Arten von Neutrinos und Neutrinoschwingungen

Neutrinos - genau wie geladene Leptonen (Elektron, Myon, Tau), Quarks vom oberen Typ (oberer, bezauberter, wahrer) und unterer Typ (unterer, seltsamer, reizender) - sind von drei Typen. Sie können jedoch auf unterschiedliche Weise in Typen unterteilt werden. Gleichzeitig kann aufgrund der Quantennatur unserer Welt immer nur einer von ihnen gleichzeitig verwendet werden. In diesem Artikel werde ich erklären, warum dies geschieht und wie sich aus dieser Tatsache eine so interessante und wissenschaftlich wichtige Tatsache wie Neutrinoschwingungen ergibt.

Sie können denken, dass jedes Teilchen eine bestimmte Masse hat - zum Beispiel beträgt die Elektronenmassenenergie (E = mc ² ) 0,000511 GeV - und unter einem möglichen Gesichtspunkt sind drei Arten von Neutrinos keine Ausnahme. Wir können drei Neutrinos nach ihren Massen klassifizieren (die noch nicht genau bekannt sind) und sie vom leichtesten zum schwersten Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3 nennen. Wir werden eine solche Teilungsmassenklassifikation und solche Arten von Neutrinos - Massentypen - nennen.


Abb. 1

Eine andere Möglichkeit, Neutrinos zu klassifizieren, besteht in ihrer Beziehung zu geladenen Leptonen (Elektron, Myon und Tau). Dies wird in einem Artikel darüber erwähnt, wie Partikel aussehen würden, wenn das Higgs-Feld Null wäre. Der beste Weg, dies zu verstehen, besteht darin, sich darauf zu konzentrieren, wie Neutrinos von schwachen Kernwechselwirkungen beeinflusst werden, was sich in ihren Wechselwirkungen mit Teilchen W widerspiegelt. Teilchen W ist sehr schwer, und wenn Sie es produzieren, kann es in eine von drei geladenen zerfallen (Abb. 1) Antileptonen und eines der drei Neutrinos. Wenn W in Antitau zerfällt, erscheint ein Tau-Neutrino. In ähnlicher Weise erscheint ein Myon-Neutrino, wenn W in ein Antimuon zerfällt. (Was für die Erzeugung eines Neutrino-Strahls entscheidend ist, zerfällt ein Pion mit Hilfe schwacher Wechselwirkungen, und Antimuon und Myon-Neutrino werden aus positiv geladenen Pionen gewonnen.) Und wenn W in ein Positron zerfällt, erscheint ein Elektronenneutrino. Wir werden dies eine schwache Klassifikation nennen, und diese Neutrinos sind Neutrinos eines schwachen Typs, da schwache Wechselwirkung sie bestimmt.

Was ist das Problem? Wir verwenden ständig unterschiedliche Klassifikationen für Menschen. Wir sagen, dass die Menschen jung, alt und alt sind; Sie sind groß, mittelgroß und klein. Optional können die Menschen jedoch weiter in neun Kategorien unterteilt werden: jung und groß, jung und mittleren Alters, Erwachsene und kleine, ältere und kleine und so weiter. Die Quantenmechanik verbietet uns jedoch, dasselbe mit Neutrino-Klassifikationen zu tun. Es gibt keine Neutrinos, die gleichzeitig Myon-Neutrinos und Neutrinos-1 sind. Es gibt kein Tau-Neutrino-3. Wenn ich Ihnen die Masse des Neutrinos sage (und daher, ob es zur Neutrino-1-, 2- oder 3-Gruppe gehört), kann ich Ihnen einfach nicht sagen, ob es elektronisch, myonisch oder tau-neutral ist. Ein Neutrino eines bestimmten Massentyps ist eine Mischung oder "Überlagerung" von drei Neutrinos vom schwachen Typ. Jedes Neutrino vom Massentyp - Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3 - ist eine genaue, aber unterschiedliche Mischung aus elektronischen, myonischen und Tau-Neutrinos.

Das Gegenteil ist auch wahr. Wenn ich sehe, wie ein Pion in ein Antimuon und ein Neutrino zerfällt, stelle ich sofort fest, dass das resultierende Neutrino ein Myon-Neutrino ist - aber ich kann seine Masse nicht herausfinden, da es eine Mischung aus Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3 ist . Elektronenneutrinos und Tau-Neutrinos sind ebenfalls genaue, aber unterschiedliche Gemische von drei Neutrinos mit spezifischen Massen.

