أنواع تذبذبات النيوترينوات والنيوترينوات

النيوترينوات - تمامًا مثل اللبتونات المشحونة (إلكترون ، ميون ، تاو) ، كواركات من النوع العلوي (العلوي ، الساحر ، الحقيقي) والنوع السفلي (السفلي ، الغريب ، الجميل) - من ثلاثة أنواع. ولكن يمكن تقسيمها إلى أنواع بطرق مختلفة. في نفس الوقت ، بسبب الطبيعة الكمومية لعالمنا ، يمكن استخدام واحد منهم فقط في كل مرة. في هذه المقالة سأشرح لماذا يحدث هذا ، وكيف أن حقيقة مثيرة للاهتمام وذات أهمية علمية مثل تذبذبات النيوترينو تنبع من هذه الحقيقة.

قد تعتقد أن لكل جسيم كتلة محددة - على سبيل المثال ، طاقة كتلة الإلكترون هي (E = mc ² ) 0.000511 GeV - ومن وجهة نظر محتملة ، هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات ليست استثناء. يمكننا تصنيف ثلاثة نيوترينوات حسب كتلها (التي لا تزال غير معروفة بالضبط) ، ونطلق عليها ، من الأخف إلى الأثقل ، النيوترينو 1 ، النيوترينو 2 والنيوترينو 3. سنطلق على هذا التصنيف الشامل للقسمة ، وأنواع النيوترينوات - أنواع الكتلة.


التين. 1

هناك طريقة أخرى لتصنيف النيوترينوات من خلال علاقتها باللبتونات المشحونة (الإلكترون والميون والتاو). هذا مذكور في مقال حول كيف ستبدو الجسيمات إذا كان حقل هيجز صفرًا. أفضل طريقة لفهم هذا هي التركيز على كيفية تأثر النيوترينوات بالتفاعلات النووية الضعيفة ، والتي تنعكس في تفاعلاتها مع الجسيمات W. Particle W ثقيلة جدًا ، وإذا أنتجتها ، يمكن أن تتحلل (الشكل 1) إلى واحد من ثلاثة شحنات antileptons وواحد من النيوترينوات الثلاثة. إذا تحلل W إلى antitau ، فسيظهر تاو نيوترينو. وبالمثل ، إذا تحطمت W في antimuon ، فستظهر نيون نيون. (ما هو مهم لإنشاء أشعة نيوترينو ، وتحلل بيون بمساعدة التفاعلات الضعيفة ، ويتم الحصول على أنتيميون وميون نيوترينو من pions الموجبة الشحنة). وإذا تحلل W إلى بوزيترون ، فسوف يظهر نيوترينو إلكتروني. سوف نسمي هذا تصنيفًا ضعيفًا ، وهذه النيوترينوات هي نيوترينوات من نوع ضعيف ، لأن التفاعل الضعيف يحددها.

حسنًا ، ما المشكلة؟ نحن نستخدم باستمرار تصنيفات مختلفة كما يتم تطبيقها على الناس. نقول أن الناس صغار وكبار السن وكبار السن. إنها طويلة ومتوسطة وقصيرة. ولكن يمكن تقسيم الأشخاص اختياريًا ، على سبيل المثال ، إلى تسع فئات: الشباب والطول ، والشباب والمتوسطون ، والبالغون والقصير ، والشيوخ والقصّر ، وما إلى ذلك. لكن ميكانيكا الكم تمنعنا من فعل الشيء نفسه مع تصنيفات النيوترينو. لا توجد نيوترينوات تكون نيوترينات وميون ونيوترينو 1 في نفس الوقت. لا يوجد تاو نيوترينو 3. إذا أخبرتك كتلة النيوترينو (وبالتالي ما إذا كان ينتمي إلى مجموعة النيوترينو 1 أو 2 أو 3) ، فلا يمكنني ببساطة أن أخبرك ما إذا كان إلكترونيًا أو صوتيًا أو تاو نيوترينو. النيوترينو من نوع كتلة معينة هو خليط ، أو "تراكب" من ثلاثة نيوترينوات من النوع الضعيف. كل نيوترينو من نوع الكتلة - نيوترينو 1 ، نيوترينو 2 ، ونيوترينو 3 - هو مزيج دقيق لكنه مختلف من النيوترينوهات الإلكترونية والميوتونية والنيوترينو.

العكس صحيح أيضا. إذا رأيت كيف يتحلل البيون في أنتيميون ونيوترينو ، اكتشفت على الفور أن النيوترينو الناتج سيكون نيوترين ميون - لكنني لا أستطيع معرفة كتلته ، لأنه سيكون مزيجًا من النيوترينو -1 والنيوترينو 2 والنيوترينو -3 . النيوترينونات الإلكترونية والنيوترينات تاو هي أيضًا دقيقة ولكنها مخاليط مختلفة من ثلاثة نيوتريونات ذات كتل محددة.

