Oscilaciones de neutrinos para tontos

Casi todos los geeks escucharon sobre las oscilaciones de neutrinos. Se ha escrito una gran cantidad de literatura profesional y un montón de artículos populares sobre este fenómeno, pero solo los autores de los libros de texto creen que el lector entiende la teoría de campo, e incluso cuántica, y los autores de artículos populares generalmente se limitan a frases en el estilo: "Las partículas vuelan, vuelan, y luego BAC y convertirse en otros ", con una masa diferente (!!!). Intentaremos averiguar de dónde proviene este interesante efecto y cómo se observa con la ayuda de grandes instalaciones. Y al mismo tiempo aprenderemos cómo encontrar y extraer varios átomos necesarios de 600 toneladas de materia.

Otro neutrino

En un artículo anterior, hablé sobre cómo apareció la idea misma de la existencia de un neutrino en 1932 y cómo se descubrió esta partícula 25 años después. Permítanme recordarles, Raines y Cowan grabaron la interacción de un antineutrino con un protón. $$$\ bar {\ nu} + p \ to n + e ^ +$. Pero incluso entonces, muchos científicos creían que los neutrinos podían ser de varios tipos. Un neutrino que interactúa activamente con un electrón se llama electrón, y un neutrino que interactúa con un muón , respectivamente, es un muón. Los experimentadores necesitaban determinar si estos dos estados son diferentes o no. Lederman, Schwartz y Steinberger realizaron un experimento excepcional. Examinaron un haz de pi-mesones del acelerador. Dichas partículas se descomponen fácilmente en un muón y un neutrino.

$$

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

Si el neutrino realmente tiene diferentes variedades, entonces el muón debe nacer. Entonces todo es simple: en el camino de las partículas nacidas, establecemos un objetivo y examinamos cómo interactúan: con el nacimiento de un electrón o muón. La experiencia ha demostrado inequívocamente que los electrones casi no nacen.

$$

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

¡Así que ahora tenemos dos tipos de neutrinos! Estamos listos para pasar al siguiente paso en la discusión de las oscilaciones de neutrinos.

Este es un tipo de Sol "equivocado"

En los primeros experimentos con neutrinos, se utilizó una fuente artificial: un reactor o un acelerador. Esto hizo posible crear flujos de partículas muy potentes, porque las interacciones son extremadamente raras. Pero fue mucho más interesante registrar neutrinos naturales. De particular interés es el estudio del flujo de partículas del sol.

A mediados del siglo XX, ya estaba claro que la leña no ardía al sol: contaron y resultó que no había suficiente madera. La energía se libera durante una reacción nuclear en el centro del sol. Por ejemplo, el proceso principal para nuestra estrella se llama " ciclo protón-protón ", cuando un átomo de helio se ensambla a partir de cuatro protones.



Puede notar que en el primer paso deben nacer las partículas que nos interesan. ¡Y aquí la física de neutrinos puede mostrar todo su poder! Para la observación óptica, solo está disponible la superficie del Sol (fotosfera), y el neutrino pasa libremente a través de todas las capas de nuestra estrella. Como resultado, las partículas detectadas provienen del mismo centro, donde nacen. Podemos "observar" directamente el núcleo del Sol. Naturalmente, tales estudios no podrían sino atraer a los físicos. Además, el flujo esperado era de casi 100 mil millones de partículas por centímetro cuadrado por segundo.

Raymond Davis fue el primero en realizar un experimento de este tipo en la mina de oro más grande de Estados Unidos, la Mina Homestake. La instalación tuvo que ocultarse bajo tierra para protegerse del poderoso flujo de partículas cósmicas. Un neutrino puede atravesar un kilómetro y medio de roca sin problemas, pero se detendrán otras partículas. El detector era un enorme barril lleno de 600 toneladas de tetracloroetileno, un compuesto de 4 átomos de cloro. Esta sustancia se usa activamente en la limpieza en seco y es bastante barata.



