Oscillations de neutrinos pour les nuls

Presque tous les geeks ont entendu parler des oscillations des neutrinos. Beaucoup de littérature professionnelle et un tas d'articles populaires ont été écrits sur ce phénomène, mais seuls les auteurs de manuels croient que le lecteur comprend la théorie du champ, et même le quantum, et les auteurs d'articles populaires sont généralement limités à des phrases du style: «Les particules volent, volent, puis BAC et se transformer en d'autres », avec une masse différente (!!!). Nous allons essayer de comprendre d'où vient cet effet intéressant et comment il est observé à l'aide d'énormes installations. Et en même temps, nous apprendrons comment trouver et extraire plusieurs atomes nécessaires de 600 tonnes de matière.

Un autre neutrino

Dans un article précédent, j'ai expliqué comment l'idée même de l'existence d'un neutrino est apparue en 1932 et comment cette particule a été découverte 25 ans plus tard. Permettez-moi de vous rappeler que Raines et Cowan ont enregistré l'interaction d'un antineutrino avec un proton $$$\ bar {\ nu} + p \ à n + e ^ +$ . Mais même alors, de nombreux scientifiques pensaient que les neutrinos pouvaient être de plusieurs types. Un neutrino qui interagit activement avec un électron est appelé électron, et un neutrino qui interagit avec un muon , respectivement, est un muon. Les expérimentateurs devaient déterminer si ces deux états sont différents ou non. Lederman, Schwartz et Steinberger ont mené une expérience exceptionnelle. Ils ont examiné un faisceau de mésons pi de l'accélérateur. Ces particules se désintègrent facilement en un muon et un neutrino.

$$

$$\ pi \ à \ mu + \ nu$$

Si le neutrino a vraiment des variétés différentes, alors le muon doit naître. Ensuite, tout est simple - sur le chemin des particules nées, nous fixons une cible et examinons comment elles interagissent: avec la naissance d'un électron ou d'un muon. L'expérience a montré sans équivoque que les électrons ne sont presque pas nés.

$$

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

Nous avons donc maintenant deux types de neutrinos! Nous sommes prêts à passer à l'étape suivante de la discussion sur les oscillations des neutrinos.

C'est une sorte de «mauvais» Soleil

Dans les premières expériences de neutrinos, une source artificielle a été utilisée: un réacteur ou un accélérateur. Cela a permis de créer des flux de particules très puissants, car les interactions sont extrêmement rares. Mais il était beaucoup plus intéressant d'enregistrer les neutrinos naturels. L'étude du flux de particules du soleil est particulièrement intéressante.

Au milieu du 20e siècle, il était déjà clair que le bois de chauffage ne brûlait pas au soleil - ils ont compté et il s'est avéré qu'il n'y avait pas assez de bois de chauffage. L'énergie est libérée lors d'une réaction nucléaire au centre même du soleil. Par exemple, le processus principal de notre étoile est appelé « cycle proton-proton », lorsqu'un atome d'hélium est assemblé à partir de quatre protons.



Vous remarquerez peut-être qu'à la première étape, les particules qui nous intéressent devraient naître. Et ici, la physique des neutrinos peut montrer toute sa puissance! Pour l'observation optique, seule la surface du Soleil (photosphère) est disponible, et le neutrino traverse librement toutes les couches de notre étoile. En conséquence, les particules détectées viennent du centre même, où elles naissent. Nous pouvons «observer» directement le cœur du Soleil. Naturellement, de telles études ne pouvaient qu'attirer les physiciens. De plus, le flux attendu était de près de 100 milliards de particules par centimètre carré par seconde.

Raymond Davis a été le premier à réaliser une telle expérience dans la plus grande mine d'or d'Amérique, Homestake Mine. L'installation devait être cachée profondément sous terre pour se protéger du puissant flux de particules cosmiques. Un neutrino peut traverser sans problème un kilomètre et demi de roche, mais d'autres particules seront stoppées. Le détecteur était un énorme baril rempli de 600 tonnes de tétrachloroéthylène - un composé de 4 atomes de chlore. Cette substance est activement utilisée dans le nettoyage à sec et est assez bon marché.



