек» в
Что такое нейтрино?
Нейтрино — это сверхлегкие частицы, образующиеся в процессе ядерных реакций. Большинство из тех, что были обнаружены на Земле, исходят от Солнца, которое превращает водород в гелий. Но в 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые «нейтрино CNO». И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
До недавнего времени было вообще непонятно, есть ли у нее масса. В последние годы стало ясно, что есть, но очень маленькая. Ее точное значение неизвестно по сию пору, а имеющиеся оценки в общем сводятся к тому, что нейтрино примерно на 10 порядков легче протона. Примерно так же соотносится вес кузнечика (около 1 грамма) с водоизмещением современного атомного авианосца George Bush (около 100 тыс. тонн).
Частица не имеет или почти не имеет электрического заряда — эксперименты пока не дали однозначного ответа, а из всех фундаментальных физических взаимодействий достоверно участвует только в слабом и гравитационном.
Нейтрино подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они обычно перечисляются именно в таком порядке, и это не случайно: так отображается последовательность их открытия. Кроме этого, есть еще антинейтрино — это античастицы трех разных типов, соответствующих «обычным». Нейтрино разных поколений могут самопроизвольно превращаться друг в друга. Ученые называют это нейтринными осцилляциями, за их открытие присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года.
Нейтрино — результат ядерных (и термоядерных, мы далее не будем выделять их отдельно) реакций. Их, неуловимых, очень много. По подсчетам физиков-теоретиков, на каждый нуклон (то есть протон или нейтрон) во Вселенной приходится около 10 9 нейтрино. Тем не менее, мы совершенно его не замечаем: частицы проходят сквозь нас.
Как ученые ищут нейтрино?
Современные детекторы регистрируют не сами нейтрино — это пока невозможно. Объектом регистрации оказываются результаты взаимодействия частицы с веществом, заполняющим детектор. Его выбирают так, чтобы с ним реагировали нейтрино определенных, интересующих разработчиков, энергий. Поскольку энергия нейтрино зависит от механизма их образования, можно считать, что детектор рассчитан на частицы определенного происхождения.
Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник — Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 млрд солнечных нейтрино в секунду.
На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию).
После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).
Общей особенностью всех современных нейтринных телескопов являются меры, направленные на экранирование аппаратуры от всех посторонних частиц. Нейтрино, хотя их в природе очень много, засекаются детекторами очень редко. Любой посторонний шум от космических или земных частиц наверняка их заглушит.
Поэтому стандартное размещение нейтринной обсерватории — в шахте или, в некоторых случаях, под водой, чтобы вышележащая толща блокировала ненужное излучение. Эта толща тоже тщательно подбирается — горные породы, например, должны быть как можно менее радиоактивными. Граниты нам не подойдут, глины тоже. Хорошее место для детектора — шахта в толще чистого известняка.
Лучшее направление для работы нейтринной обсерватории — прием частиц, пришедших снизу, сквозь нашу планету. Для нейтрино она прозрачна, для всего остального — нет.
Современные детекторы определяют нейтринное событие по «разрушительному эффекту». Когда неуловимая частица все-таки взаимодействует с веществом детектора, она вызывает разрушение первоначального атомного ядра с образованием каких-то иных частиц. Их-то затем и обнаруживают в детекторе.
Чтобы вызвать такую реакцию, нейтрино должно иметь собственную энергию не ниже определенного, нужного для данного детектора, уровня. Поэтому современная техника всегда имеет ограничение снизу — регистрирует нейтрино, имеющие энергию выше определенного уровня. В таком порядке мы их и рассмотрим.
Зачем мы вообще изучаем нейтрино?
Нейтрино рассказывают нам чрезвычайно много о том, как Вселенная создается и удерживается от распада. Нет другого способа ответить на многие вопросы.