Este método de registro fue propuesto por Bruno Maksimovich Pontecorvo. Al interactuar con neutrinos, el cloro se convierte en un isótopo de argón inestable,

$$

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

que captura un electrón del orbital inferior y se descompone en un promedio de 50 días.

$$

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

Pero! Solo se esperan alrededor de 5 interacciones de neutrinos por día. En un par de semanas, solo 70 átomos de argón serán tipificados, ¡y deben ser encontrados! Encuentra docenas de átomos en un barril de 600 toneladas. Realmente un desafío fantástico. Una vez cada dos meses, Davis sopló el barril con helio, soplando el argón formado. El gas purificado repetidamente se colocó en un pequeño detector ( contador Geiger ), donde se consideró el número de desintegraciones del argón resultante. Entonces se midió el número de interacciones de neutrinos.

Casi de inmediato, resultó que el flujo de neutrinos del Sol era casi tres veces menor de lo esperado, lo que causó un gran impacto en la física. En 2002, Davis compartió con Kosiba-san el Premio Nobel por su importante contribución a la astrofísica, en términos de detección de neutrinos cósmicos.



Una pequeña observación: Davis registró neutrinos no de la reacción protón-protón, que describí anteriormente, sino de procesos ligeramente más complejos y raros con berilio y boro, pero esto no cambia la esencia.

¿Quién tiene la culpa y qué hacer?

Entonces, el flujo de neutrinos es tres veces más pequeño de lo esperado. Por qué Puede ofrecer las siguientes opciones:

1. El modelo del sol es incorrecto. A pesar de muchos años de observaciones ópticas, no entendemos completamente cómo funciona el sol. El flujo total de neutrinos es menor de lo esperado;
2. Algo está mal con los neutrinos mismos. Por ejemplo, cambian de tipo en el camino a la Tierra ( $$$\ nu_e \ to \ nu_ \ mu$) y ya no puede interactuar con el nacimiento de un electrón. Flujo total $$$\ nu_e + \ nu_ \ mu$No ha cambiado.

Estos neutrinos volubles

Un año antes de los resultados del experimento de Davis, el mencionado Bruno Pontecorvo desarrolla una teoría de cómo exactamente los neutrinos pueden cambiar su tipo en el vacío. Una consecuencia es que los diferentes tipos de neutrinos deben tener masas diferentes. ¿Y por qué deberían las partículas tomar y cambiar su masa de esta manera sobre la marcha, lo que, en términos generales, debería preservarse? Vamos a hacerlo bien.

No podemos prescindir de una pequeña introducción a la teoría cuántica, pero trataré de hacer esta explicación lo más transparente posible. Solo se necesita geometría básica. El estado del sistema se describe mediante un "vector de estado". Si hay un vector, entonces debe haber una base. Veamos la analogía con el espacio de color. Nuestro "estado" es verde. En la base RGB, escribimos este vector como (0, 1, 0). Pero en la base CMYK, casi el mismo color se registrará de manera diferente (0.63, 0, 1, 0). Obviamente, no tenemos y no podemos tener una base "principal". Para diferentes necesidades: imágenes en un monitor o impresión, debemos usar nuestro sistema de coordenadas.

¿Cuáles son las bases para los neutrinos? Es lógico descomponer el flujo de neutrinos en diferentes tipos: electrónico ( $$$\ nu_e$), muónico ( $$$\ nu_ \ mu$) y tau ( $$$\ nu_ \ tau$) Si una corriente de neutrinos exclusivamente electrónicos vuela desde el Sol, entonces este estado es (1, 0, 0) en esa base. Pero como discutimos, los neutrinos pueden ser masivos. Y tener diferentes masas. Por lo tanto, es posible descomponer el flujo de neutrinos en estados de masa: $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$con las masas $$$m_1, m_2, m_3$en consecuencia

¡El punto de las oscilaciones es que estas bases no coinciden! El azul en la imagen muestra los tipos (tipos) de neutrinos y los estados rojos con diferentes masas.



