Neutrino-Oszillationen für Dummies

Fast alle Geeks hörten von Neutrinoschwingungen. Über dieses Phänomen wurde viel Fachliteratur und eine Reihe populärer Artikel geschrieben, aber nur die Autoren der Lehrbücher glauben, dass der Leser die Feldtheorie und sogar das Quantum versteht, und die Autoren populärer Artikel beschränken sich normalerweise auf Sätze im Stil: „Teilchen fliegen, fliegen und dann BAC und verwandle dich in andere “mit einer anderen Masse (!!!). Wir werden versuchen herauszufinden, woher dieser interessante Effekt kommt und wie er mit Hilfe großer Installationen beobachtet wird. Gleichzeitig lernen wir, wie man aus 600 Tonnen Materie mehrere notwendige Atome findet und extrahiert.

Ein weiteres Neutrino

In einem früheren Artikel habe ich darüber gesprochen, wie die Idee der Existenz eines Neutrinos im Jahr 1932 entstand und wie dieses Teilchen 25 Jahre später entdeckt wurde. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Raines und Cowan die Wechselwirkung eines Antineutrinos mit einem Proton aufgezeichnet haben $$$\ bar {\ nu} + p \ bis n + e ^ +$. Aber selbst dann glaubten viele Wissenschaftler, dass Neutrinos von verschiedenen Arten sein könnten. Ein Neutrino, das aktiv mit einem Elektron interagiert, wird als Elektron bezeichnet, und ein Neutrino, das mit einem Myon interagiert, ist ein Myon. Die Experimentatoren mussten herausfinden, ob diese beiden Zustände unterschiedlich sind oder nicht. Lederman, Schwartz und Steinberger führten ein herausragendes Experiment durch. Sie untersuchten einen Strahl von Pi-Mesonen vom Beschleuniger. Solche Teilchen zerfallen leicht in ein Myon und ein Neutrino.

$$

$$\ pi \ bis \ mu + \ nu$$

Wenn das Neutrino wirklich verschiedene Sorten hat, muss das Myon geboren werden. Dann ist alles einfach - auf dem Weg der geborenen Teilchen setzen wir ein Ziel und untersuchen, wie sie interagieren: mit der Geburt eines Elektrons oder Myons. Die Erfahrung hat eindeutig gezeigt, dass Elektronen fast nicht geboren werden.

$$

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

Jetzt haben wir also zwei Arten von Neutrinos! Wir sind bereit, mit dem nächsten Schritt in der Diskussion der Neutrinoschwingungen fortzufahren.

Dies ist eine Art „falsche“ Sonne

In den ersten Neutrinoexperimenten wurde eine künstliche Quelle verwendet: ein Reaktor oder ein Beschleuniger. Dies ermöglichte die Erzeugung sehr starker Partikelströme, da Wechselwirkungen äußerst selten sind. Es war jedoch viel interessanter, natürliche Neutrinos zu registrieren. Von besonderem Interesse ist die Untersuchung des Partikelflusses von der Sonne.

Bereits Mitte des 20. Jahrhunderts war klar, dass Brennholz nicht in der Sonne brannte - sie zählten und es stellte sich heraus, dass es nicht genug Brennholz gab. Energie wird während einer Kernreaktion im Zentrum der Sonne freigesetzt. Zum Beispiel wird der Hauptprozess für unseren Stern als " Proton-Proton-Zyklus " bezeichnet, wenn ein Heliumatom aus vier Protonen zusammengesetzt wird.



Sie werden vielleicht bemerken, dass im ersten Schritt die Partikel, die für uns von Interesse sind, geboren werden sollten. Und hier kann die Neutrinophysik ihre ganze Kraft zeigen! Für die optische Beobachtung steht nur die Oberfläche der Sonne (Photosphäre) zur Verfügung, und das Neutrino passiert frei alle Schichten unseres Sterns. Infolgedessen kommen die detektierten Partikel genau aus dem Zentrum, in dem sie geboren werden. Wir können den Kern der Sonne direkt "beobachten". Natürlich konnten solche Studien nur Physiker anziehen. Darüber hinaus betrug der erwartete Durchfluss fast 100 Milliarden Partikel pro Quadratzentimeter pro Sekunde.

Raymond Davis war der erste, der ein solches Experiment in der größten Goldmine Amerikas, der Homestake Mine, durchführte. Die Installation musste tief unter der Erde versteckt werden, um sich vor dem starken Fluss kosmischer Teilchen zu schützen. Ein Neutrino kann problemlos anderthalb Kilometer Gestein passieren, andere Partikel werden jedoch gestoppt. Der Detektor war ein riesiger Zylinder, der mit 600 Tonnen Tetrachlorethylen gefüllt war - einer Verbindung aus 4 Chloratomen. Diese Substanz wird aktiv in der chemischen Reinigung eingesetzt und ist recht billig.