Натаниэль Боуден, ученый из Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса
Эксперты сравнили поиск этих частиц с работой археологов, восстанавливающих доисторические артефакты с целью понять, какой жизнь была тогда. Лучшее понимание нейтрино может раскрыть тайны других элементов астрономии и физики: от темной материи до расширения Вселенной.
Эксперимент COHERENT Окриджской национальной лаборатории состоял из пяти детекторов частиц, предназначенных для непосредственного наблюдения высокоспецифического взаимодействия между нейтрино и ядрами атомов. В прошлом году эти ученые опубликовали исследование в Science о взаимодействии между двумя нейтрино, которое было выдвинуто в качестве гипотезы десятилетиями ранее, но никогда прежде не наблюдались.
Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий.
Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.
Изучение испускаемых Землей нейтрино может помочь нам хотя бы понять, сколько в земном веществе радиоактивных элементов и где они в основном находятся. По части последнего существуют разные версии, начиная от того, что уран с торием — атрибут нижней части земной коры, и кончая тем, что источники радиации в ходе формирования планеты «утонули» к ее центру, и там существует нечто вроде ядерного реактора, причем периодически действующего.
Накопившиеся продукты распада, когда их становится достаточно много, останавливают цепную реакцию. Потом в раскаленной среде они потихоньку диффундируют наверх (они легче), освобождая место для новых порций делящегося материала, после чего процесс запускается снова. Если это так, то подобная цикличность могла бы помочь в объяснении перемен магнитной полярности Земли и, надо думать, во многом другом.
Интересен также вопрос о доле ядерных реакций в общем тепловыделении Земли. Напомним, что земные недра суммарно выдают порядка 47 ТВт тепла в год, но ученые до сих пор смутно представляют себе, какая часть этой энергии приходится на радиогенное тепло, а какая — на остаточное тепло, выделившееся когда-то при гравитационной дифференциации земного вещества.
Чем это интересно для обычного человека?
Технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что любое вложение в эту сферу окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера.
Эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.
Как мы продвинулись в изучении нейтрино?
Накануне стало известно, что Японские ученые из Университета Цукубы и Токийского университета разработали космологическую модель, которая точно отражает роль нейтрино в эволюции Вселенной.
В результате выяснилось, что в областях, где много нейтрино, обычно присутствуют массивные скопления галактик. Еще один важный вывод: нейтрино подавляет кластеризацию темной материи и галактик, а также изменяет температуру в зависимости от собственной массы.
Также стало известно, что Borexino, огромный подземный детектор частиц в Италии, уловил невиданный ранее тип нейтрино, исходящий от Солнца. Эти нейтрино подтверждают гипотезу 90-летней давности и дополняют наше представление о циклах синтеза Солнца и других звезд. В 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые нейтрино CNO. И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
Реакция CNO выделяет лишь крошечную часть от общего количества солнечной энергии, но у более массивных звезд она считается основной движущей силой термоядерного синтеза. Экспериментальное обнаружение нейтрино CNO означает, что ученые наконец получили связь между последними частями головоломки и могут расшифровать весь цикл солнечного термоядерного синтеза.
Подтверждение того, что CNO осуществляется в процессе термоядерной активности нашей звезды, где подобные реакции занимают не более 1%, укрепляет нашу уверенность в том, что мы точно понимаем, как работают звезды.
Франк Калаприс, главный исследователь Borexinо
Детекторы нейтрино предназначены для отслеживания тех редких случаев, когда эти «призрачные частицы» случайно сталкиваются с другими атомами. Обычно в таких устройствах используются огромные объемы детекторной жидкости или газа, которые испускают вспышку света при «ударе» нейтрино. Подобные эксперименты обычно проводятся внутри камеры глубоко под землей, вдали от помех и воздействия других космических лучей.
Команда потратила годы, регулируя температуру инструмента, чтобы замедлить движение жидкости внутри детектора, и сосредоточилась на сигналах, исходящих из центральной области контейнера. В феврале 2020 года команда наконец-то уловила искомый сигнал и потратила почти год на его расшифровку и на то, чтобы удостовериться в отсутствии ошибок.
