न्यूट्रिनो और न्यूट्रिनो दोलन के प्रकार

न्यूट्रिनो - जैसे चार्ज किए गए लेप्टान (इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन, ताऊ), ऊपरी प्रकार (उच्च, आकर्षक, सत्य) के क्वार्क्स और निचले प्रकार (निचले, अजीब, प्यारे) - तीन प्रकार के होते हैं। लेकिन उन्हें विभिन्न तरीकों से विभाजित किया जा सकता है। इसी समय, हमारी दुनिया की क्वांटम प्रकृति के कारण, उनमें से केवल एक का उपयोग एक समय में किया जा सकता है। इस लेख में मैं बताऊंगा कि ऐसा क्यों होता है, और इस तरह के एक दिलचस्प और वैज्ञानिक रूप से महत्वपूर्ण तथ्य यह है कि न्यूट्रिनो दोलन इस तथ्य से निम्नानुसार हैं।

आप सोच सकते हैं कि प्रत्येक कण का एक विशिष्ट द्रव्यमान है - उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान ऊर्जा (E = mc ² ) 0.000511 GeV है - और एक संभावित दृष्टिकोण से, तीन प्रकार के न्यूट्रिनो कोई अपवाद नहीं हैं। हम उनके द्रव्यमान द्वारा तीन न्यूट्रिनो को वर्गीकृत कर सकते हैं (जो अभी भी ठीक से ज्ञात नहीं हैं), और उन्हें सबसे हल्के से सबसे भारी, न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 से बुलाते हैं। हम इस तरह के एक विभाजन को बड़े पैमाने पर वर्गीकरण कहेंगे, और ऐसे प्रकार के न्यूट्रिनो - सामूहिक प्रकार।


अंजीर। 1

न्यूट्रिनों को वर्गीकृत करने का एक अन्य तरीका चार्ज किए गए लेप्टोन (इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और ताऊ) से उनके संबंध हैं। हिग्स क्षेत्र शून्य था, तो कण कैसे दिखेंगे, इस पर एक लेख में इसका उल्लेख किया गया है। इसे समझने का सबसे अच्छा तरीका यह है कि न्यूट्रिनो कमजोर परमाणु प्रभावों से कैसे प्रभावित होते हैं, इस पर ध्यान केंद्रित किया जाता है, जो कि कण डब्ल्यू। पार्टिकल डब्ल्यू के साथ उनकी बातचीत में परिलक्षित होता है, और यदि आप इसका उत्पादन करते हैं, तो यह तीन आवेशों में से एक में विघटित हो सकता है (चित्र 1)। एंटीलिप्टन्स और तीन न्यूट्रिनो में से एक। यदि डब्ल्यू एंटीटाऊ में रहता है, तो एक ताउ न्यूट्रिनो दिखाई देगा। इसी तरह, यदि डब्ल्यू एक एंटीमूने में रहता है, तो एक म्यूऑन न्यूट्रिनो दिखाई देगा। (न्यूट्रिनो रे बनाने के लिए क्या महत्वपूर्ण है, कमजोर अंतःक्रियाओं की मदद से एक पियोन का विघटन होता है, और एंटीम्यूऑन और मून न्यूट्रिनो सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए पियोन से प्राप्त होते हैं)। और अगर डब्ल्यू एक पॉज़िट्रॉन में बदल जाता है, तो एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो दिखाई देगा। हम इसे एक कमजोर वर्गीकरण कहेंगे, और ये न्यूट्रिनो एक कमजोर प्रकार के न्यूट्रिनो हैं, क्योंकि कमजोर बातचीत उन्हें निर्धारित करती है।

खैर, समस्या क्या है? हम लोगों पर लागू विभिन्न वर्गीकरणों का लगातार उपयोग करते हैं। हम कहते हैं कि लोग युवा, बूढ़े और बूढ़े हैं; वे लंबे, मध्यम लंबे और छोटे हैं। लेकिन लोग वैकल्पिक रूप से नौ श्रेणियों में विभाजित हो सकते हैं, उदाहरण के लिए: युवा और लंबा, युवा और मध्यम आयु वर्ग के, वयस्क और छोटे, बुजुर्ग और छोटे, और इसी तरह। लेकिन क्वांटम यांत्रिकी हमें न्यूट्रिनो वर्गीकरण के साथ ऐसा करने से मना करती है। कोई न्यूट्रिनो नहीं हैं जो एक साथ म्यूऑन न्यूट्रिनो और न्यूट्रिनो -1 हैं; कोई ताऊ-न्यूट्रिनो -3 नहीं है। अगर मैं आपको न्यूट्रिनो का द्रव्यमान बताता हूं (और इसलिए यह न्यूट्रिनो -1, 2 या 3 समूह से संबंधित है), तो मैं आपको यह नहीं बता सकता कि क्या यह इलेक्ट्रॉनिक, म्यूनिक या ताऊ-न्यूट्रिनो है। एक निश्चित द्रव्यमान प्रकार का न्यूट्रिनो एक मिश्रण है, या तीन कमजोर प्रकार के न्यूट्रिनो का "सुपरपोजिशन" है। प्रत्येक द्रव्यमान-प्रकार के न्यूट्रिनो - न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 - इलेक्ट्रॉनिक, म्यूनिक और ताऊ-न्यूट्रिनो का एक सटीक लेकिन अलग मिश्रण है।

