تذبذبات النيوترينو للدمى

سمع جميع المهوسون تقريبًا عن تذبذبات النيوترينو. تمت كتابة الكثير من المؤلفات المهنية ومجموعة من المقالات الشائعة حول هذه الظاهرة ، ولكن مؤلفي الكتب الدراسية فقط يعتقدون أن القارئ يفهم نظرية المجال ، وحتى الكم ، وعادة ما يقتصر مؤلفو المقالات الشائعة على العبارات في الأسلوب: "الجسيمات تطير ، تطير ، ثم BAC وتتحول إلى أخرى ، "بكتلة مختلفة (!!!). سنحاول معرفة من أين يأتي هذا التأثير المثير للاهتمام وكيف يتم ملاحظته بمساعدة المنشآت الضخمة. وفي نفس الوقت سنتعلم كيفية إيجاد واستخراج عدة ذرات ضرورية من 600 طن من المادة.

نيوترينو آخر

في مقال سابق ، تحدثت عن كيف ظهرت فكرة وجود النيوترينو في عام 1932 وكيف تم اكتشاف هذا الجسيم بعد 25 سنة. اسمحوا لي أن أذكركم ، سجل Raines و Cowan تفاعل أحد مضادات النيوترينو مع البروتون $$$\ bar {\ nu} + p \ to n + e ^ +$ . ولكن حتى ذلك الحين ، اعتقد العديد من العلماء أن النيوترينوات يمكن أن تكون من عدة أنواع. يسمى النيوترينو الذي يتفاعل بنشاط مع الإلكترون الإلكترون ، والنيوترينو الذي يتفاعل مع الميون ، على التوالي ، هو الميون. كان المجربون بحاجة لمعرفة ما إذا كانت هاتان الحالتان مختلفتين أم لا. أجرى ليدرمان وشوارتز وستينبرغر تجربة رائعة. قاموا بفحص شعاع ميزونات من مسرع. تتحلل هذه الجسيمات بسهولة إلى الميونات والنيوترينو.

$$

$$\ pi \ to \ mu + \ nu$$

إذا كان النيوترينو يحتوي بالفعل على أصناف مختلفة ، فيجب أن يولد الميون. ثم كل شيء بسيط - على مسار الجسيمات المولودة نضع هدفًا ونفحص كيفية تفاعلها: مع ولادة إلكترون أو ميون. لقد أظهرت التجربة بشكل لا لبس فيه أن الإلكترونات لم تولد تقريبًا.

$$

$$\ nu _ {\ mu} + p \ rightarrow n + \ mu \\ \ nu _ {\ mu} + p \ nrightarrow n + e$$

حتى الآن لدينا نوعان من النيوترينو! نحن على استعداد للانتقال إلى الخطوة التالية في مناقشة تذبذبات النيوترينو.

هذا نوع من الشمس "الخاطئة"

في تجارب النيوترينو الأولى ، تم استخدام مصدر اصطناعي: مفاعل أو مسرع. هذا جعل من الممكن إنشاء تدفقات جسيمات قوية للغاية ، لأن التفاعلات نادرة للغاية. ولكن كان من المثير للاهتمام تسجيل النيوترينوات الطبيعية. من المهم بشكل خاص دراسة تدفق الجسيمات من الشمس.

بحلول منتصف القرن العشرين ، كان من الواضح بالفعل أن الحطب لم يحترق في الشمس - فقد حسبوا واتضح أنه لم يكن هناك ما يكفي من الحطب. يتم إطلاق الطاقة أثناء التفاعل النووي في وسط الشمس. على سبيل المثال ، تسمى العملية الرئيسية لنجمنا " دورة البروتون-البروتون " ، عندما يتم تجميع ذرة الهيليوم من أربعة بروتونات.



قد تلاحظ أنه في الخطوة الأولى يجب أن تولد الجزيئات التي تهمنا. وهنا يمكن لفيزياء النيوترينو أن تظهر كل قوتها! بالنسبة للمراقبة البصرية ، لا يتوفر سوى سطح الشمس (الغلاف الضوئي) ، ويمر النيوترينو بحرية عبر جميع طبقات نجمنا. ونتيجة لذلك ، تأتي الجزيئات المكتشفة من المركز ، حيث تولد. يمكننا "مراقبة" قلب الشمس مباشرة. بطبيعة الحال ، لا يمكن لهذه الدراسات إلا جذب الفيزيائيين. بالإضافة إلى ذلك ، كان التدفق المتوقع ما يقرب من 100 مليار جسيم لكل سنتيمتر مربع في الثانية.