العلاقة بين هذه الأنواع الضخمة والضعيفة هي أكثر تشابهًا (ولكنها ليست متسقة تمامًا) للعلاقة بين تصنيفات الطرق السريعة الأمريكية على أنها تتجه "من الشمال إلى الجنوب" و "من الغرب إلى الشرق" (تقسمهم حكومة الولايات المتحدة بهذه الطريقة ، وتخصص أرقامًا فردية إلى C / الطرق الجنوبية وحتى البسيطة (B / W) ، وتقسيمها إلى طرق تمتد من "شمال شرق إلى جنوب غرب" ومن "جنوب شرق إلى شمال غرب". استخدام أي تصنيف له مزاياه الخاصة: التصنيف N / S - W / N مناسب إذا كنت تركز على خط العرض وخط الطول ، وسيكون NE / SW - SE / NW أكثر ملاءمة بالقرب من الساحل ، لأنه ينتقل من الجنوب الغربي إلى الشمال الشرق. ولكن لا يمكن استخدام كلا التصنيفين في وقت واحد. الطريق إلى الشمال الشرقي جزئياً شمالي وجزئي شرقي ؛ لا يمكن القول أنها إما هذا أو ذاك. والطريق الشمالي مزيج من الشمال الشرقي والشمال الغربي. هذا هو الحال مع النيوترينوات: النيوترينوات الجماعية هي مزيج من النيوترينوهات الضعيفة ، والنيوترينوهات الضعيفة هي مزيج من النيوترينوات. (سيتوقف القياس عن العمل إذا قررت استخدام التصنيف المحسن للطرق C / S - N / S - S / S - S / S - S / N ؛ بالنسبة إلى النيوترينو ، هذا الخيار غير موجود).

إن عدم القدرة على تصنيف النيوترينوات ، ونسبها إلى نوع كتلة معين وإلى نوع ضعيف معين ، هو مثال لمبدأ عدم اليقين ، على غرار الغرابة المحظورة في نفس الوقت لمعرفة الموقع الدقيق والسرعة الدقيقة للجسيم. إذا كنت تعرف أحد هذه الخصائص بالضبط ، فليس لديك فكرة عن الأخرى. أو يمكنك معرفة شيء ما عن كلا الموقعين ، ولكن ليس كل شيء. تخبرك ميكانيكا الكم بالضبط كيف توازن بين معرفتك وجهلك. بالمناسبة ، هذه المشاكل لا تنطبق فقط على النيوترينوات. ترتبط بالجسيمات الأخرى ، ولكنها مهمة بشكل خاص في سياق سلوك النيوترينو.

قبل عقود ، كان كل شيء أبسط. ثم كان يعتقد أن النيوترينوات ليس لها كتلة ، لذلك كان يكفي استخدام تصنيف ضعيف. إذا نظرت إلى الأعمال القديمة أو الكتب القديمة للناس العاديين ، فسترى فقط أسماء مثل النيوترونات الإلكترونية والنيوترونات الميونية والنيوترينو تاو. ومع ذلك ، بعد اكتشافات التسعينات ، لم يعد هذا كافيًا.

والآن يبدأ المرح. لنفترض أن لديك نيوترينو عالي الطاقة من النوع الإلكتروني ، أي مزيج معين من النيوترينو 1 ونيوترينو 2 ونيوترينو 3. يتحرك النيوترينو في الفضاء ، لكن أنواع كتلته الثلاثة المختلفة تتحرك بسرعات مختلفة قليلاً ، قريبة جدًا من سرعة الضوء. لماذا؟ لأن سرعة الجسم تعتمد على طاقته وكتلته ، وثلاثة أنواع من الكتلة لها ثلاث كتل مختلفة. الفرق في سرعاتها صغير للغاية لأي نيوترينو يمكننا قياسه - لم يلاحظه أحد أبدًا - ولكن تأثيره قوي بشكل مدهش!

فرق سرعة النيوترينو - بعض الصيغ

يمكن كتابة سرعة الجسيمات v في نظرية النسبية لأينشتاين من حيث كتلة الجسيمات م والطاقة E (هذه هي الطاقة الإجمالية ، أي طاقة الحركة بالإضافة إلى طاقة الكتلة E = mc ² ) ، وسرعة الضوء c ، على النحو التالي:

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2) ^ {1/2}$$

إذا كان للجسيم سرعة عالية جدًا وطاقته الإجمالية E أكبر بكثير من طاقة الكتلة mc ² ، إذن

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2/2 + ...)$$

حيث تذكرنا النقاط بأن هذه الصيغة ليست دقيقة ، ولكنها تقريبًا جيدًا للكبير E. وبعبارة أخرى ، تختلف سرعة الجسيم المتحرك بسرعة الضوء تقريبًا عن سرعة الضوء بمقدار يساوي نصف مربع نسبة طاقة كتلة الجسيم إلى طاقته الإجمالية . من هذه الصيغة ، يمكن ملاحظة أنه إذا كان لنيوترينين كتلتيهما m ₁ و m ₂ مختلفتين ، ولكن نفس الطاقة الكبيرة E ، فإن سرعاتهما تختلف قليلاً.