Эти данные могут не только улучшить наше понимание цикла слияния звезд, но и помочь ученым выяснить, насколько «металлическими» являются Солнце и другие звезды.
Нейтрино: крошечная частица, покорившая Вселенную.
Сейчас мы стоим на пороге новой эпохи в космологии – эпохи нейтрино. За открытия в сфере взаимодействия этих частиц присуждают Нобелевскую премию, а область знаний о них даже планируется выделить в отдельный раздел науки о небесных телах – нейтринную астрофизику. Но что же это, в конце концов, такое, и чем так революционны исследования этих частиц?
Ситуацию спас молодой швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, который, к слову, приходился учеником Нильсу Бору. Рассерженный на своего учителя и его коллег, так легко сдающих позиции перед вызовами науки, он осмелился постулировать наличие в таких реакциях «неуловимой» частицы, которая, по его словам, должна была уносить часть энергии с собой и уравновешивать соотношения импульсов и энергий частиц до и после взаимодействия. Таким образом молодой ученый лишь пытался отвести гениальные умы от мысли про отказ от законов физики – на деле, его догадки на тот момент ничем не подкреплялись. Каково же было удивление Паули, когда через 23 года его предположения таки нашли свое экспериментальное подтверждение в лаборатории итальянского физика-ядерщика Энрико Ферми! «Пойманную» частицу окрестили нейтрино, в переводе – нейтрончик, «нейтральненький». (В. Паули, выдвигая в 1930 г. свою гипотезу, предлагал называть эту частицу нейтроном, т. к. она электрически нейтральна, но этим термином в 1932 г. уже была названа частица, входящая в состав ядра атома, открытая Джеймсом Чедвиком.)
“I have done a terrible thing, I have postulated a particle that cannot be detected”
Тут, пожалуй, следует сделать паузу и разъяснить, как именно «срабатывает» нейтрино в процессах бета-распада и не только, и какие уникальные физические свойства делают эту частицу по-настоящему «призрачной».
Согласно Стандартной модели (теоретическая конструкция в физике, описывающая все элементарные частицы) не все элементарные частицы являются фундаментальными – то есть такими, что составляют первоначальное звено в построении атома молекулы вещества. Так, если взять нуклоны – протон и нейтрон – то они состоят из кварков, которые, в свою очередь, поделить на меньшие составляющие уже невозможно. И таких разновидностей бесструктурных или «точечных» частиц три: помимо упомянутых кварков к ним также относятся лептоны и калибровочные бозоны (хотя последние, скорее, выступают лишь посредниками при взаимодействии предыдущих двух видов). Основная разница между упомянутыми частицами состоит в том, в каких видах фундаментальных взаимодействий (всего существует четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое; далее – ВФВ) они могут участвовать: лептоны, в отличие от кварков, не вступают в сильное взаимодействие (cильное взаимодействие удерживает ядро атома и не дает нуклонам, составляющим его, разлететься) а калибровочные бозоны делятся на подвиды, каждый из которых является «переносчиком» конкретного ВФВ. Так вот к чему мы ведем: нейтрино относится к классу лептонов, но немного отличается от своих собратьев. Дело в том, что все его «лептонные родственники», наиболее известным из которых для нас является электрон, обладают электрическим зарядом, который позволяет им вступать в электромагнитное взаимодействие. Нейтрино же электрически нейтрально, а, следовательно, из четырех ВФВ для него остаются лишь гравитационное и слабое; но основным и единственным, в котором его можно заметить, является именно слабое взаимодействие.