كان ريمون ديفيس أول من قام بهذه التجربة في أكبر منجم للذهب في أمريكا ، Homestake Mine. كان يجب إخفاء التركيب العميق تحت الأرض لحماية نفسه من التدفق القوي للجسيمات الكونية. يمكن أن يمر النيوترينو عبر كيلومتر ونصف من الصخور دون مشاكل ، لكن الجسيمات الأخرى ستتوقف. كان الكاشف عبارة عن برميل ضخم مملوء بـ 600 طن من رابع كلور الإيثيلين - مركب من 4 ذرات الكلور. تستخدم هذه المادة بنشاط في التنظيف الجاف وهي رخيصة جدًا.



تم اقتراح طريقة التسجيل هذه بواسطة Bruno Maksimovich Pontecorvo. عند التفاعل مع النيوترينوات ، يتحول الكلور إلى نظائر أرجون غير مستقرة ،

$$

$$\ nu_ {e} + {} ^ {37} Cl \ to {} ^ {37} Ar + e ^ -$$

الذي يلتقط إلكترونًا من المدار السفلي ويتدهور في المتوسط ​​لمدة 50 يومًا.

$$

$${} ^ {37} Ar + e ^ {-} \ to {} ^ {37} Cl + \ nu_ {e}$$

لكن! من المتوقع فقط حوالي 5 تفاعلات النيوترينو في اليوم. في غضون أسبوعين ، سيتم كتابة 70 ذرة أرجون فقط ، ويجب العثور عليها! اعثر على عشرات الذرات في 600 طن للبرميل. حقا تحدي رائع. مرة كل شهرين ، قام ديفيس بتفجير البرميل بالهيليوم ، مما أدى إلى تفجير الأرجون المتشكل. تم وضع الغاز المنقى بشكل متكرر في كاشف صغير ( عداد جيجر ) ، حيث تم النظر في عدد اضمحلال الأرجون الناتج. لذلك تم قياس عدد تفاعلات النيوترينو.

على الفور تقريبًا ، اتضح أن تدفق النيوترينو من الشمس كان أقل بثلاث مرات تقريبًا مما كان متوقعًا ، مما أحدث ضجة كبيرة في الفيزياء. في عام 2002 ، شارك ديفيس مع Kosiba-san جائزة نوبل لمساهمته الكبيرة في الفيزياء الفلكية ، من حيث الكشف عن النيوترينوهات الكونية.



ملاحظة صغيرة: لم يسجل ديفيس النيوترينوات ليس من تفاعل بروتون-بروتون ، الذي وصفته أعلاه ، ولكن من عمليات أكثر تعقيدًا ونادرة قليلاً مع البريليوم والبورون ، لكن هذا لا يغير الجوهر.

على من يقع اللوم وماذا تفعل؟

لذا ، فإن تدفق النيوترينو أصغر بثلاث مرات مما هو متوقع. لماذا؟ يمكنك تقديم الخيارات التالية:

1. نموذج الشمس غير صحيح. على الرغم من سنوات عديدة من الملاحظات البصرية ، فإننا لا نفهم تمامًا كيف تعمل الشمس. إجمالي تدفق النيوترينو أقل من المتوقع ؛
2. هناك خطأ ما في النيوترينوات نفسها. على سبيل المثال ، يغيرون النوع في الطريق إلى الأرض ( $$$\ nu_e \ to \ nu_ \ mu$ ) ولم تعد قادرة على التفاعل مع ولادة إلكترون. التدفق الكلي $$$\ nu_e + \ nu_ \ mu$ لم يتغير.

هذه النيوترينوهات المتقلبة

قبل عام من نتائج تجربة ديفيس ، طور برونو بونتيكورفو المذكور أعلاه نظرية حول كيف يمكن للنيوترينوات بالضبط تغيير نوعها في الفراغ. نتيجة واحدة هي أن الأنواع المختلفة من النيوترينوات يجب أن يكون لها كتل مختلفة. ولماذا على الأرض أن تأخذ الجسيمات كتلتها وتغيرها مثل هذه على الطاير ، والتي ، بشكل عام ، يجب الحفاظ عليها؟ دعنا نحصل على حق.