دعونا نرى ما يعنيه ذلك. وصلت جميع النيوتريونات المقيسة من مستعر أعظم انفجرت في عام 1987 إلى الأرض في فاصل زمني مدته 10 ثوان. لنفترض أن نيوترينو إلكترونًا انبعث من مستعر أعظم بطاقة 10 MeV. كان هذا النيوترينو عبارة عن مزيج من النيوترينو 1 ، والنيوترينو 2 ، والنيوترينو 3 ، وكل منهما تحرك بسرعة مختلفة قليلاً! هل سنلاحظ ذلك؟ لا نعرف بالضبط كتل النيوترينوات ، لكن لنفترض أن النيوترينو 2 لديه طاقة كتلة 0.01 فولت ، وأن النيوترينو 1 لديه طاقة كتلة 0.001 فولت. ثم تختلف سرعتهم ، بالنظر إلى أن طاقاتهم متساوية ، تختلف عن سرعة الضوء وعن بعضها البعض بأقل من جزء واحد من مائة ألف تريليون:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0.0000000000000000005 ج$$

(خطأ جميع المعادلات لا يتجاوز 1٪). هذا الاختلاف في السرعة يعني أن أجزاء من النيوترينو 2 والنيوترينو 1 من النيوترينو الأصلي ستصل إلى الأرض بفارق مللي ثانية - لا يمكن اكتشاف مثل هذا الاختلاف لأسباب فنية عديدة.

* * *

والآن من المثير للاهتمام ، ننتقل إلى أشياء غريبة حقًا.

هذا الاختلاف الطفيف في السرعات يجعل الخليط الدقيق من النيوترينو 1 والنيوترينو 2 والنيوترينو 3 ، وهو نيوترين إلكتروني ، يتغير تدريجيًا عند التحرك في الفضاء. وهذا يعني أن النيوترينو الإلكتروني الذي بدأنا به أصبحنا مع مرور الوقت ويتوافق مع مزيج واحد محدد من النيوترينو -1 ونيوترينو 2 ونيوترينو 3. تحول الكتل المختلفة من النيوترينوات من ثلاثة أنواع من الكتلة النيوترينون الإلكترون الأولي أثناء الحركة إلى مزيج من النيوترينونات الإلكترونية والنيوترونات الميونية والنيوترينو تاو. تعتمد النسب المئوية للخليط على اختلاف السرعات ، وبالتالي على طاقة النيوترينو الأولي ، وكذلك على اختلاف الكتل (بشكل أكثر دقة ، على اختلاف مربعات الكتل) من النيوترينو.


التين. 2

في البداية ، يزداد التأثير. ولكن ، من المثير للاهتمام ، كما هو موضح في الشكل. 2 ، هذا التأثير لا ينمو باستمرار باستمرار. ينمو ، ثم ينخفض ​​مرة أخرى ، ثم ينمو مرة أخرى ، ينخفض ​​مرة أخرى ، مرارًا وتكرارًا ، في عملية حركة النيوترينو. وهذا ما يسمى بتذبذبات النيوترينو. يعتمد بالضبط كيفية حدوثها على كتل النيوترينوات وكيف يتم خلط النيوترينوات والنيوترينوهات الضعيفة هناك.

يمكن قياس تأثير التذبذبات بسبب حقيقة أن النيوترينو المتصادم مع النواة (أي يمكن الكشف عن النيوترينو) يمكن أن يتحول إلى إلكترون ، ولكن ليس إلى ميون أو تاو ، بينما يمكن أن يتحول نيوترينو الميون إلى ميون ، ولكن ليس إلى الإلكترون أو تاو. لذا ، إذا بدأنا بحزمة نيوترينو ميون ، وبعد الانتقال إلى مسافة معينة ، اصطدمت بعض النيوترينوات بالنواة وتحولت إلى إلكترونات ، وهذا يعني أن التذبذبات تحدث في الشعاع وتتحول نيوترينات الميون إلى نيوترينات إلكترونية.

