ذرات نوتینو: تعریف، خواص، توضیحات. نوسانات نوترینو ...

نوتینو یک ذره ابتدایی است که بسیار شبیه به یک الکترون است اما دارای بار الکتریکی نیست. این یک توده بسیار کوچک است که حتی می تواند صفر باشد. سرعت نوترینو نیز به جرم بستگی دارد. تفاوت زمان رسیدن ذره و نور 0.0006٪ (± 0.0012٪) است. در سال 2011، در طول آزمایش OPERA، سرعت نوترینو سریعتر از نور بود، اما تجربه مستقل این را تایید نکرده است.

ذرات انحصاری

این یکی از شایع ترین ذرات در جهان است. از آنجایی که آن را با ماده بسیار کم تعامل می کند، تشخیص آن فوق العاده دشوار است. الکترون ها و نوترینو ها در تعاملات هسته ای قوی شرکت نمی کنند، بلکه به همان اندازه در ضعیف شرکت می کنند. ذراتی که دارای خواصی هستند، لپتون هستند. علاوه بر الکترون (و آنتی اکسیدان آن، پوزیترون)، لپتون های شارژ شامل یک میون (200 توده الکترون)، توو (3500 توده الکترون) و اجزای آن است. آنها نامیده می شوند: الکترون، مون و توو نوریینو. هر کدام از آنها یک مولکول ضد باکتریایی دارد که به نام antineutrino نامیده می شود.

موون و تاو، مانند یک الکترون، ذرات همراه آنها هستند. این یک مون و توتو نیوتینو است. سه نوع ذرات از یکدیگر متفاوتند. به عنوان مثال، هنگامی که نئوتین های مونیون با یک هدف ارتباط برقرار می کنند، آنها همیشه موون ها را تولید می کنند و هرگز تئو یا الکترون ها تولید نمی کنند. در تعامل ذرات، هرچند الکترونها و الکترون-نوتریو ها می توانند ایجاد و تخریب شوند، مبلغ آنها بدون تغییر باقی می ماند. این واقعیت منجر به جداسازی لپتون ها در سه نوع می شود، که هر کدام دارای لپتون و نیوتینو همراه است.

برای شناسایی این ذرات، آشکارسازهای بسیار بزرگ و بسیار حساس مورد نیاز است. به طور معمول، نوترینوهای با انرژی کم در طول چند سال نوری قبل از تعامل با ماده حرکت خواهند کرد. در نتیجه، تمام آزمایشات مبتنی بر زمین با آنها به اندازه گیری کسر کوچک آنها در ارتباط با ضبط کننده های اندازه مناسب متکی هستند. برای مثال، در ناحیه Sudbury نوتینو، حاوی 1000 تن آب سنگین، حدود 1012 نوتینوری خورشیدی در ثانیه از طریق آشکارساز عبور می کند. و تنها 30 در روز یافت می شود.

تاریخ کشف

ولفگانگ پائولی اولین کسی بود که وجود یک ذره در سال 1930 را مطرح کرد. در آن زمان یک مشکل بوجود آمد، زیرا به نظر می رسید که انرژی و حرکت زاویه ای در بتا ناپدید نشد. اما پائولی خاطرنشان کرد که اگر یک ذره نوترونی خنثی غیر متقابل ایجاد شود، قانون حفاظت از انرژی مشاهده خواهد شد. فیزیکدان ایتالیایی انریکو فارمی در سال 1934 تئوری پوسیدگی بتا را توسعه داد و ذرات را به نام آن نامید.

علیرغم همه پیش بینی ها، برای 20 سال نوترینوها به دلیل تجربیات ضعیف با ماده، نمی توانند به طور تجربی شناسایی شوند. از آنجایی که ذرات شارژ الکتریکی نیستند، نیروهای الکترومغناطیسی روی آنها عمل نمی کنند و در نتیجه آنها باعث یونیزاسیون ماده نمی شوند. علاوه بر این، آنها تنها با تعاملات ضعیف نیروی ناچیز، با ماده مواجه می شوند. بنابراین، آنها ذرات زیر اتمی نفوذپذیر هستند که قادر به عبور از تعداد زیادی اتم بدون ایجاد واکنش هستند. فقط 1 تا 10 میلیارد از این ذرات، که از ماده عبور می کنند در فاصله ای برابر قطر زمین، با یک پروتون یا نوترون واکنش می دهند.