आक्षेप भी सत्य है। अगर मैं देखता हूं कि एक एंटीम्यून और न्यूट्रिनो में एक शेर कैसे मरता है, तो मुझे तुरंत पता चलता है कि परिणामस्वरूप न्यूट्रिनो एक म्यूऑन न्यूट्रिनो होगा - लेकिन मुझे इसका द्रव्यमान नहीं मिलेगा, क्योंकि यह न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 का मिश्रण होगा। । इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो और ताऊ न्यूट्रिनो भी विशिष्ट द्रव्यमान के तीन न्यूट्रिनो के अलग-अलग मिश्रण होते हैं।

इन भारी और कमजोर प्रकारों के बीच संबंध अमेरिकी राजमार्गों के वर्गीकरण के बीच संबंधों के समान (लेकिन बिल्कुल अनुरूप नहीं) "उत्तर से दक्षिण" और "पश्चिम से पूर्व" जाने के रूप में है (अमेरिकी सरकार ने उन्हें इस तरह से विभाजित किया है, सी / के लिए विषम संख्या प्रदान की है) दक्षिण और यहां तक ​​कि सरल सड़कें (बी / डब्ल्यू), और उन्हें "उत्तर-पूर्व से दक्षिण-पश्चिम" और "दक्षिण-पूर्व से उत्तर-पश्चिम" तक चलने वाली सड़कों में विभाजित करती हैं। किसी भी वर्गीकरण के उपयोग के अपने फायदे हैं: वर्गीकरण एन / एस - डब्ल्यू / एन उपयुक्त है यदि आप अक्षांश और देशांतर पर ध्यान केंद्रित करते हैं, और एनई / एसडब्ल्यू - एसई / एनडब्ल्यू तट के पास अधिक सुविधाजनक होगा, क्योंकि यह दक्षिण-पश्चिम से उत्तर की ओर जाता है पूर्व। लेकिन दोनों वर्गीकरणों का उपयोग एक साथ नहीं किया जा सकता है। उत्तर पूर्व की सड़क आंशिक रूप से उत्तरी है, और आंशिक रूप से पूर्वी है; यह नहीं कहा जा सकता है कि वह या तो यह है या वह है। और उत्तरी सड़क उत्तर-पूर्व और उत्तर-पश्चिम का मिश्रण है। तो यह न्यूट्रिनो के साथ है: द्रव्यमान न्यूट्रिनो कमजोर न्यूट्रिनो का मिश्रण है, और कमजोर न्यूट्रिनो द्रव्यमान का मिश्रण है। (यदि आप न्यूट्रिनो के लिए सड़कों का बेहतर वर्गीकरण C / S - N / S - S / S - S / S - S / N के लिए करते हैं, तो यह विकल्प मौजूद नहीं है)।

न्यूट्रिनो को वर्गीकृत करने में असमर्थता, उन्हें एक निश्चित द्रव्यमान प्रकार और एक निश्चित कमजोर प्रकार के लिए जिम्मेदार ठहराते हुए, अनिश्चितता का एक उदाहरण है , एक कण की सटीक स्थिति और सटीक गति को जानने के लिए एक ही समय में मनाए गए अजनबी के समान। यदि आप इन गुणों में से एक को जानते हैं, तो आपको दूसरे के बारे में कोई पता नहीं है। या आप दोनों गुणों के बारे में कुछ सीख सकते हैं, लेकिन सभी नहीं। क्वांटम यांत्रिकी आपको अपने ज्ञान और अज्ञान को संतुलित करने का तरीका बताता है। वैसे, ये समस्याएं केवल न्यूट्रिनों पर लागू नहीं होती हैं। वे अन्य कणों से जुड़े हैं, लेकिन न्यूट्रिनो व्यवहार के संदर्भ में विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं।