أحد التأثيرات المهمة جدًا تعقد هذه القصة وتثريها. بما أن المادة العادية تتكون من الإلكترونات ، ولكن ليس من الميونات والتاو ، فإن النيوترونات الإلكترونية تتفاعل معها بطريقة مختلفة عن الميون أو تاو. هذه التفاعلات التي تحدث من خلال التفاعل الضعيف صغيرة للغاية. ولكن إذا مر النيوترينو عبر سمك كبير للمادة (على سبيل المثال ، من خلال جزء ملموس من الأرض أو الشمس) ، يمكن أن تتراكم هذه التأثيرات الصغيرة وتؤثر بشكل كبير على التذبذبات. لحسن الحظ ، نحن نعرف ما يكفي عن التفاعلات النووية الضعيفة من أجل التنبؤ بهذه التأثيرات بالتفصيل ، وحساب السلسلة بأكملها إلى الوراء ، من القياسات في تجربة إلى اكتشاف خصائص النيوترينو.

كل هذا يتم باستخدام ميكانيكا الكم. إذا لم يكن ذلك بديهيًا بالنسبة لك ، استرخ. بالنسبة لي هذا ليس بديهيًا أيضًا. حصلت على كل حدسي من المعادلات.

اتضح أن القياس الدقيق لتذبذبات النيوترينو هو أسرع طريقة لدراسة خصائص النيوترينوات! لهذا العمل قد أعطوا بالفعل جائزة نوبل. نشأت هذه القصة بأكملها من التفاعل الكلاسيكي للتجربة والنظرية ، الممتدة من الستينيات حتى يومنا هذا. سأذكر أهم القياسات التي تم اتخاذها.

بادئ ذي بدء ، يمكننا دراسة النيوترينونات الإلكترونية المنتجة في وسط الشمس ، في فرنها النووي المدروس جيدًا. تنتقل هذه النيوترينوات عبر الشمس وعبر الفضاء الخالي إلى الأرض. وجد أنه عندما يصلون إلى الأرض ، يمكن أن ينتمون بنفس الاحتمال إلى نوع الميون أو تاو ، وكذلك إلى نوع النيوترينو الإلكتروني. هذا في حد ذاته بمثابة دليل على تذبذبات النيوترينو ، ويعطينا التوزيع الدقيق معلومات مفصلة عن النيوترينوات.

لدينا أيضًا نيوترينات الميون الناتجة عن انحلال البيونات الناتجة عن الأشعة الكونية. الأشعة الكونية هي جسيمات عالية الطاقة قادمة من الفضاء الخارجي وتتصادم مع النوى الذرية في الغلاف الجوي العلوي. في سلاسل الجسيمات الناتجة ، غالبًا ما يتم العثور على البيون ، والعديد منها يتحلل إلى نيوترينات الميونات و antimuons ، أو إلى antionutrinos و muon muon. اكتشفنا بعض هذه النيوترينوات (ومضادات النيوترينوات) في أجهزة الكشف الخاصة بنا ، ويمكننا قياس مقدار ما تنتمي إليه النيوترينونات الإلكترونية (ومضادات النيوترينوات) اعتمادًا على سمك الأرض التي مرت قبل دخولها إلى الكاشف. هذا يعطينا مرة أخرى معلومات مهمة حول سلوك النيوترينو.

علمتنا هذه النيوترينوات "الشمسية" و "الجوية" الكثير عن خصائص النيوترينوات على مدى العشرين عامًا الماضية (وأول تلميح لشيء مثير للاهتمام حدث منذ 50 عامًا تقريبًا). وتضاف إلى مصادر الطاقة الطبيعية هذه دراسات مختلفة أجريت باستخدام أشعة النيوترينو ، مثل تلك المستخدمة في تجربة OPERA ، بالإضافة إلى استخدام النيوترينوات من المفاعلات النووية التقليدية. تتوافق معظم القياسات في الغالب مع التفسير القياسي للنيوترينوهات الشمسية والغلافية ، وتسمح بقياسات أكثر دقة لمخاليط أنواع الكتلة والأنواع الضعيفة من النيوترينوات والاختلافات في الكتل المربعة للنيوترينات الكتلية.

كما يمكن للمرء أن يتوقع ، في التجارب ، هناك اختلافات طفيفة مع التوقعات النظرية ، ولكن لم يتم تأكيد أي منها ، ومعظمها ، إن لم يكن كلها ، مجرد حوادث أو مشاكل إحصائية على المستوى التجريبي. حتى الآن ، لم يتم تأكيد أي تناقض مع فهم النيوترينو وسلوكهم في العديد من التجارب. من ناحية أخرى ، فإن هذه الصورة بأكملها جديدة تمامًا ويتم اختبارها بشكل سيئ إلى حد ما ، لذلك فمن المحتمل تمامًا ، على الرغم من أنه من غير المحتمل ، أن يكون لها تفسيرات مختلفة تمامًا. في الواقع ، تم بالفعل اقتراح بدائل خطيرة للغاية. لذا فإن صقل تفاصيل خصائص النيوترينوات هو مجال بحث نشط يتطور فيه اتفاق في معظمه ، ولكن لا تزال بعض الأسئلة مفتوحة - بما في ذلك التحديد الكامل وغير القابل للإلغاء لكتل ​​النيوترينوات.