در نهایت، در سال 1956، گروهی از فیزیکدانان آمریکایی که تحت رهبری فردریک ریئیس هستند، کشف الکترون-antineutrino را گزارش کردند. در آزمایشاتش، آنتی تئوریونهای ناشی از یک راکتور هسته ای با پروتون ها تعامل داشتند و نوترون ها و پوزیترون ها را تشکیل می دادند. نشانه های منحصر به فرد (و نادر) انرژی این محصولات جانبی به شواهدی از وجود ذره تبدیل شده اند.

کشف لپتونهای مونیخ باقیمانده به نقطه شروع برای شناسایی بعد از نوع دوم نوتینو-مونول تبدیل شد. شناسایی آنها در سال 1962 بر اساس نتایج یک آزمایش در یک شتاب دهنده ذرات انجام شد. نوتینوهای مونول با انرژی بالا از طریق فروپاشی pions تشکیل شده و به آشکارساز هدایت می شوند به طوری که واکنش های آنها با ماده می تواند مورد مطالعه قرار گیرد. اگر چه آنها واکنشی نیستند، مانند سایر انواع این ذرات، در مواردی که نوترون ها با پروتون ها یا نوترون ها واکنش دادند، متوجه شدیم که نوتین ها مون را تشکیل می دهند، اما هرگز الکترون ها نیستند. در سال 1998 فیزیکدانان آمریکایی لئون لدرمن، ملین شوارتز و جک استینبرگر جایزه نوبل فیزیک را برای شناسایی نوتینوهای مونیون دریافت کردند.

در اواسط دهه 1970، فیزیک نوریینو توسط نوع دیگری از لپتونهای متولد شد - تئو تکمیل شد. با توجه به این لپتون سوم، لامپ ناپایدار تئو و تئو آنتی تیروینوها در ارتباط بود. در سال 2000، فیزیکدانان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده به نام یو. انریکو فارمی اولین شواهد تجربی را برای وجود این نوع ذرات گزارش داد.

وزن

همه انواع نوتینوها توده ای دارند که بسیار کوچکتر از شرکای شان است. به عنوان مثال، آزمایشات نشان می دهد که جرم الکترون نوتینو باید کمتر از 0.002٪ از جرم الکترون باشد و مجموع توده های این سه گونه باید کمتر از 0.48 eV باشد. برای سالهای زیادی به نظر می رسید که جرم ذره صفر بود، گرچه شواهد نظری متقاعد کننده ای وجود نداشت که این امر باید چنین باشد. سپس، در سال 2002، در رصدخانه نورونی در سودبوری، اولین شواهد مستقیم دریافت شد که الکترون نوتینو از واکنش های هسته ای در هسته خورشید که از طریق آن عبور می کند، نوع خود را تغییر می دهد. چنین نوسانات نوترینو ممکن است اگر یک یا چند گونه ذرات دارای یک توده کوچک خاص باشند. مطالعات آنها بر روی تعاملات پرتوهای کیهانی در جو زمین نیز حضور توده را نشان می دهد، اما آزمایش های بیشتری لازم است تا دقیق تر آن را تعیین کنیم.

منابع

منابع طبیعی نوتینوها، تجزیه رادیواکتیو عناصر در رودههای زمین هستند که تحت آن جریان زیادی از الکترونهای کم انرژی-میناتورینو منتشر می شود. ابرنواخترها نیز عمدتا یک پدیده نوتینین هستند، زیرا تنها این ذرات می توانند مواد فوق سنگین تشکیل شده در ستاره فروپاشی را نفوذ کنند. فقط بخش کوچکی از انرژی به نور تبدیل می شود. محاسبات نشان می دهد که حدود 2 درصد از انرژی خورشید، انرژی نوترینوها در واکنش های همجوشی هسته ای است . احتمال دارد که بیشتر ماده تاریک جهان از نوترینوهای شکل گرفته در طی انفجار بزرگ تشکیل شده باشد.