दशकों पहले, सब कुछ सरल था। तब यह माना जाता था कि न्यूट्रिनो में कोई द्रव्यमान नहीं था, इसलिए यह कमजोर वर्गीकरण का उपयोग करने के लिए पर्याप्त था। यदि आप सामान्य लोगों के लिए पुराने कामों या पुरानी किताबों को देखते हैं, तो आपको केवल इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, म्यूऑन न्यूट्रिनो और ताऊ न्यूट्रिनो जैसे नाम दिखाई देंगे। हालांकि, 1990 के दशक की खोजों के बाद, यह अब पर्याप्त नहीं है।

और अब मजा शुरू होता है। मान लें कि आपके पास इलेक्ट्रॉनिक प्रकार का एक उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो है, जो कि न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 का एक निश्चित मिश्रण है। एक न्यूट्रिनो अंतरिक्ष में गति करता है, लेकिन इसके तीन अलग-अलग द्रव्यमान प्रकार थोड़ी अलग गति के साथ चलते हैं, जो प्रकाश की गति के बहुत करीब हैं। क्यों? क्योंकि किसी वस्तु की गति उसकी ऊर्जा और द्रव्यमान पर निर्भर करती है, और तीन प्रकार के तीन अलग-अलग द्रव्यमान होते हैं। उनकी गति में अंतर किसी भी न्यूट्रिनो के लिए बहुत छोटा है जिसे हम माप सकते हैं - यह कभी नहीं देखा गया है - लेकिन इसका प्रभाव आश्चर्यजनक रूप से मजबूत है!

न्यूट्रिनो वेग अंतर - कुछ सूत्र

आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत में कण वेग v, कण द्रव्यमान m और ऊर्जा E के संदर्भ में लिखा जा सकता है (यह कुल ऊर्जा है, अर्थात गति की ऊर्जा और द्रव्यमान ऊर्जा E = mc ² ), और प्रकाश c की गति, जैसे:

$$

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

यदि किसी कण की गति बहुत अधिक है और उसकी कुल ऊर्जा E द्रव्यमान ऊर्जा mc ² से बहुत अधिक है, तो

$$

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

जहां डॉट्स हमें याद दिलाते हैं कि यह सूत्र सटीक नहीं है, लेकिन बड़े ई के लिए एक अच्छा सन्निकटन है। दूसरे शब्दों में, प्रकाश की गति पर लगभग गतिमान एक कण की गति प्रकाश की गति से भिन्न होती है, जो कि कुल ऊर्जा के कण के द्रव्यमान के अनुपात के आधे वर्ग के बराबर होती है। । इस सूत्र से यह देखा जा सकता है कि यदि दो न्यूट्रिनों में अलग-अलग द्रव्यमान एम ₁ और एम _{2 है} , लेकिन एक ही बड़ी ऊर्जा ई है, तो उनके वेग बहुत कम होते हैं।

आइए देखें इसका क्या मतलब है। 1987 में विस्फोट होने वाले सुपरनोवा से सभी न्युट्रीनो को मापा गया जो 10 सेकंड के अंतराल में पृथ्वी पर आया। मान लीजिए कि एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो 10 मेव की ऊर्जा के साथ सुपरनोवा द्वारा उत्सर्जित किया गया था। यह न्यूट्रिनो न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 का मिश्रण था, जिनमें से प्रत्येक थोड़ा अलग गति से चला गया! क्या हम इस पर ध्यान देंगे? हम वास्तव में न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को नहीं जानते हैं, लेकिन मान लें कि न्यूट्रिनो -2 में 0.01 ईवी की एक बड़ी ऊर्जा है, और न्यूट्रिनो -1 में 0.001 ईवी की एक बड़ी ऊर्जा है। फिर उनकी दो गति, यह देखते हुए कि उनकी ऊर्जा बराबर है, प्रकाश की गति से और एक दूसरे से एक हजार ट्रिलियन से कम भाग से भिन्न होगी:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0.0000000000000000005 c$$

(सभी समीकरणों की त्रुटि 1% से अधिक नहीं है)। गति में इस तरह के अंतर का मतलब है कि मूल इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो के न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -1 के कुछ हिस्सों में एक मिलीसेकंड के अंतर के साथ पृथ्वी पर आएगा - इस तरह के अंतर का पता कई तकनीकी कारणों से नहीं लगाया जा सकता है।