Cette méthode d'enregistrement a été proposée par Bruno Maksimovich Pontecorvo. Lorsqu'il interagit avec les neutrinos, le chlore se transforme en un isotope argon instable,

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

qui capture un électron de l'orbite inférieure et se désintègre en moyenne en 50 jours.

$$

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

Mais! Seulement environ 5 interactions neutrino sont attendues par jour. Dans quelques semaines, seuls 70 atomes d'argon seront typés, et ils doivent être trouvés! Trouvez des dizaines d'atomes dans un baril de 600 tonnes. Vraiment un défi fantastique. Tous les deux mois, Davis a soufflé le baril avec de l'hélium, soufflant l'argon formé. Le gaz purifié à plusieurs reprises a été placé dans un petit détecteur ( compteur Geiger ), où le nombre de désintégrations de l'argon résultant a été pris en compte. Le nombre d'interactions neutrino a donc été mesuré.

Presque immédiatement, il s'est avéré que le flux de neutrinos provenant du Soleil était presque trois fois plus faible que prévu, ce qui a fait un grand bruit en physique. En 2002, Davis a partagé avec Kosiba-san le prix Nobel pour sa contribution significative à l'astrophysique, en termes de détection de neutrinos cosmiques.



Une petite remarque: Davis a enregistré des neutrinos non pas de la réaction proton-proton, que j'ai décrite ci-dessus, mais de processus légèrement plus complexes et rares avec du béryllium et du bore, mais cela ne change pas l'essence.

Qui est à blâmer et que faire?

Ainsi, le flux de neutrinos est trois fois plus petit que prévu. Pourquoi? Vous pouvez proposer les options suivantes:

1. Le modèle du Soleil est incorrect. Malgré de nombreuses années d'observations optiques, nous ne comprenons absolument pas comment fonctionne le soleil. Le flux total de neutrinos est inférieur à celui attendu;
2. Quelque chose ne va pas avec les neutrinos eux-mêmes. Par exemple, ils changent de type sur le chemin de la Terre ( $$$\ nu_e \ à \ nu_ \ mu$ ) et ne peut plus interagir avec la naissance d'un électron. Débit total $$$\ nu_e + \ nu_ \ mu$ pas changé.

Ces neutrinos volages

Un an avant les résultats de l'expérience Davis, Bruno Pontecorvo susmentionné développe une théorie sur la manière dont les neutrinos peuvent changer leur type dans le vide. Une conséquence est que différents types de neutrinos doivent avoir des masses différentes. Et pourquoi diable les particules devraient-elles prendre et changer leur masse comme ceci à la volée, qui, d'une manière générale, devrait être préservée? Faisons les choses correctement.

Nous ne pouvons pas nous passer d'une petite introduction à la théorie quantique, mais je vais essayer de rendre cette explication aussi transparente que possible. Seule une géométrie de base est nécessaire. L'état du système est décrit par un «vecteur d'état». S'il y a un vecteur, alors il doit y avoir une base. Regardons l'analogie avec l'espace colorimétrique. Notre «état» est vert. Dans la base RVB, nous écrivons ce vecteur comme (0, 1, 0). Mais dans la base CMJN, presque la même couleur sera enregistrée différemment (0,63, 0, 1, 0). De toute évidence, nous n'avons pas et ne pouvons pas avoir une base «principale». Pour différents besoins: images sur un moniteur ou impression, nous devons utiliser notre système de coordonnées.

Quelles sont les bases des neutrinos? Il est logique de décomposer le flux de neutrinos en différents types: électronique ( $$$\ nu_e$ ), muonique ( $$$\ nu_ \ mu$ ) et tau ( $$$\ nu_ \ tau$ ) Si un flux de neutrinos exclusivement électroniques vole du Soleil, alors cet état est (1, 0, 0) dans une telle base. Mais comme nous en avons discuté, les neutrinos peuvent être massifs. Et d'avoir des masses différentes. Il est donc possible de décomposer le flux de neutrinos en états de masse: $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$ avec les masses $$$m_1, m_2, m_3$ en conséquence.

L'intérêt des oscillations est que ces bases ne coïncident pas! Le bleu sur l'image montre les types (types) de neutrinos et les états rouges avec des masses différentes.