Die Beziehung zwischen diesen massiven und schwachen Typen ist ähnlicher (aber nicht genau konsistent) mit der Beziehung zwischen den Klassifikationen der amerikanischen Autobahnen als "Nord nach Süd" und "West nach Ost" (die US-Regierung teilt sie auf diese Weise und weist dem C / ungerade Zahlen zu). Süd- und sogar einfache Straßen (s / w) und Unterteilung in Straßen, die von "Nordosten nach Südwesten" und von "Südosten nach Nordwesten" verlaufen. Die Verwendung einer Klassifizierung hat ihre eigenen Vorteile: Die Klassifizierung N / S - W / N ist geeignet, wenn Sie sich auf Breiten- und Längengrade konzentrieren, und NE / SW - SE / NW ist in Küstennähe bequemer, da sie von Südwesten nach Norden verläuft Osten. Beide Klassifikationen können jedoch nicht gleichzeitig verwendet werden. Die Straße nach Nordosten ist teilweise nördlich und teilweise östlich; es kann nicht gesagt werden, dass sie entweder dies oder das ist. Und die Nordstraße ist eine Mischung aus Nordosten und Nordwesten. So ist es auch mit Neutrinos: Massenneutrinos sind eine Mischung aus schwachen Neutrinos, und schwache Neutrinos sind eine Mischung aus Massenneutrinos. (Die Analogie funktioniert nicht mehr, wenn Sie sich für die verbesserte Klassifizierung der Straßen C / S - N / S - S / S - S / S / S entscheiden. Für das Neutrino gibt es diese Option nicht.)

Die Unfähigkeit, Neutrinos zu klassifizieren und sie einem bestimmten Massentyp und einem bestimmten schwachen Typ zuzuordnen, ist ein Beispiel für das Unsicherheitsprinzip , ähnlich einer Fremdheit, die es gleichzeitig verbietet, die genaue Position und Geschwindigkeit eines Teilchens zu kennen. Wenn Sie eine dieser Eigenschaften genau kennen, haben Sie keine Ahnung von der anderen. Oder Sie können etwas über beide Eigenschaften lernen, aber nicht über alle. Die Quantenmechanik sagt Ihnen genau, wie Sie Ihr Wissen und Ihre Unwissenheit in Einklang bringen können. Diese Probleme gelten übrigens nicht nur für Neutrinos. Sie sind mit anderen Partikeln assoziiert, aber besonders wichtig im Zusammenhang mit dem Neutrino-Verhalten.

Vor Jahrzehnten war alles einfacher. Dann wurde angenommen, dass Neutrinos keine Masse hatten, so dass es ausreichte, eine schwache Klassifikation zu verwenden. Wenn Sie sich alte Werke oder alte Bücher für gewöhnliche Menschen ansehen, sehen Sie nur Namen wie Elektronenneutrinos, Myonenneutrinos und Tau-Neutrinos. Nach den Entdeckungen der neunziger Jahre reicht dies jedoch nicht mehr aus.

Und jetzt beginnt der Spaß. Angenommen, Sie haben ein hochenergetisches Neutrino vom elektronischen Typ, dh eine bestimmte Mischung aus Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3. Ein Neutrino bewegt sich im Raum, aber seine drei verschiedenen Massentypen bewegen sich mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten, sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Warum? Weil die Geschwindigkeit eines Objekts von seiner Energie und Masse abhängt und drei Massentypen drei verschiedene Massen haben. Der Unterschied in ihrer Geschwindigkeit ist für jedes Neutrino, das wir messen können, extrem gering - es wurde nie beobachtet - aber seine Wirkung ist überraschend stark!

Die Neutrino-Geschwindigkeitsdifferenz - einige Formeln

Die Teilchengeschwindigkeit v in Einsteins Relativitätstheorie kann als Teilchenmasse m und Energie E (dies ist die Gesamtenergie, d. H. Die Bewegungsenergie plus die Massenenergie E = mc ² ) und die Lichtgeschwindigkeit c wie folgt geschrieben werden:

$$

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

Wenn ein Teilchen eine sehr hohe Geschwindigkeit hat und seine Gesamtenergie E viel größer ist als die Massenenergie mc ² , dann

$$

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

Wo die Punkte uns daran erinnern, dass diese Formel nicht genau ist, sondern eine gute Annäherung an das große E. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeit eines Teilchens, das sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, unterscheidet sich von der Lichtgeschwindigkeit um einen Betrag, der dem halben Quadrat des Verhältnisses der Massenenergie des Teilchens zu seiner Gesamtenergie entspricht . Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass sich ihre Geschwindigkeiten sehr wenig unterscheiden, wenn zwei Neutrinos unterschiedliche Massen m ₁ und m ₂ , aber dieselbe große Energie E haben.