* * *

और अब दिलचस्प से, हम वास्तव में अजीब चीजों पर चलते हैं।

गति में यह छोटा सा अंतर न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 का सटीक मिश्रण बनाता है, जो एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो है, जो अंतरिक्ष में चलते समय धीरे-धीरे बदलता है। इसका मतलब है कि इलेक्ट्रॉनिक न्यूट्रिनो जिसके साथ हमने समय के साथ खुद को बंद कर दिया और न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 के एक विशिष्ट मिश्रण से मेल खाता है। तीन द्रव्यमान प्रकार के न्यूट्रिनो के विभिन्न द्रव्यमान प्रारंभिक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो को आंदोलन के दौरान इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, म्यूऑन न्यूट्रिनो और ताऊ न्यूट्रिनो के मिश्रण में बदल देते हैं। मिश्रण का प्रतिशत गति में अंतर पर निर्भर करता है, और इसलिए, प्रारंभिक न्यूट्रिनो की ऊर्जा पर, साथ ही साथ न्यूट्रिनो के द्रव्यमान में (अधिक सटीक रूप से, जनता के वर्गों में अंतर पर)।


अंजीर। 2

सबसे पहले, प्रभाव बढ़ता है। लेकिन, दिलचस्प है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 2, यह प्रभाव सिर्फ लगातार बढ़ रहा नहीं है। यह बढ़ता है, और फिर फिर से घटता है, और फिर बढ़ता है, फिर से घटता है, फिर से और फिर से, न्यूट्रिनो आंदोलन की प्रक्रिया में। इसे न्यूट्रिनो दोलन कहा जाता है। वे वास्तव में कैसे होते हैं यह इस बात पर निर्भर करता है कि न्यूट्रिनो के द्रव्यमान क्या हैं और कैसे बड़े पैमाने पर न्यूट्रिनो और कमजोर न्यूट्रिनो को मिलाया जाता है।

दोलनों के प्रभाव को इस तथ्य के कारण मापा जा सकता है कि एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो एक नाभिक से टकराता है (अर्थात, एक न्यूट्रिनो का पता लगाया जा सकता है) एक इलेक्ट्रॉन में बदल सकता है, लेकिन एक म्यूऑन या ताऊ में नहीं, जबकि एक म्यून्यू न्यूट्रिनो म्यूऑन में बदल सकता है, लेकिन नहीं इलेक्ट्रॉन या ताऊ में। तो, अगर हम एक म्यूऑन न्यूट्रिनो बीम से शुरू करते हैं, और एक निश्चित दूरी पर जाने के बाद, कुछ न्यूट्रिनो नाभिक से टकराते हैं और इलेक्ट्रॉनों में बदल जाते हैं, इसका मतलब है कि बीम में दोलन होते हैं और म्यूऑन न्यूट्रिनो इलेक्ट्रोन न्यूट्रिनो में बदल जाते हैं।

एक बहुत ही महत्वपूर्ण प्रभाव इस कहानी को जटिल और समृद्ध करता है। चूँकि साधारण पदार्थ में इलेक्ट्रान होते हैं, लेकिन म्यूऑन और ताऊ के नहीं, इलेक्ट्रान न्यूट्रिनो इसके साथ म्यूऑन या ताऊ की तरह अलग तरीके से बातचीत करते हैं। कमजोर अंतःक्रिया के माध्यम से होने वाली ये बातचीत बहुत छोटी होती है। लेकिन अगर न्यूट्रिनो पदार्थ की एक बड़ी मोटाई (उदाहरण के लिए, पृथ्वी या सूर्य के एक मूर्त अंश के माध्यम से) से गुजरता है, तो ये छोटे प्रभाव जमा हो सकते हैं और दोलनों को प्रभावित कर सकते हैं। सौभाग्य से, हम इन प्रभावों के बारे में विस्तार से भविष्यवाणी करने के लिए, और न्यूट्रिनों के गुणों का पता लगाने के लिए एक प्रयोग में माप से, पूरी श्रृंखला की पीछे की गणना करने के लिए कमजोर परमाणु बातचीत के बारे में पर्याप्त जानते हैं।

यह सब क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके किया जाता है। यदि यह आपके लिए सहज नहीं है, तो आराम करें; मेरे लिए यह भी सहज नहीं है। मुझे अपने सारे अंतर्ज्ञान समीकरणों से मिले।

यह पता चला है कि न्यूट्रिनो दोलनों का सावधानीपूर्वक मापन न्यूट्रिनो के गुणों का अध्ययन करने का सबसे तेज़ तरीका है! इस काम के लिए वे पहले ही नोबेल पुरस्कार दे चुके हैं। यह पूरी कहानी 1960 के दशक से लेकर आज तक के प्रयोग और सिद्धांत की शास्त्रीय बातचीत से उभर कर आई। मैं सबसे महत्वपूर्ण मापों का उल्लेख करूंगा।