Таким образом, единственный способ обнаружить нейтрино – это «поймать» его в момент взаимодействия с другой частицей, когда и происходит такое превращение. Но все не так просто, как кажется. Помимо всего прочего, нейтрино практически не контактирует с материей. Эти частицы беспрепятственно пронзают насквозь Солнце, нашу планету, нас! В этом «неуловимой» частице помогает и ее чрезвычайно маленькая масса: приближаясь к массивным телам, ее скорость ни на йоту не уменьшается, и она преодолевает гигантские небесные объекты легче, чем луч света преодолевает стекло. Оглянитесь вокруг: все, что вас окружает сейчас, в эту секунду пропускает через себя сотни триллионов нейтрино, и вы в том числе. Но узнать об этом вы сможете только лишь прочитав подобную статью: почувствовать нейтринные потоки невозможно. Это то, что называется интенсивностью взаимодействия: чем больше длина свободного пробега частицы (то есть расстояния, которое частица может преодолеть без смещений, столкновений и т.д.), тем слабее ее взаимодействие с веществом. У нейтрино это расстояние измеряется в астрономических единицах (среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за единицу измерения).
А это значит, что, чтобы поймать частицу-призрак, иногда нужно ждать невероятно долго, пока одна из триллиарда их не удосужится задеть один из атомов какой-нибудь молекулы. Поэтому астрофизики идут на все, чтобы не только не упустить этот шанс, но и увеличить вероятность его наступления. Так, чтобы отсеять другие фоновые процессы и не перепутать, к примеру, частицу из космического луча с нейтрино, установки по регистрации последних размещают глубоко под землей (японский детектор Super-Kamiokande – 1 км от поверхности; канадский детектор SNO –– 2 км) или и того лучше – в толщи льда Антарктиды (детектор Ice Cube). Все эти детекторы работают по принципу фиксирования сверхчувствительными фотоумножителями момент взаимодействия нейтрино с частицами атома молекулы воды, когда в результате образуется сверхбыстрая заряженная частица, провоцирующая в дальнейшем черенковское излучение (правильнее даже будет – излучение Вавилова-Черенкова: свечение в прозрачной среде, вызванное заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей скорость света в этой среде).
Но вы спросите: а для чего это все? Ведь экспериментально наличие этой частицы уже было доказано Ферми, да и ее роль в процессах ядерного распада тоже известна. Для чего же все эти тысячи фотоумножителей, десятки тысяч тонн воды и километры выкопанной земли (и даже льда)? А дело в том, что, как очень точно некогда высказался советский физик-теоретик М.Марков:
«Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными «целями»»
Сказана эта фраза была еще в конце ХХ ст., сейчас же мы знакомы с нейтрино гораздо ближе, и уже можем кое-что констатировать.
Вспомните только последнюю Нобелевскую премию по физике – она была вручена за нейтринные осцилляции. Этим страшным словосочетанием называется, по сути, превращение одного вида нейтрино в другой. Помните, мы говорили о лептонах? Так вот кроме электрона к ним также относятся мюон и тау-лептон (не заморачивайтесь с названиями: они отличаются лишь массой и реакциями, в которых задействованы). Каждому из этих разновидностей лептонов соответствует отдельный вид нейтрино: электронный, мюонный и тау-нейтрино (существует также гипотеза о существовании четвертого вида – стерильного нейтрино, который вообще не взаимодействует с веществом). Отличаются они, соответственно, тем, какую частицу порождают в результате взаимодействия с атомом. Вот в приведенном выше примере с реакцией взаимодействия нейтрино с нейтроном в результате испустился электрон – следовательно, это был след электронного нейтрино. При этом лауретами было обнаружено, что виды нейтрино взаимодействуют и друг с другом, имея возможность превращаться в «своего товарища». То есть электронное нейтрино становится мюонным, а то, в свою очередь, может обернуться на тау-нейтрино. Это многое объясняет, так как до этого все нейтринные детекторы регистрировали только 1/3 от предполагаемого количества частиц. Как выяснилось, проблема заключалась в том, что отлавливали они лишь электронные нейтрино, не зная, что 2/3 их на пути из космоса до Земли изменяют свою «специализацию».