مشکلات فیزیک

مناطق مرتبط با نوریینو و آستروفیزیک متنوع و به سرعت در حال تکامل هستند. مسائل جاری، شامل تعداد زیاد تلاشهای تجربی و نظری، به شرح زیر است:

• توده های نوترینو متفاوت چیست؟
• چگونه آنها بر کیهانشناسی انفجار بزرگ تاثیر می گذارند؟
• آیا آنها نوسان دارند؟
• آیا می توان یک نوترینو از یک نوع تا زمانی که آنها از طریق ماده و فضا عبور می کنند به یک دیگر تبدیل شوند؟
• آیا نوترینوها اساسا از ضد عناصر آن متفاوت هستند؟
• ستاره ها چگونه فرو می ریزند و ابرنواختر را تشکیل می دهند؟
• نقش نوریینو در کیهان شناسی چیست؟

یکی از مسائل دیرینه ای که علاقه خاصی به آن دارد، مسئله به اصطلاح نوترینوهای خورشیدی است. این نام به این واقعیت اشاره دارد که در طی چندین آزمایش زمین که در طول 30 سال گذشته انجام شد، ذرات کمتر از مقدار لازم برای تولید انرژی تابش شده توسط خورشید مشاهده شد. یکی از راه حل های احتمالی آن نوسان است، یعنی تبدیل نوترینوهای الکترونیکی به موئون یا توو در حین سفر به زمین. از آنجایی که اندازه گیری انرژی های کم انرژی یا تئو نوترینو ها بسیار دشوار است، این نوع تغییرات می تواند توضیح دهد چرا ما شمار صحیح ذرات روی زمین را مشاهده نمی کنیم.

جایزه چهارم نوبل

جایزه نوبل فیزیک برای سال 2015 به Takaaki Kadzite و آرتور مک دونالد برای کشف توده نوترینو اهدا شد. این چهارمین جایزه بود که مربوط به اندازه گیری های آزمایشی این ذرات بود. کسی ممکن است علاقه مند به سوال از اینکه چرا ما باید در مورد چیزهایی که به سختی با ماده عادی ارتباط برقرار می کنند نگران باشیم.

تنها واقعیتی که ما می توانیم این ذرات طولانی را تشخیص دهیم، نشانۀ بی رحمی انسان است. از آنجایی که قوانین مکانیک کوانتومی احتمالا هستند، ما میدانیم که علیرغم این که تقریبا تمام نوترینوها از طریق زمین عبور می کنند، برخی از آنها با آن ارتباط برقرار می کنند. آشکارساز یک اندازه کافی بزرگ می تواند آن را ثبت کند.

نخستین چنین دستگاهی در دهه شصت در یک معدن در داکوتای جنوبی ساخته شد. این معدن با 400 هزار لیتر مایع تمیزکننده پر شده است. به طور متوسط، یک ذره نوتینوها هر روز با اتم کلر ارتباط برقرار می کند و آن را تبدیل به آرگون می کند. باور نکردنی، ریموند دیویس، مسئول آشکارساز، راهی برای کشف این چند اتم آرگون پیدا کرد و چهار دهه بعد در سال 2002 برای این شگفتی تکنیکی شایسته، جایزه نوبل را دریافت کرد.

جدید نجوم

از آنجا که نوترینو ها به طرز بسیار ضعیف تعامل دارند، می توانند از فاصله زیادی فاصله یابند. آنها به ما فرصت می دهند تا به مکانهایی نگاه کنیم که در غیر این صورت ما هرگز شاهد آن خواهیم بود. Neutrinos، کشف شده توسط دیویس، به عنوان یک نتیجه از واکنش های هسته ای که در مرکز خورشید رخ داده بود، شکل گرفتند و می توانستند این مکان فوق العاده جسور و گرم را تنها به خاطر اینکه آنها به سختی با مواد دیگر ارتباط برقرار می کردند. حتی می توان یک پرواز نوریینو را از مرکز ستاره انفجاری در فاصله بیش از صد هزار سال نوری از زمین کشف کرد.

علاوه بر این، این ذرات باعث می شود که جهان در مقیاس بسیار کوچک خود، که بسیار کوچکتر از آن است که Collider بزرگ هادرون در ژنو می تواند ببیند و بوزون هیگز را کشف کند، را مشاهده می کند . به همین علت کمیته نوبل تصمیم به جایزه نوبل برای کشف نوع دیگری از نوتینو را به دست آورد.

کمبود اسرار آمیز

هنگامی که ری دوییس نوریینوزهای خورشیدی را مشاهده کرد، تنها یک سوم از تعداد مورد انتظار نوتینو را در بر داشت. اکثر فیزیکدانان معتقد بودند که علت این امر دانش بدی از اخترفیزیک خورشید است: شاید مدل های روده خورشید، تعداد نوتینوهای تولید شده در آن را دوباره بررسی کرد. با این وجود، برای سال های بسیاری، حتی پس از بهبود مدل های خورشیدی، کسری بودجه ادامه یافت. فیزیکدان ها به یک احتمال دیگر توجه کردند: این مشکل می تواند مربوط به اندیشه های ما در مورد این ذرات باشد. با توجه به نظریه ای که در آن زمان غالب بود، آنها توده ای نداشتند. اما بعضی فیزیکدانان ادعا می کردند که در واقع ذرات توده بی نهایت کمتری داشتند و این توده دلیل عدم وجود آنها بود.

