Comment faire un faisceau de neutrinos
Une explication simple pour les profanes sur la façon de fabriquer un faisceau de neutrinos (les détails dépendent du laboratoire expérimental particulier).
Tout d'abord, créez un faisceau de protons - comme si vous chargiez le Grand collisionneur de hadrons (c'est une autre histoire, mais pour l'instant, prenons pour acquis que le faisceau de protons existe).
Puis heurtez le faisceau de protons avec la cible - une mince feuille de matériau. Les protons entreront en collision avec les noyaux des atomes du matériau et les briseront - non seulement en les divisant en protons et en neutrons, mais en générant également de nombreuses autres particules, y compris des pions (un exemple de hadrons) avec des charges électriques positives et négatives. Toutes ces particules s'envoleront de l'arrière de la feuille de matériau, résultant en un faisceau de protons, neutrons, pions et quelques autres particules.
Alignez maintenant le faisceau et l'aimant. Un aimant plie le chemin des particules chargées. La direction de courbure dépend de la charge de particules; le degré de courbure dépend de l'énergie de la particule. Ainsi, les neutrons passeront directement, les pions chargés négativement iront dans une direction et les protons et les pions chargés positivement iront dans l'autre. Laissez la plupart des particules pénétrer dans le mur; là où vous quittez le passage, les particules qui le traversent auront des énergies et des charges électriques à peu près égales. Ainsi, en plaçant le passage au bon endroit, vous pouvez obtenir un faisceau composé principalement de pions chargés positivement avec les mêmes énergies.
Les pivoines commencent à se décomposer, se transformant en antimuon et neutrino. Bientôt, votre faisceau sera composé de muons chargés positivement, de plusieurs pions non encore décomposés et de protons saillants, ainsi que de neutrinos.
Alignez maintenant le faisceau avec un autre aimant. Les neutrinos, comme électriquement neutres, iront plus loin. Les particules chargées positivement - les muons, et les pions restants avec des protons vont dévier dans une direction. Laissez-les aller au mur. Et que restera-t-il? Rayon de neutrino. Pas particulièrement étroit, bien sûr, mais si vous avez commencé avec un grand nombre de protons, il sera très puissant.
En contrôlant la direction du mouvement des protons initiaux et des pions intermédiaires, vous pouvez diriger ce faisceau dans n'importe quelle direction. Par exemple, il peut être créé au CERN et dirigé vers les montagnes du Gran Sasso d'Italia, où se déroule l'expérience
OPERA . Ce faisceau ne sera pas étroit - au moment où il parcourra 730 km jusqu'à Gran Sasso, il aura 2 km de diamètre. Mais cela suffira à nos fins.
Comment détecter les neutrinos
Une explication simple pour les profanes sur la façon de détecter les neutrinos.
Les neutrinos traversent constamment votre corps. Leur flux vient du Soleil, de sa fournaise centrale, et même si vous êtes du côté nuit de la planète, ces neutrinos traversent la Terre et votre corps comme s'il n'y avait pas de Terre là-bas. Les rayons cosmiques (particules de haute énergie provenant de l'espace) frappent souvent les atomes dans la haute atmosphère et produisent plusieurs neutrinos. Ils vous traversent également.
Presque toujours. Mais une très, très petite partie du neutrino s'écrase sur quelque chose.
Si un neutrino pénètre dans le noyau d'un atome, passe à l'intérieur de l'un des protons ou neutrons et (grosso modo) est trop près du quark (ou antiquark) à l'intérieur du proton ou du neutron, il y a de fortes chances que le neutrino et le quark (ou l'antiquark) entrer en collision. La même chose peut être dite d'un neutrino entrant en collision avec un électron à l'arrière d'un atome. Mais ce processus ne se produit pas souvent, car il implique une faible interaction nucléaire, et (surtout pour les neutrinos de basse énergie) la faiblesse de cette interaction garantit la rareté de telles collisions.