لا يمكننا الاستغناء عن مقدمة صغيرة لنظرية الكم ، لكني سأحاول جعل هذا التفسير شفافًا قدر الإمكان. مطلوب فقط الهندسة الأساسية. يتم وصف حالة النظام بواسطة "ناقل الحالة". إذا كان هناك ناقل ، فيجب أن يكون هناك أساس. دعونا نلقي نظرة على القياس مع مساحة اللون. "دولتنا" خضراء. في أساس RGB ، نكتب هذا المتجه كـ (0 ، 1 ، 0). ولكن في أساس CMYK ، سيتم تسجيل نفس اللون تقريبًا بشكل مختلف (0.63 ، 0 ، 1 ، 0). من الواضح أننا لا نمتلك ولا يمكن أن يكون لدينا أساس "رئيسي". للاحتياجات المختلفة: الصور على الشاشة أو الطباعة ، يجب أن نستخدم نظام الإحداثيات الخاص بنا.

ما هي قواعد النيوترينو؟ من المنطقي تفكيك تدفق النيوترينو إلى أنواع مختلفة: إلكتروني ( $$$\ nu_e$ ) ، صوتي ( $$$\ nu_ \ mu$ ) و تاو ( $$$\ nu_ \ tau$ ) إذا كان تيار من النيوتريونات الإلكترونية حصريًا يطير من الشمس ، فإن هذه الحالة تكون (1 ، 0 ، 0) في مثل هذا الأساس. ولكن كما ناقشنا ، يمكن أن تكون النيوترينوات ضخمة. وأن يكون لها كتل مختلفة. لذا من الممكن تفكيك تدفق النيوترينو إلى حالات الكتلة: $$$\ nu_1 ، \ nu_2 ، \ nu_3$ مع الجماهير $$$m_1 ، m_2 ، m_3$ وفقًا لذلك.

الهدف الأساسي من التذبذبات هو أن هذه القواعد لا تتزامن! يظهر اللون الأزرق في الصورة أنواع (أنواع) النيوترينوات ، والحالات الحمراء ذات الكتل المختلفة.



أي ، إذا ظهر نيوترينو إلكتروني في انحلال نيوترون ، عندها ظهرت ثلاث حالات كتلة في وقت واحد (صمموا $$$\ nu_e$ على $$$\ nu_1 ، \ nu_2 ، \ nu_3$ )

ولكن إذا كان لهذه الدول كتل مختلفة قليلاً ، فستكون الطاقات مختلفة قليلاً. وبما أن الطاقات مختلفة ، فسوف تنتشر في الفضاء بطرق مختلفة. تظهر الصورة كيف ستتطور هذه الدول الثلاث بمرور الوقت.


(ج) www-hep.physics.wm.edu

في الصورة ، تظهر حركة الجسيمات في شكل موجة. يسمى هذا التمثيل موجة دي بروجلي ، أو موجة الاحتمال لتسجيل جسيم معين.

يتفاعل النيوترينو حسب النوع ( $$$e، \ mu، \ tau$ ) لذلك ، عندما نريد حساب كيف سيظهر النيوترينو نفسه ، نحتاج إلى عرض ناقل الحالة الخاص بنا على ( $$$\ nu_e ، \ ​​nu_ \ mu ، \ nu_ \ tau$ ) وبهذه الطريقة سيكون من الممكن تسجيل هذا النوع أو ذلك النوع من النيوترينو. هذه هي الموجات الاحتمالية التي نحصل عليها لنيوترينو الإلكترون ، اعتمادًا على المسافة المقطوعة:



يتم تحديد مقدار التغيير في النوع من خلال الزوايا النسبية لأنظمة الإحداثيات الموضحة (كما هو موضح في الشكل السابق $$$\ theta_ {ij}$ ) والاختلافات الجماعية.

إذا لم تكن خائفا من مصطلحات ميكانيكا الكم ، وكان لديك الصبر لقراءة حتى هذه اللحظة ، ثم يمكن العثور على وصف رسمي بسيط على ويكيبيديا .