Diese Registrierungsmethode wurde von Bruno Maksimovich Pontecorvo vorgeschlagen. Bei der Wechselwirkung mit Neutrinos verwandelt sich Chlor in ein instabiles Argonisotop.

$$

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

Das fängt ein Elektron aus dem unteren Orbital ein und zerfällt in durchschnittlich 50 Tagen.

$$

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

Aber! Pro Tag werden nur etwa 5 Neutrino-Wechselwirkungen erwartet. In ein paar Wochen werden nur 70 Argonatome typisiert und müssen gefunden werden! Finden Sie Dutzende von Atomen in einem 600-Tonnen-Fass. Wirklich eine fantastische Herausforderung. Einmal alle zwei Monate blies Davis das Fass mit Helium und blies das gebildete Argon aus. Wiederholt gereinigtes Gas wurde in einen kleinen Detektor ( Geigerzähler ) gegeben, wo die Anzahl der Zerfälle des resultierenden Argons berücksichtigt wurde. So wurde die Anzahl der Neutrino-Wechselwirkungen gemessen.

Fast sofort stellte sich heraus, dass der Neutrino-Fluss von der Sonne fast dreimal niedriger war als erwartet, was in der Physik für Furore sorgte. Im Jahr 2002 teilte Davis mit Kosiba-san den Nobelpreis für seinen bedeutenden Beitrag zur Astrophysik beim Nachweis kosmischer Neutrinos.



Eine kleine Bemerkung: Davis hat Neutrinos nicht aus der oben beschriebenen Proton-Proton-Reaktion aufgenommen, sondern aus etwas komplexeren und selteneren Prozessen mit Beryllium und Bor, aber dies ändert nichts an der Essenz.

Wer ist schuld und was zu tun?

Der Neutrino-Fluss ist also dreimal kleiner als erwartet. Warum? Sie können folgende Optionen anbieten:

1. Das Modell der Sonne ist falsch. Trotz langjähriger optischer Beobachtungen verstehen wir nicht, wie die Sonne funktioniert. Der gesamte Neutrino-Fluss ist geringer als erwartet;
2. Mit den Neutrinos selbst stimmt etwas nicht. Zum Beispiel ändern sie den Typ auf dem Weg zur Erde ( $$$\ nu_e \ to \ nu_ \ mu$) und kann nicht mehr mit der Geburt eines Elektrons interagieren. Gesamtdurchfluss $$$\ nu_e + \ nu_ \ mu$nicht verändert.

Diese launischen Neutrinos

Ein Jahr vor den Ergebnissen des Davis-Experiments entwickelt der zuvor erwähnte Bruno Pontecorvo eine Theorie, wie genau Neutrinos ihren Typ im Vakuum ändern können. Eine Konsequenz ist, dass verschiedene Arten von Neutrinos unterschiedliche Massen haben müssen. Und warum um alles in der Welt sollten Partikel ihre Masse im laufenden Betrieb so aufnehmen und ändern, was im Allgemeinen erhalten bleiben sollte? Lass es uns richtig machen.

Wir können nicht auf eine kleine Einführung in die Quantentheorie verzichten, aber ich werde versuchen, diese Erklärung so transparent wie möglich zu gestalten. Es wird nur die Grundgeometrie benötigt. Der Zustand des Systems wird durch einen "Zustandsvektor" beschrieben. Wenn es einen Vektor gibt, muss es eine Basis geben. Schauen wir uns die Analogie zum Farbraum an. Unser "Staat" ist grün. In der RGB-Basis schreiben wir diesen Vektor als (0, 1, 0). Auf CMYK-Basis wird jedoch fast dieselbe Farbe unterschiedlich aufgezeichnet (0,63, 0, 1, 0). Offensichtlich haben und können wir keine „Haupt“ -Basis haben. Für unterschiedliche Anforderungen: Bilder auf einem Monitor oder Drucken müssen wir unser Koordinatensystem verwenden.

Was sind die Grundlagen für Neutrinos? Es ist logisch, den Neutrino-Fluss in verschiedene Typen zu zerlegen: elektronisch ( $$$\ nu_e$), Myon ( $$$\ nu_ \ mu$) und Tau ( $$$\ nu_ \ tau$) Wenn ein Strom ausschließlich elektronischer Neutrinos von der Sonne fliegt, dann ist dieser Zustand (1, 0, 0) auf einer solchen Basis. Aber wie wir besprochen haben, können Neutrinos massiv sein. Und verschiedene Massen zu haben. So ist es möglich, den Neutrino-Fluss in Massenzustände zu zerlegen: $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$mit den Massen $$$m_1, m_2, m_3$entsprechend.

Der springende Punkt bei Schwingungen ist, dass diese Basen nicht zusammenfallen! Blau im Bild zeigt die Arten (Typen) von Neutrinos und rote Zustände mit unterschiedlichen Massen.