Autrement dit, si un neutrino électronique est apparu dans la désintégration d'un neutron, alors trois états de masse sont apparus à la fois (ils ont conçu $$$\ nu_e$ sur $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$ )

Mais si ces états ont des masses légèrement différentes, alors les énergies seront légèrement différentes. Et puisque les énergies sont différentes, alors elles se répandront dans l'espace de différentes manières. L'image montre comment ces trois états évolueront avec le temps.


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

Dans l'image, le mouvement des particules est représenté sous la forme d'une onde. Une telle représentation est appelée l' onde de Broglie , ou l'onde de probabilité pour enregistrer une particule particulière.

Le neutrino interagit selon le type ( $$$e, \ mu, \ tau$ ) Par conséquent, lorsque nous voulons calculer la façon dont le neutrino se manifestera, nous devons projeter notre vecteur d'état sur ( $$$\ nu_e, \ nu_ \ mu, \ nu_ \ tau$ ) Et de cette façon, il sera possible d'enregistrer tel ou tel type de neutrino. Ce sont les ondes de probabilité que nous obtenons pour le neutrino électronique, en fonction de la distance parcourue:



La variation du type est déterminée par les angles relatifs des systèmes de coordonnées décrits (illustrés dans la figure précédente $$$\ theta_ {ij}$ ) et les différences de masse.

Si vous n'avez pas peur de la terminologie de la mécanique quantique et que vous avez eu la patience de lire jusqu'à ce point, une description formelle simple peut être trouvée sur Wikipedia .

Mais comment vraiment?

Bien sûr, la théorie est bonne. Mais jusqu'à présent, nous ne pouvons pas décider laquelle des deux options est mise en œuvre dans la nature: le Soleil n'est "pas comme ça" ou le neutrino n'est pas comme ça. Nous avons besoin de nouvelles expériences qui montrent enfin la nature de cet effet intéressant. En un mot, je décrirai les principales attitudes qui ont joué un rôle clé dans la recherche.

Observatoire de Kamioka

L'histoire de cet observatoire commence par le fait qu'ici, ils ont essayé de trouver la désintégration du proton. C'est pourquoi le détecteur a reçu le nom correspondant - «Kamioka» (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Mais n'ayant rien trouvé, les Japonais se sont rapidement tournés vers une direction prometteuse: l'étude des neutrinos atmosphériques et solaires. Nous avons déjà discuté de la provenance du soleil. L'atmosphère est née de la désintégration des muons et des pi-mésons dans l'atmosphère terrestre. Et tandis qu'ils atteignent la Terre, ils parviennent à osciller.

Le détecteur a commencé à collecter des données en 1987. Ils ont été extrêmement chanceux avec les dates, mais plus à ce sujet dans l'article suivant :) L'installation était un énorme baril rempli d'eau claire. Les murs étaient carrelés de photomultiplicateurs. La principale réaction par laquelle les neutrinos ont été capturés est d'éliminer un électron des molécules d'eau:

$$

$$\ nu_e + e_ {dans \ atome spatial} ^ - \ à \ nu_e + e_ {gratuit} ^ -$$

Un électron libre volant rapidement brille d' un bleu foncé dans l'eau. Ce rayonnement a été enregistré par des PMT sur les murs. Par la suite, l'installation a été mise à niveau vers Super Kamiokande et a poursuivi ses travaux.



L'expérience a confirmé le déficit des neutrinos solaires et a ajouté à cela le déficit des neutrinos atmosphériques.

Expériences sur le gallium

Presque immédiatement après le lancement de Kakiokande en 1990, deux détecteurs au gallium ont commencé à fonctionner. L'un d'eux était situé en Italie, sous la montagne du Grand Sasso dans le laboratoire du même nom. Le second est dans le Caucase, dans les gorges de Baksan, sous la montagne Andyrchi. Surtout pour ce laboratoire, le village de Neutrino a été construit dans la gorge. La méthode elle-même a été proposée par Vadim Kuzmin, inspirée des idées de Pontecorvo, en 1964.

$$

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

Lorsqu'il interagit avec les neutrinos, le gallium se transforme en isotope de germanium instable, qui se désintègre en gallium en 16 jours en moyenne. En un mois, plusieurs dizaines d'atomes de germanium se forment, qui doivent être très soigneusement retirés du gallium, placés dans un petit détecteur et comptés le nombre de désintégrations jusqu'au gallium. L'avantage des expériences sur le gallium est qu'elles peuvent capturer des neutrinos de très basse énergie qui ne sont pas disponibles pour d'autres installations.