لكن كيف حقا؟

النظرية ، بالطبع ، جيدة. لكن حتى الآن لا يمكننا تحديد أي من الخيارين يتم تنفيذهما في الطبيعة: الشمس "ليست هكذا" أو النيوترينو ليس كذلك. نحتاج إلى تجارب جديدة تُظهر أخيرًا طبيعة هذا التأثير المثير للاهتمام. باختصار ، سأصف المواقف الرئيسية التي لعبت دورًا رئيسيًا في البحث.

مرصد كاميوكا

يبدأ تاريخ هذا المرصد بحقيقة أنهم حاولوا هنا العثور على اضمحلال البروتون. هذا هو السبب في إعطاء الكاشف الاسم المقابل - "Kamioka" (Kamioka Nucleon Decay Experiment). ولكن بعد أن لم يجدوا شيئًا ، تحول اليابانيون بسرعة إلى اتجاه واعد: دراسة النيوترينوهات الجوية والشمسية. ناقشنا بالفعل من أين تأتي الشمس. يولد الغلاف الجوي في اضمحلال الميونات والميسون في الغلاف الجوي للأرض. وبينما يصلون إلى الأرض يتمكنون من التأرجح.

بدأ الكاشف في جمع البيانات في عام 1987. لقد كانوا محظوظين جدًا بالتواريخ ، ولكن المزيد عن ذلك في المقالة التالية :) كان الإعداد عبارة عن برميل ضخم مليء بالمياه النقية. تم تكسية الجدران بمضاعفات ضوئية. رد الفعل الرئيسي الذي تم من خلاله التقاط النيوترينوات هو إخراج إلكترون من جزيئات الماء:

$$

$$\ nu_e + e_ {in \ space atom} ^ - \ to \ nu_e + e_ {free} ^ -$$

يتوهج إلكترون حر سريع الطيران باللون الأزرق الداكن في الماء. تم تسجيل هذا الإشعاع من قبل فرق PMT على الجدران. في وقت لاحق ، تم ترقية التثبيت إلى Super Kamiokande واستمر في العمل.



أكدت التجربة عجز النيوترينوات الشمسية وزادت من عجز النيوترينوهات الجوية.

تجارب الغاليوم

على الفور بعد إطلاق Kakiokande في عام 1990 ، بدأ كاشفان للغاليوم في العمل. يقع أحدهم في إيطاليا ، تحت جبل غراند ساسو في المختبر الذي يحمل نفس الاسم. والثاني في القوقاز ، في مضيق باكسان ، تحت جبل أنديريشي. خاصة لهذا المختبر ، تم بناء قرية Neutrino في الخانق. تم اقتراح الطريقة نفسها بواسطة Vadim Kuzmin ، مستوحاة من أفكار Pontecorvo ، في عام 1964.

$$

$${} ^ {71} Ga + \ nu_e \ إلى {} ^ {71} Ge + e ^ -$$

عند التفاعل مع النيوترينوات ، يتحول الغاليوم إلى نظائر الجرمانيوم غير المستقرة ، والتي تتحلل مرة أخرى إلى الغاليوم في المتوسط ​​16 يومًا. في غضون شهر ، يتم تكوين عدة عشرات من ذرات الجرمانيوم ، والتي يجب إزالتها بعناية شديدة من الغاليوم ، وتوضع في كاشف صغير وتحسب عدد التحلل مرة أخرى إلى الغاليوم. ميزة تجارب الغاليوم هي أنها يمكن أن تلتقط النيوترينو منخفضة الطاقة للغاية التي لا تتوفر للمنشآت الأخرى.

أظهرت جميع التجارب الموصوفة أعلاه أننا نرى عددًا أقل من النيوترينوات عما هو متوقع ، ولكن هذا لا يثبت وجود تذبذبات. قد تكون المشكلة في النموذج الخاطئ للشمس. لقد وضعت تجربة SNO النقطة الأخيرة والدهنية في مشكلة النيوتريونات الشمسية.

مرصد سودبوري

في منجم كريجتون ، بنى الكنديون "نجم الموت" الضخم.