ذرات سه ذره

با توجه به نظریه نوسانات نوترینو، سه نوع نوترینو در طبیعت وجود دارد. اگر ذره یک جرم داشته باشد، آنگاه می تواند از یک نوع به دیگری حرکت کند. سه نوع - الکترون، مون و تئو - می توانند با ماده به یک ذره باردار متناظر (الکترون، مون، یا تئو لپتون) ارتباط برقرار کنند. "نوسان" به علت مکانیک کوانتومی است. نوع نوتینو ثابت نیست. با گذشت زمان تغییر می کند نوترینو، که از آن به عنوان یک الگوریتم آغاز شد، می تواند به یک میون تبدیل شود، و سپس به عقب برگردد. بنابراین ذره ای که در هسته خورشید، در مسیر زمین قرار می گیرد، می تواند به صورت دوره ای به نئوتینو مونیون تبدیل شود و برعکس. از آنجایی که آشکارساز Davis می تواند تنها یک الکترون-نوتینین را شناسایی کند که بتواند به انتقال هسته کلر به آرگون منتهی شود، احتمالا نوریینولای گمشده به انواع دیگر تبدیل می شود. (همانطور که معلوم شد، نوترینوها در داخل خورشید نوسان می کنند و نه به سمت زمین).

آزمایش کانادا

تنها راه تأیید این، ایجاد یک آشکارساز برای تمام سه نوع نوترینو بود. از دهه 90 میلادی، آرتور مک دونالد از دانشگاه سلطنتی انتاریو تیمی را هدایت کرد که در ماین در سودبری، انتاریو انجام شد. نصب و راه اندازی شامل تن از آب سنگین ارائه شده توسط دولت کانادا. آب سنگین یک شکل نادر اما طبیعی است که در آن هیدروژن حاوی یک پروتون با دوتریم ایزوتوپ سنگین آن که شامل پروتون و نوترون است جایگزین می شود. دولت کانادا آب سنگین را ذخیره کرده است، زیرا از آن به عنوان یک خنک کننده در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. هر سه نوع نوترینو می تواند از طریق تشکیل پروتون و نوترون، دتریم را از بین ببرد و سپس نوترون ها شمارش شوند. آشکارساز حدود سه برابر تعداد ذرات در مقایسه با دیویس ثبت شده است - دقیقا همان مقدار پیش بینی شده توسط بهترین مدل های خورشید است. این به ما اجازه داد تا فرض کنیم که نوترینو الکترون می تواند به انواع دیگر نوسان کند.

آزمایش ژاپنی

تقریبا در همان زمان، Takaaki Kajita از دانشگاه توکیو یک تجربه قابل توجه دیگر را انجام داد. یک آشکارساز نصب شده در یک معدن در ژاپن نوترینوها را ثبت کرده که از عمق خورشید نیست، بلکه از لایه های بالای اتمسفر است. در برخورد پروتونهای پرتوهای کیهانی با اتمسفر، ذرات دیگر ذرات، از جمله نولینونی های مونی، شکل می گیرند. در معدن، هسته هیدروژن را به میون تبدیل کردند. آشکارساز Kajita می تواند ذرات در دو جهت مشاهده شود. بعضی ها از بالا بالا می آیند، از جو می آیند، در حالی که دیگران از زیر در می آیند. تعداد ذرات متفاوت بود، که طبیعت متفاوتی را نشان داد - در نقاط مختلف چرخه نوسان آنها قرار داشت.

کودتا در علم

این همه عجیب و غریب و شگفت انگیز است، اما چرا که نوسانات و توده های نوتینو به خود توجه زیادی می کنند؟ دلیل ساده است. در مدل استاندارد فیزیک ذرات اولیه که طی پنجاه قرن بیستم توسعه یافته است، که به درستی همه مشاهدات دیگر در شتاب دهنده ها و آزمایش های دیگر را شرح داد، نوترینوها باید بی معنی باشند. کشف توده نوترینو نشان می دهد که چیزی از دست رفته است. مدل استاندارد کامل نیست. عناصر گم شده هنوز باید کشف شوند - با کمک Collider بزرگ هادرون یا دستگاه دیگری که هنوز ایجاد نشده است.