Das heißt, wenn ein Elektronenneutrino beim Zerfall eines Neutrons auftrat, erschienen drei Massenzustände gleichzeitig (sie entwarfen $$$\ nu_e$auf $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$)

Wenn diese Zustände jedoch leicht unterschiedliche Massen haben, sind die Energien geringfügig unterschiedlich. Und da die Energien unterschiedlich sind, werden sie sich auf unterschiedliche Weise im Raum ausbreiten. Das Bild zeigt, wie sich diese drei Zustände im Laufe der Zeit entwickeln werden.


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

Im Bild ist die Partikelbewegung in Form einer Welle dargestellt. Eine solche Darstellung wird als De-Broglie-Welle oder Wahrscheinlichkeitswelle zum Registrieren eines bestimmten Teilchens bezeichnet.

Das Neutrino interagiert je nach Typ ( $$$e, \ mu, \ tau$) Wenn wir also berechnen wollen, wie sich das Neutrino manifestieren wird, müssen wir unseren Zustandsvektor auf ( $$$\ nu_e, \ nu_ \ mu, \ nu_ \ tau$) Und auf diese Weise wird es möglich sein, diese oder jene Art von Neutrino zu registrieren. Dies sind die Wahrscheinlichkeitswellen, die wir für das Elektronenneutrino erhalten, abhängig von der zurückgelegten Entfernung:



Wie stark sich der Typ ändert, wird durch die relativen Winkel der beschriebenen Koordinatensysteme bestimmt (siehe vorherige Abbildung) $$$\ theta_ {ij}$) und Massenunterschiede.

Wenn Sie keine Angst vor der Terminologie der Quantenmechanik haben und die Geduld hatten, bis zu diesem Punkt zu lesen, finden Sie eine einfache formale Beschreibung auf Wikipedia .

Aber wie wirklich?

Die Theorie ist natürlich gut. Bisher können wir jedoch nicht entscheiden, welche der beiden Optionen in der Natur umgesetzt wird: Die Sonne ist "nicht so" oder das Neutrino ist nicht so. Wir brauchen neue Experimente, die endlich die Natur dieses interessanten Effekts zeigen. Kurz gesagt, ich werde die wichtigsten Einstellungen beschreiben, die eine Schlüsselrolle in der Forschung gespielt haben.

Kamioka Observatorium

Die Geschichte dieses Observatoriums beginnt damit, dass sie hier versuchten, den Zerfall des Protons zu finden. Deshalb erhielt der Detektor den entsprechenden Namen - "Kamioka" (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Nachdem die Japaner nichts gefunden hatten, wandten sie sich schnell einer vielversprechenden Richtung zu: der Untersuchung von atmosphärischen und solaren Neutrinos. Wir haben bereits besprochen, woher die Sonne kommt. Atmosphärische werden im Zerfall von Myonen und Pi-Mesonen in der Erdatmosphäre geboren. Und während sie die Erde erreichen, schaffen sie es zu schwingen.

Der Detektor begann 1987 mit der Datenerfassung. Sie hatten großes Glück mit den Daten, aber mehr dazu im nächsten Artikel :) Das Setup war ein riesiges Fass, das mit klarem Wasser gefüllt war. Die Wände wurden mit Fotovervielfachern gefliest. Die Hauptreaktion, durch die Neutrinos gefangen wurden, besteht darin, ein Elektron aus Wassermolekülen auszuschalten:

$$

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

Ein schnell fliegendes freies Elektron leuchtet dunkelblau im Wasser. Diese Strahlung wurde von PMTs an den Wänden aufgezeichnet. Anschließend wurde die Installation auf Super Kamiokande aktualisiert und ihre Arbeit fortgesetzt.



Das Experiment bestätigte das Defizit an solaren Neutrinos und fügte das Defizit an atmosphärischen Neutrinos hinzu.

Gallium-Experimente

Fast unmittelbar nach dem Start von Kakiokande im Jahr 1990 wurden zwei Galliumdetektoren in Betrieb genommen. Einer von ihnen befand sich in Italien unter dem Berg Grand Sasso im gleichnamigen Labor. Die zweite befindet sich im Kaukasus in der Baksan-Schlucht unter dem Andyrchi-Berg. Speziell für dieses Labor wurde das Dorf Neutrino in der Schlucht gebaut. Die Methode selbst wurde 1964 von Vadim Kuzmin vorgeschlagen, inspiriert von den Ideen von Pontecorvo.

$$

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

Bei der Wechselwirkung mit Neutrinos verwandelt sich Gallium in ein instabiles Germaniumisotop, das in durchschnittlich 16 Tagen zu Gallium zurückfällt. In einem Monat werden mehrere zehn Germaniumatome gebildet, die sehr sorgfältig aus dem Gallium entfernt, in einen kleinen Detektor gegeben und die Anzahl der Zerfälle zurück zum Gallium gezählt werden müssen. Der Vorteil von Galliumexperimenten besteht darin, dass sie Neutrinos mit sehr niedriger Energie fangen können, die anderen Einrichtungen nicht zur Verfügung stehen.