Supposons qu'un neutrino entre en collision avec un quark ou un antiquark à l'intérieur d'un noyau atomique: que se passe-t-il ensuite? Si le neutrino a suffisamment d'énergie, il brise le noyau en protons et neutrons individuels et, souvent, si son énergie est élevée, il conduit à l'apparition de pions (un autre type de hadron: une particule composée de quarks, d'antiquarks et de gluons, comme un proton avec un neutron). Le neutrino continue sa route sans être enregistré, mais les protons, neutrons et pions qui en résultent peuvent être observés, car à leur tour, ils entrent en collision avec d'autres noyaux atomiques et les brisent en morceaux. Les spécificités des méthodes d'observation dépendent des détecteurs.
Il y a encore une possibilité. Parfois, lors d'une collision avec un quark ou un antiquark, un neutrino peut se transformer en un lepton chargé, par exemple, un électron, un muon ou un tau. Le type de lepton dépend de quel type de neutrino était, et peut même dépendre de ce que le neutrino a fait avant son arrivée.
La possibilité de cette option est dictée par la particularité de la faible interaction nucléaire, qui effectue cette transformation à travers le champ W, dont les ondes sont des particules W. Dans ce cas, on peut détecter non seulement les protons, les neutrons et les pions diffusés lors de la première collision et des collisions suivantes, mais aussi les produits de désintégration des électrons, des muons ou des tau dans lesquels le neutrino s'est transformé. Dans ce dernier cas, les produits de désintégration du tau comprennent un électron, un muon ou un pion avec plusieurs photons - et tout cela peut être corrigé.
Il s'avère que bien que nous ne puissions pas fixer facilement et de manière fiable la présence de neutrinos de la manière qui peut être faite avec des électrons ou des muons (entrant en collision avec des atomes lors du passage à travers la matière) ou des protons et des neutrons (entrant en collision avec un grand nombre de noyaux atomiques lors du passage à travers la matière), nous néanmoins, nous pouvons parfois les observer. Si vous avez suffisamment de neutrinos, par exemple, après qu'une étoile pas trop éloignée se soit transformée en supernova, ou au centre d'un faisceau de neutrinos, ou même juste un flux de neutrinos constant du Soleil, nous pouvons détecter ces neutrinos quand l'un d'entre eux entre en collision noyau atomique à l'intérieur du détecteur. Cela est dû au fait que même une collision avec un noyau malheureux peut créer une cascade de protons, de neutrons et de pions (que nous pouvons facilement détecter), et, éventuellement, des électrons et des muons (que nous pouvons également facilement trouver).
Il s'avère que l'une des façons d'étudier les neutrinos est de créer de puissants rayons de neutrinos, de construire un détecteur qui peut capturer des protons, des neutrons, des pions, des muons et / ou des électrons volant à partir d'un noyau brisé par un neutrino et être patient (l'expérience OPERA a pris trois ans pour trouver 16 000 neutrinos - seulement une demi-douzaine par jour). Il existe de nombreux autres détecteurs de neutrinos dans le monde, ils utilisent différents matériaux et différentes stratégies. Une façon courante consiste à construire un énorme détecteur rempli d'eau ou d'un autre liquide propre, situé profondément sous terre pour se protéger des rayons cosmiques, et d'attendre patiemment un neutrino aléatoire du Soleil ou de l'un des rayons cosmiques, ou d'une supernova pouvant générer des «pulvérisations» ". Et les éclaboussures sont tangibles - ces dernières années, avec l'aide des neutrinos, plusieurs découvertes importantes ont déjà été faites. La plus importante d'entre elles a peut-être été réalisée à l'OPERA. [Peu avant d'écrire l'article en septembre 2011, des données ont été obtenues dans cette expérience selon lesquelles certains neutrinos montraient un mouvement à un excès de la vitesse de la lumière. Après des vérifications minutieuses, il s'est avéré que la raison en était l'erreur de l'expérience - env. perev.]