Es decir, si un neutrino electrónico apareció en la descomposición de un neutrón, entonces aparecieron tres estados de masa a la vez (diseñaron $$$\ nu_e$en $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$)

Pero si estos estados tienen masas ligeramente diferentes, entonces las energías serán ligeramente diferentes. Y dado que las energías son diferentes, entonces se extenderán en el espacio de diferentes maneras. La imagen muestra cómo evolucionarán estos tres estados con el tiempo.


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

En la imagen, el movimiento de las partículas se muestra en forma de onda. Tal representación se llama onda de Broglie o onda de probabilidad para registrar una partícula particular.

El neutrino interactúa según el tipo ( $$$e, \ mu, \ tau$) Por lo tanto, cuando queremos calcular cómo se manifestará el neutrino, necesitamos proyectar nuestro vector de estado en ( $$$\ nu_e, \ nu_ \ mu, \ nu_ \ tau$) Y de esta manera será posible registrar este o aquel tipo de neutrino. Estas son las ondas de probabilidad que obtenemos para el neutrino electrónico, dependiendo de la distancia recorrida:



La cantidad que cambiará el tipo está determinada por los ángulos relativos de los sistemas de coordenadas descritos (mostrados en la figura anterior $$$\ theta_ {ij}$) y diferencias de masa.

Si no tiene miedo de la terminología de la mecánica cuántica y tuvo la paciencia para leer hasta este punto, puede encontrar una descripción formal simple en Wikipedia .

¿Pero cómo realmente?

La teoría es, por supuesto, buena. Pero hasta ahora no podemos decidir cuál de las dos opciones se implementa en la naturaleza: el Sol "no es así" o el neutrino no es así. Necesitamos nuevos experimentos que finalmente muestren la naturaleza de este interesante efecto. En pocas palabras, describiré las principales actitudes que desempeñaron un papel clave en la investigación.

Observatorio Kamioka

La historia de este observatorio comienza con el hecho de que aquí intentaron encontrar la descomposición del protón. Es por eso que el detector recibió el nombre correspondiente: "Kamioka" (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Pero al no encontrar nada, los japoneses rápidamente cambiaron a una dirección prometedora: el estudio de los neutrinos atmosféricos y solares. Ya discutimos de dónde viene el sol. Los atmosféricos nacen en las desintegraciones de muones y pi-mesones en la atmósfera de la Tierra. Y mientras alcanzan la Tierra, logran oscilar.

El detector comenzó a recopilar datos en 1987. Tuvieron mucha suerte con las fechas, pero más sobre eso en el siguiente artículo :) La configuración era un enorme barril lleno de agua limpia. Las paredes estaban alicatadas con fotomultiplicadores. La reacción principal por la cual los neutrinos fueron atrapados es eliminar un electrón de las moléculas de agua:

$$

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

Un electrón libre de vuelo rápido brilla de color azul oscuro en el agua. Esta radiación fue registrada por PMT en las paredes. Posteriormente, la instalación se actualizó a Super Kamiokande y continuó su trabajo.



El experimento confirmó el déficit de neutrinos solares y agregó a esto el déficit de neutrinos atmosféricos.

Experimentos de galio

Casi inmediatamente después del lanzamiento de Kakiokande en 1990, dos detectores de galio comenzaron a funcionar. Uno de ellos estaba ubicado en Italia, debajo de la montaña de Grand Sasso en el laboratorio del mismo nombre. El segundo es en el Cáucaso, en la garganta de Baksan, debajo de la montaña Andyrchi. Especialmente para este laboratorio, el pueblo de Neutrino fue construido en la garganta. El método en sí fue propuesto por Vadim Kuzmin, inspirado en las ideas de Pontecorvo, en 1964.

$$

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

Al interactuar con los neutrinos, el galio se convierte en un isótopo de germanio inestable, que se descompone en galio en un promedio de 16 días. En un mes, se forman varias decenas de átomos de germanio, que deben retirarse con mucho cuidado del galio, colocarse en un pequeño detector y contar el número de desintegraciones hasta el galio. La ventaja de los experimentos con galio es que pueden atrapar neutrinos de muy baja energía que no están disponibles para otras instalaciones.