शुरू करने के लिए, हम सूर्य के केंद्र में उत्पादित इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो का अध्ययन कर सकते हैं, इसकी अच्छी तरह से अध्ययन की गई परमाणु भट्टी में। ये न्यूट्रिनो सूर्य के माध्यम से और पृथ्वी के खाली स्थान के माध्यम से यात्रा करते हैं। यह पाया गया कि जब वे पृथ्वी पर आते हैं, तो वे एक ही संभावना के साथ म्यूऑन या ताऊ के प्रकार के साथ-साथ इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो के प्रकार से संबंधित हो सकते हैं। यह अपने आप में न्यूट्रिनो दोलनों के प्रमाण के रूप में कार्य करता है, और सटीक वितरण हमें न्यूट्रिनो के बारे में विस्तृत जानकारी देता है।

ब्रह्माण्डीय किरणों में उत्पन्न होने वाले सिंहों के क्षय से भी हमारे पास म्यूऑन न्यूट्रिनो हैं। कॉस्मिक किरणें उच्च-ऊर्जा कण हैं जो बाहरी अंतरिक्ष से आती हैं और ऊपरी वायुमंडल में परमाणु नाभिक से टकराती हैं। कणों के परिणामस्वरूप कैस्केड में, अक्सर पाइन्स पाए जाते हैं, जिनमें से कई म्यूऑन न्यूट्रिनो और एंटीमून्स में या म्यूऑन एंटीन्यूट्रिनो और म्यूऑन में क्षय होते हैं। हम अपने डिटेक्टरों में इनमें से कुछ न्यूट्रिनो (और एंटीन्यूट्रिनो) का पता लगाते हैं, और हम माप सकते हैं कि डिटेक्टर में आने से पहले वे पृथ्वी के किस मोटाई के आधार पर उनमें से कितने इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो (और एंटीन्यूट्रिनो) से संबंधित हैं। यह हमें फिर से न्यूट्रिनो के व्यवहार के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी देता है।

इन "सौर" और "वायुमंडलीय" न्यूट्रिनो ने हमें पिछले बीस वर्षों में न्यूट्रिनो के गुणों के बारे में बहुत कुछ सिखाया (और लगभग 50 साल पहले कुछ दिलचस्प हुआ) का पहला संकेत। और ऊर्जा के इन प्राकृतिक स्रोतों में न्यूट्रिनो किरणों का उपयोग करके किए गए विभिन्न अध्ययनों को जोड़ा जाता है, जैसे कि ओपरा प्रयोग में उपयोग किए जाने वाले, साथ ही पारंपरिक परमाणु रिएक्टरों से न्यूट्रिनो का उपयोग किया जाता है। माप में से प्रत्येक सौर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो की मानक व्याख्या के अनुरूप अधिकांश भाग के लिए है, और बड़े पैमाने पर न्यूट्रीनो के कमजोर प्रकार के मिश्रणों के अधिक सटीक माप और बड़े पैमाने पर न्यूट्रिनो के द्रव्यमान के वर्गों में अंतर की अनुमति देता है।

जैसा कि कोई अपेक्षा करेगा, प्रयोगों में सैद्धांतिक अपेक्षाओं के साथ थोड़ी विसंगतियां हैं, लेकिन उनमें से एक की पुष्टि नहीं की गई है, और सबसे अधिक, यदि सभी नहीं, तो प्रयोगात्मक स्तर पर केवल सांख्यिकीय दुर्घटनाएं या समस्याएं हैं। अब तक, न्यूट्रिनो की समझ के साथ कोई विरोधाभास और उनके व्यवहार की कई प्रयोगों में पुष्टि नहीं की गई है। दूसरी ओर, यह पूरी तस्वीर काफी नई है और खराब तरीके से परीक्षण की गई है, इसलिए यह काफी संभव है, हालांकि संभावना नहीं है, कि इसकी पूरी तरह से अलग व्याख्या हो सकती है। वास्तव में, काफी गंभीर विकल्प पहले ही प्रस्तावित किए जा चुके हैं। तो न्यूट्रिनो के गुणों के विवरण को परिष्कृत करना अनुसंधान का एक सक्रिय रूप से विकसित क्षेत्र है जिसमें अधिकांश भाग के लिए सहमति है, लेकिन कुछ प्रश्न अभी भी खुले हैं - जिसमें न्यूट्रिनो के द्रव्यमान का एक पूर्ण और अपरिवर्तनीय निर्धारण भी शामिल है।