تم وضع كرة أكريليك محاطة بـ PMT ومليئة بـ 1000 طن من الماء الثقيل على عمق كيلومترين. تختلف هذه المياه عن الماء العادي في ذلك الهيدروجين العادي مع بروتون واحد يتم استبداله بالدوتريوم - مزيج من البروتون والنيوترون. كان الديوتريوم هو الذي لعب دورًا رئيسيًا في حل مشاكل النيوترينوهات الشمسية. يمكن لمثل هذا الإعداد تسجيل كل من تفاعلات النيوترينو الإلكترونية وتفاعلات جميع الأنواع الأخرى! سوف تدمر النيوتريونات الإلكترونية الديوتريوم مع ولادة إلكترون ، في حين أن جميع أنواع الإلكترونات الأخرى لا يمكنها أن تلد. لكن بإمكانهم "دفع" الديوتريوم قليلاً حتى ينهار ، ويطير النيوترينو أكثر.

$$

$$\ nu_e + d \ to p + p + e ^ - \\ \ nu_ \ alpha + d \ to p + n + \ nu_ \ alpha، \ space (\ alpha = e، \ mu، \ tau)$$

يتوهج الإلكترون السريع ، كما ناقشنا بالفعل ، عندما يتحرك في وسط ، ويجب التقاط النيوترون بسرعة كافية عن طريق الديوتيريوم ، ينبعث منه فوتون. يمكن تسجيل كل هذا باستخدام المضاعفات الضوئية. أخيرا حصل الفيزيائيون على فرصة لقياس التدفق الكلي للجسيمات من الشمس. إذا اتضح أنه يتزامن مع التوقعات ، فإن النيوترينونات الإلكترونية تنتقل إلى الآخرين ، وإذا كانت أقل من المتوقع ، فإن النموذج الخاطئ للشمس هو المسؤول.

بدأت التجربة العمل في عام 1999 ، وأظهرت القياسات بثقة أنه كان هناك نقص في المكون الإلكتروني

$$

$$\ frac {N_e} {N_ {total}} = 0.34$$

دعني أذكرك أن النيوترينوهات الإلكترونية تقريبًا يمكن أن تولد في نجمة. لذلك تحول الباقي في عملية التذبذبات! لهذا العمل ، حصل آرثر ماكدونالد (SNO) وكاجيتا سان (كاميو كاندي) على جائزة نوبل لعام 2015.

على الفور تقريبًا ، في بداية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، بدأت تجارب أخرى في دراسة التذبذبات. وقد لوحظ هذا التأثير أيضًا على النيوترينوات من صنع الإنسان. لاحظت تجربة KamLAND اليابانية ، التي تقع تمامًا في Kamioka ، بالفعل في عام 2002 تذبذبات مضادات النيوترونات الإلكترونية من المفاعل. وسجلت التجربة الثانية ، اليابانية أيضًا ، K2K لأول مرة تغييرًا في النوع في النيوترينوات التي تم إنشاؤها باستخدام مسرع. تم استخدام Super Kamiokande المعروف ككاشف بعيد.

الآن المزيد والمزيد من المرافق تدرس هذا التأثير. يتم بناء أجهزة الكشف على بحيرة بايكال ، في البحر الأبيض المتوسط ​​، في القطب الجنوبي. كانت هناك منشآت بالقرب من القطب الشمالي. كلهم يصطادون النيوترينوات ذات الأصل الكوني. تجارب المسرع والمفاعلات. يتم تحسين معلمات التذبذبات نفسها ، وتجري محاولات لمعرفة شيء عن حجم كتل النيوترينو. هناك أدلة على أنه بهذا التأثير يمكننا أن نشرح هيمنة المادة على المادة المضادة في الكون!


أريد أن أشير إلى أنه بنفس الطريقة التي تتغير بها روائحها وكواركاتها ، فإن هذا التأثير فقط هو أضعف بكثير بالنسبة لهم.

ملحوظة: أستمر في تجربة الريش في المقالات الشائعة ، لذا سأكون ممتنًا للتعليقات / التعليقات / الطلبات. كيف سأجد الوقت ، في المرة القادمة التي أخطط فيها لكتابة كيف تمت ملاحظة الجسم الفيزيائي الفلكي لأول مرة ليس من خلال الإشعاع الكهرومغناطيسي.
المفسد - باستخدام النيوترينو :)