Alle oben beschriebenen Experimente zeigten, dass wir weniger Neutrinos als erwartet sehen, aber dies beweist nicht das Vorhandensein von Schwingungen. Das Problem liegt möglicherweise immer noch im falschen Modell der Sonne. Das SNO-Experiment hat den letzten und fettesten Punkt im Problem der solaren Neutrinos gesetzt.

Sudbury Observatory

In der Craigton-Mine bauten Kanadier einen riesigen "Todesstern".



Eine von einem PMT umgebene und mit 1.000 Tonnen schwerem Wasser gefüllte Acrylkugel wurde in einer Tiefe von zwei Kilometern platziert. Solches Wasser unterscheidet sich von gewöhnlichem Wasser darin, dass gewöhnlicher Wasserstoff mit einem Proton durch Deuterium ersetzt wird - die Kombination eines Protons und eines Neutrons. Es war Deuterium, das eine Schlüsselrolle bei der Lösung der Probleme der solaren Neutrinos spielte. Ein solcher Aufbau könnte sowohl Elektronenneutrino-Wechselwirkungen als auch Wechselwirkungen aller anderen Arten aufzeichnen! Elektronenneutrinos zerstören Deuterium bei der Geburt eines Elektrons, während alle anderen Elektronentypen kein Kind zur Welt bringen können. Aber sie können Deuterium leicht „drücken“, so dass es auseinander fällt und das Neutrino weiter fliegt.

$$

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

Wie wir bereits besprochen haben, leuchtet ein schnelles Elektron, wenn es sich in einem Medium bewegt, und ein Neutron muss schnell genug von Deuterium eingefangen werden und ein Photon emittieren. All dies kann mit Fotovervielfachern registriert werden. Die Physiker hatten endlich die Möglichkeit, den Gesamtfluss von Teilchen aus der Sonne zu messen. Wenn sich herausstellt, dass es mit den Erwartungen übereinstimmt, bewegen sich die Elektronenneutrinos in andere, und wenn es weniger als erwartet ist, ist das falsche Modell der Sonne schuld.

Das Experiment begann 1999 mit der Arbeit, und Messungen zeigten zuversichtlich, dass es an der elektronischen Komponente mangelte

$$

$$\ frac {N_e} {N_ {total}} = 0,34$$

Ich möchte Sie daran erinnern, dass fast ausschließlich elektronische Neutrinos in einem Stern geboren werden können. Der Rest stellte sich also im Verlauf der Schwingungen heraus! Für diese Arbeit erhielten Arthur McDonald (SNO) und Kajita-san (Kamiokande) den Nobelpreis 2015.

Fast sofort, zu Beginn der 2000er Jahre, begannen andere Experimente, die Schwingungen zu untersuchen. Dieser Effekt wurde auch bei künstlichen Neutrinos beobachtet. Das japanische KamLAND-Experiment, das sich dennoch in Kamioka befindet, beobachtete bereits 2002 Schwingungen von Elektronenantineutrinos aus dem Reaktor. Und das zweite, ebenfalls japanische K2K-Experiment registrierte zum ersten Mal eine Typänderung in Neutrinos, die mit einem Beschleuniger erzeugt wurden. Der bekannte Super Kamiokande wurde als Ferndetektor eingesetzt.

Jetzt untersuchen immer mehr Einrichtungen diesen Effekt. Am Baikalsee im Mittelmeer am Südpol werden Detektoren gebaut. Es gab Installationen in der Nähe des Nordpols. Alle fangen Neutrinos kosmischen Ursprungs. Beschleuniger- und Reaktorexperimente funktionieren. Die Parameter der Schwingungen selbst werden verfeinert, es wird versucht, etwas über die Größe der Neutrinomassen herauszufinden. Es gibt Hinweise darauf, dass wir mit diesem Effekt die Vorherrschaft der Materie gegenüber der Antimaterie in unserem Universum erklären können!


Ich möchte darauf hinweisen, dass sich ihre Aromen und Quarks auf die gleiche Weise ändern, nur dieser Effekt ist für sie viel schwächer.

PS Ich versuche weiterhin Federn in populären Artikeln, daher wäre ich für Feedback / Kommentare / Anfragen dankbar. Wie werde ich die Zeit finden, wenn ich das nächste Mal schreiben möchte, wie das astrophysikalische Objekt zuerst nicht durch elektromagnetische Strahlung beobachtet wurde.
Spoiler - mit einem Neutrino :)