Mal sehen, was das bedeutet. Alle gemessenen Neutrinos einer 1987 explodierten Supernova kamen im Abstand von 10 Sekunden auf die Erde. Angenommen, ein Elektronenneutrino wurde von einer Supernova mit einer Energie von 10 MeV emittiert. Dieses Neutrino war eine Mischung aus Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3, die sich jeweils mit einer etwas anderen Geschwindigkeit bewegten! Würden wir das bemerken? Wir kennen die Massen von Neutrinos nicht genau, nehmen jedoch an, dass Neutrino-2 eine Massenenergie von 0,01 eV und Neutrino-1 eine Massenenergie von 0,001 eV hat. Dann unterscheiden sich ihre beiden Geschwindigkeiten bei gleicher Energie von der Lichtgeschwindigkeit und von weniger als einem Teil von hunderttausend Billionen voneinander:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0,0000000000000000005 c$$

(Der Fehler aller Gleichungen überschreitet 1% nicht). Ein solcher Geschwindigkeitsunterschied bedeutet, dass Teile von Neutrino-2 und Neutrino-1 des ursprünglichen Elektronenneutrinos mit einem Unterschied von einer Millisekunde auf die Erde gelangen würden - ein solcher Unterschied kann aus vielen technischen Gründen nicht festgestellt werden.

* * *

Und jetzt, von dem Interessanten, gehen wir zu wirklich seltsamen Dingen über.

Dieser winzige Geschwindigkeitsunterschied bewirkt, dass sich die genaue Mischung aus Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3, bei der es sich um ein Elektronenneutrino handelt, allmählich ändert, wenn man sich im Raum bewegt. Dies bedeutet, dass das elektronische Neutrino, mit dem wir begonnen haben, im Laufe der Zeit nicht mehr wir selbst sind und einer bestimmten Mischung aus Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3 entspricht. Die unterschiedlichen Massen von Neutrinos dreier Massentypen verwandeln das anfängliche Elektronenneutrino während der Bewegung in eine Mischung aus Elektronenneutrinos, Myonenneutrinos und Tau-Neutrinos. Die Prozentsätze des Gemisches hängen von der Geschwindigkeitsdifferenz und daher von der Energie des anfänglichen Neutrinos sowie von der Massendifferenz (genauer gesagt von der Differenz der Massenquadrate) des Neutrinos ab.


Abb. 2

Zunächst nimmt der Effekt zu. Interessanterweise ist jedoch, wie in Abb. 2, dieser Effekt wächst nicht nur ständig. Es wächst und nimmt dann wieder ab und wächst dann wieder, nimmt im Verlauf der Neutrino-Bewegung immer wieder ab. Dies nennt man Neutrinoschwingungen. Wie genau sie auftreten, hängt davon ab, welche Massen von Neutrinos vorhanden sind und wie dort Massenneutrinos und schwache Neutrinos gemischt werden.

Die Wirkung von Schwingungen kann aufgrund der Tatsache gemessen werden, dass ein mit einem Kern kollidierendes Elektronenneutrino (nämlich ein Neutrino kann nachgewiesen werden) sich in ein Elektron verwandeln kann, jedoch nicht in ein Myon oder Tau, während sich ein Myonneutrino in ein Myon verwandeln kann, aber nicht in Elektron oder Tau. Wenn wir also mit einem Myonenneutrinostrahl begonnen haben und nach einer bestimmten Entfernung einige Neutrinos mit Kernen kollidierten und sich in Elektronen verwandelten, bedeutet dies, dass Schwingungen im Strahl auftreten und Myonenneutrinos sich in Elektronenneutrinos verwandeln.

Ein sehr wichtiger Effekt kompliziert und bereichert diese Geschichte. Da gewöhnliche Materie aus Elektronen besteht, aber nicht aus Myonen und Tau, interagieren Elektronenneutrinos anders mit ihr als Myon oder Tau. Diese Wechselwirkungen, die durch schwache Wechselwirkungen auftreten, sind äußerst gering. Wenn das Neutrino jedoch eine große Materiedicke durchläuft (z. B. einen materiellen Teil der Erde oder der Sonne), können sich diese kleinen Effekte ansammeln und die Schwingungen stark beeinflussen. Glücklicherweise wissen wir genug über schwache nukleare Wechselwirkungen, um diese Effekte detailliert vorherzusagen und die gesamte Kette rückwärts zu berechnen, von Messungen in einem Experiment bis zur Ermittlung der Eigenschaften von Neutrinos.