Toutes les expériences décrites ci-dessus ont montré que nous voyons moins de neutrinos que prévu, mais cela ne prouve pas la présence d'oscillations. Le problème est peut-être toujours dans le mauvais modèle du Soleil. L'expérience SNO a mis le dernier et gros point du problème des neutrinos solaires.

Observatoire de Sudbury

À la mine Craigton, les Canadiens ont construit une énorme «étoile de la mort».



Une sphère acrylique entourée d'un PMT et remplie de 1 000 tonnes d'eau lourde a été placée à une profondeur de deux kilomètres. Cette eau diffère de l'eau ordinaire en ce que l'hydrogène ordinaire avec un proton est remplacé par le deutérium - la combinaison d'un proton et d'un neutron. C'est le deutérium qui a joué un rôle clé dans la résolution des problèmes des neutrinos solaires. Une telle configuration pourrait enregistrer à la fois les interactions neutrinos électroniques et les interactions de tous les autres types! Les neutrinos électroniques détruiront le deutérium avec la naissance d'un électron, tandis que tous les autres types d'électrons ne pourront pas donner naissance. Mais ils peuvent légèrement «pousser» le deutérium pour qu'il se désagrège et le neutrino vole plus loin.

$$

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

Un électron rapide, comme nous l'avons déjà discuté, brille lorsqu'il se déplace dans un milieu, et un neutron doit être capturé assez rapidement par le deutérium, émettant un photon. Tout cela peut être enregistré à l'aide de photomultiplicateurs. Les physiciens ont enfin eu l'occasion de mesurer le flux total de particules provenant du soleil. S'il s'avère qu'il coïncide avec les attentes, alors les neutrinos électroniques se déplacent vers d'autres, et s'il est inférieur aux attentes, alors le mauvais modèle du Soleil est à blâmer.

L'expérience a commencé ses travaux en 1999, et les mesures ont indiqué avec certitude qu'il y avait une pénurie du composant électronique

$$

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

Permettez-moi de vous rappeler que presque exclusivement les neutrinos électroniques peuvent naître dans une étoile. Alors le reste s'est avéré en train d'oscillations! Pour ce travail, Arthur McDonald (SNO) et Kajita-san (Kamiokande) ont reçu le prix Nobel 2015.

Presque immédiatement, au début des années 2000, d'autres expériences ont commencé à étudier les oscillations. Cet effet a également été observé pour les neutrinos artificiels. L'expérience japonaise KamLAND, tout de même située à Kamioka, avait déjà observé en 2002 des oscillations d'antineutrinos électroniques du réacteur. Et la deuxième expérience, également japonaise, K2K a pour la première fois enregistré un changement de type dans les neutrinos créés à l'aide d'un accélérateur. Le célèbre Super Kamiokande a été utilisé comme détecteur éloigné.

De plus en plus d'établissements étudient cet effet. Des détecteurs sont en cours de construction sur le lac Baïkal, en mer Méditerranée, au pôle Sud. Il y avait des installations près du pôle Nord. Tous capturent des neutrinos d'origine cosmique. Les expériences sur les accélérateurs et les réacteurs fonctionnent. Les paramètres des oscillations elles-mêmes sont affinés, des tentatives sont faites pour trouver quelque chose sur l'ampleur des masses de neutrinos. Il est prouvé que c'est avec cet effet que nous pouvons expliquer la prédominance de la matière sur l'antimatière dans notre Univers!


Je tiens à noter que de la même manière que leurs arômes et leurs quarks changent, seul cet effet est beaucoup plus faible pour eux.

PS Je continue à essayer des plumes dans des articles populaires, donc je serais reconnaissant pour vos commentaires / commentaires / demandes. Comment vais-je trouver l'heure, la prochaine fois que je prévois d'écrire comment l'objet astrophysique a été observé pour la première fois non par rayonnement électromagnétique.
Spoiler - utilisation d'un neutrino :)