Но почему же это открытие настолько важно, что заслуживает Нобелевской премии? Да потому, что долгое время нейтрино считалось безмассовой частицей, а открытие процессов осцилляции является беспрекословным доказательством обратного: виды могут взаимопревращаться только если они имеют массу, причем такую, что электронное нейтрино будет легче, чем последнее в цепочке превращений – тау-нейтрино. Доказательство же существования у нейтрино массы открывает перед нами целые горизонты в исследовании роли этой частицы во Вселенной.
И вот почему. Нейтрино, несмотря на всю непримечательность своих физических характеристик, является самой распространенной частицей во Вселенной. Их настолько много, что на все остальное «не нейтринное» вещество приходится всего около 3-10% Вселенной! То есть, как выражаются многие астрофизики, мы, считайте, живем в нейтринной Вселенной! Однако будь эти частицы безмассовыми, подобного рода информация не принесла бы нам много пользы – разве что для общего развития. Но так как мы уже убедились в обратном, мы можем даже утверждать, что именно сила тяготения нейтрино определяет процесс ускоренного расширения Вселенной – ведь доминируя в количестве и, как следствие, в массе, нейтрино преобладает и в гравитационном действии. Вполне взможно, что именно охлаждение нейтринных сгустков и «разбрасывание» их по космическому пространству может «раздувать» нашу Вселенную. Энергии для этого им вполне хватает, ведь они забирают ее у самих звезд.
По данным ученых Вселенная прекратит процесс расширения, как только достигнет критической плотности. Ранее считалось, что до нее еще довольно далеко (примерно 100 раз по возрасту современной Вселенной), но учитывая нововыявленные обстоятельства – наличие массы у частиц, плотность которых во Вселенной в 30 раз больше плотности другого вещества, – этот момент гораздо ближе, чем нам кажется. В этом случает сила тяготения нейтрино уже будет служить «тормозом» в расширении.
Также, это открытие проливает свет и на многие процессы, происходящие в период Большого Взрыва. Долгое время было неясно, каким же именно образом распределялась материя, составляющая теперь все небесные тела. Вначале она представляла собой однородное раскаленное вещество – плазму. Но что заставило ее так «раскучкуваться» в местах, где в дальнейшем были образованы галактики? И ответ снова – нейтрино. Дело в том, что уже по истечению 1 секунды после Большого Взрыва плазма перестала быть для этих частиц препятствием – они вышли за ее пределы, перестав участвовать во внутреплазменных реакциях. Тогда эти частицы, полные энергии, двигались со скоростью света и, взаимопревращаясь, с легкостью влетали и вылетали из «нейтринных облаков». Но со временем (приблизительно 300 лет) нейтрино растратили свою энергию, и их скорость уже не позволяла им так просто покидать «нейтринные сгустки». Так образовались плотнейшие скопления нейтрино. К этому времени плазма уже приостыла и стала менее плотной. Тут и сработала сила тяготения скоплений нейтрино, которая и «расшматовала» однородное вещество. Таким образом скопления вещества распределились по «нейтринным облакам», в дальнейшем превратясь в целые системы из небесных тел. Так в космическом пространстве появились галактики, размещенные в «нейтринных ячейках».
Все это делает так званую «частицу-фантом» невероятно интересной и важной для изучения. Если нам таки удастся с ней «подружиться», мы сможем намного ближе познакомиться с космосом и процессами, протекающими в его глубинах. Ведь в отличие от электромагнитных волн, излучений и т.п. нейтрино поступают к нам из самого центра событий – сердцевины звезд, например, таких, как Солнце, где участвуют в термоядерных реакциях. Беспрепятственно преодолевая огромнейшие дистанции длинной в световые года, они могут доставлять нам ценную информацию о всех этих процессах из самых дальних закоулков космоса.
Вот такие они, эти нейтрино. Настолько же интересные, насколько и полезные.