All dies geschieht mit Hilfe der Quantenmechanik. Wenn dies für Sie nicht intuitiv ist, entspannen Sie sich. für mich ist das auch nicht intuitiv. Ich habe meine ganze Intuition aus den Gleichungen gewonnen.

Es stellt sich heraus, dass eine sorgfältige Messung der Neutrinoschwingungen der schnellste Weg ist, um die Eigenschaften von Neutrinos zu untersuchen! Für diese Arbeit haben sie bereits den Nobelpreis vergeben. Diese ganze Geschichte entstand aus dem klassischen Zusammenspiel von Experiment und Theorie, das sich von den 1960er Jahren bis heute erstreckt. Ich werde die wichtigsten Messungen erwähnen.

Zunächst können wir Elektronenneutrinos untersuchen, die im Zentrum der Sonne in ihrem gut untersuchten Kernofen produziert werden. Diese Neutrinos wandern durch die Sonne und durch den leeren Raum zur Erde. Es wurde festgestellt, dass sie bei ihrer Ankunft auf der Erde mit der gleichen Wahrscheinlichkeit sowohl zur Art des Myons oder Tau als auch zur Art des Elektronenneutrinos gehören können. Dies an sich dient als Beweis für Neutrinoschwingungen, und die genaue Verteilung gibt uns detaillierte Informationen über Neutrinos.

Wir haben auch Myonenneutrinos, die durch den Zerfall von Pionen entstehen, die in kosmischen Strahlen entstehen. Kosmische Strahlen sind hochenergetische Teilchen, die aus dem Weltraum kommen und mit Atomkernen in der oberen Atmosphäre kollidieren. In den resultierenden Partikelkaskaden werden häufig Pionen gefunden, von denen viele in Myon-Neutrinos und Antimuonen oder in Myon-Antineutrinos und Myonen zerfallen. Wir erkennen einige dieser Neutrinos (und Antineutrinos) in unseren Detektoren und können messen, wie viel von ihnen zu Elektronenneutrinos (und Antineutrinos) gehört, abhängig von der Dicke der Erde, die sie passiert haben, bevor sie in den Detektor gelangen. Dies gibt uns wieder wichtige Informationen über das Verhalten des Neutrinos.

Diese „solaren“ und „atmosphärischen“ Neutrinos haben uns in den letzten zwanzig Jahren viel über die Eigenschaften von Neutrinos beigebracht (und der erste Hinweis auf etwas Interessantes geschah vor fast 50 Jahren). Zu diesen natürlichen Energiequellen kommen verschiedene Studien hinzu, die mit Neutrino-Strahlen durchgeführt wurden, wie sie im OPERA- Experiment verwendet wurden, sowie mit Neutrinos aus konventionellen Kernreaktoren. Jede der Messungen stimmt größtenteils mit der Standardinterpretation von solaren und atmosphärischen Neutrinos überein und ermöglicht genauere Messungen von Gemischen von Massentypen und schwachen Arten von Neutrinos sowie Unterschiede in den quadratischen Massen von Massenneutrinos.

Wie zu erwarten ist, gibt es in den Experimenten geringfügige Abweichungen von den theoretischen Erwartungen, aber keine davon wurde bestätigt, und die meisten, wenn nicht alle, sind nur statistische Unfälle oder Probleme auf experimenteller Ebene. Bisher wurde in mehreren Experimenten kein Widerspruch zum Verständnis von Neutrinos und ihrem Verhalten bestätigt. Auf der anderen Seite ist dieses ganze Bild ziemlich neu und ziemlich schlecht getestet, so dass es durchaus möglich, wenn auch unwahrscheinlich ist, dass es völlig andere Interpretationen hat. In der Tat wurden bereits ziemlich ernsthafte Alternativen vorgeschlagen. Die Verfeinerung der Details der Eigenschaften von Neutrinos ist daher ein sich aktiv entwickelndes Forschungsfeld, in dem größtenteils Übereinstimmung besteht, einige Fragen jedoch noch offen sind - einschließlich einer vollständigen und unwiderruflichen Bestimmung der Neutrinomassen.