Todos los experimentos descritos anteriormente mostraron que vemos menos neutrinos de lo esperado, pero esto no prueba la presencia de oscilaciones. El problema aún puede estar en el modelo incorrecto del Sol. El experimento SNO ha puesto el último y gordo punto en el problema de los neutrinos solares.

Observatorio de Sudbury

En la mina Craigton, los canadienses construyeron una gran "estrella de la muerte".



Se colocó una esfera acrílica rodeada por un PMT y llena con 1,000 toneladas de agua pesada a una profundidad de dos kilómetros. Dicha agua difiere del agua ordinaria en que el hidrógeno ordinario con un protón se reemplaza por deuterio, la combinación de un protón y un neutrón. Fue el deuterio el que jugó un papel clave en la solución de los problemas de los neutrinos solares. ¡Tal configuración podría registrar tanto las interacciones de neutrinos electrónicos como las interacciones de todos los demás tipos! Los neutrinos de electrones destruirán el deuterio con el nacimiento de un electrón, mientras que todos los demás tipos de electrones no pueden dar a luz. Pero pueden "empujar" ligeramente el deuterio para que se desmorone y el neutrino vuela más lejos.

$$

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

Un electrón rápido, como ya hemos discutido, brilla cuando se mueve en un medio, y un neutrón debe ser capturado lo suficientemente rápido por el deuterio, emitiendo un fotón. Todo esto se puede registrar utilizando fotomultiplicadores. Los físicos finalmente tuvieron la oportunidad de medir el flujo total de partículas del sol. Si resulta que coincide con las expectativas, entonces los neutrinos de electrones se están moviendo hacia otros, y si es menos de lo esperado, entonces el modelo equivocado del Sol tiene la culpa.

El experimento comenzó a funcionar en 1999, y las mediciones indicaron con confianza que había una escasez del componente electrónico.

$$

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

Permíteme recordarte que casi exclusivamente los neutrinos electrónicos pueden nacer en una estrella. ¡Entonces el resto resultó en el proceso de oscilaciones! Por este trabajo, Arthur McDonald (SNO) y Kajita-san (Kamiokande) recibieron el Premio Nobel 2015.

Casi de inmediato, a principios de la década de 2000, otros experimentos comenzaron a estudiar las oscilaciones. Este efecto también se observó para los neutrinos artificiales. El experimento japonés de KamLAND, ubicado de todos modos en Kamioka, ya en 2002 observó oscilaciones de antineutrinos electrónicos del reactor. Y el segundo experimento K2K, también japonés, registró por primera vez un cambio de tipo en los neutrinos creados con un acelerador. El conocido Super Kamiokande fue utilizado como un detector distante.

Ahora más y más instalaciones están estudiando este efecto. Se están construyendo detectores en el lago Baikal, en el mar Mediterráneo, en el Polo Sur. Había instalaciones cerca del Polo Norte. Todos ellos atrapan neutrinos de origen cósmico. Los experimentos de aceleradores y reactores funcionan. Los parámetros de las oscilaciones en sí son refinados, se hacen intentos para descubrir algo sobre la magnitud de las masas de neutrinos. ¡Hay evidencia de que es con este efecto que podemos explicar el predominio de la materia sobre la antimateria en nuestro Universo!


Quiero señalar que de la misma manera que cambian sus aromas y quarks, solo este efecto es mucho más débil para ellos.

PD: Continúo probando plumas en artículos populares, por lo que agradecería sus comentarios / comentarios / solicitudes. ¿Cómo voy a encontrar el tiempo? La próxima vez que planee escribir cómo se observó por primera vez el objeto astrofísico, no a través de la radiación electromagnética.
Spoiler - usando un neutrino :)