Osilasi Neutrino untuk Dummies

Hampir semua Geeks mendengar tentang osilasi neutrino. Banyak literatur profesional dan banyak artikel populer telah ditulis tentang fenomena ini, tetapi hanya para penulis buku teks percaya bahwa pembaca memahami teori lapangan, dan bahkan kuantum, dan penulis artikel populer biasanya terbatas pada frasa dalam gaya: "Partikel terbang, terbang, dan kemudian BAC dan berubah menjadi orang lain, ”dengan massa yang berbeda (!!!). Kami akan mencoba mencari tahu dari mana efek menarik ini berasal dan bagaimana hal itu diamati dengan bantuan instalasi besar. Dan pada saat yang sama kita akan belajar bagaimana menemukan dan mengekstraksi beberapa atom yang diperlukan dari 600 ton materi.

Neutrino lain

Dalam artikel sebelumnya, saya berbicara tentang bagaimana gagasan tentang keberadaan neutrino muncul pada tahun 1932 dan bagaimana partikel ini ditemukan 25 tahun kemudian. Biarkan saya mengingatkan Anda, Raines dan Cowan mencatat interaksi antineutrino dengan proton $$$\ bar {\ nu} + p \ to n + e ^ +$ . Tetapi bahkan kemudian, banyak ilmuwan percaya bahwa neutrino bisa dari beberapa jenis. Neutrino yang secara aktif berinteraksi dengan elektron disebut elektron, dan neutrino yang berinteraksi dengan muon , masing-masing, adalah muon. Para peneliti perlu mengetahui apakah kedua kondisi ini berbeda atau tidak. Lederman, Schwartz dan Steinberger melakukan percobaan yang luar biasa. Mereka memeriksa seberkas pi-meson dari akselerator. Partikel seperti itu mudah membusuk menjadi muon dan neutrino.

$$

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

Jika neutrino benar-benar memiliki varietas yang berbeda, maka muon harus dilahirkan. Kemudian semuanya sederhana - di jalur partikel yang dilahirkan kita menetapkan target dan memeriksa bagaimana mereka berinteraksi: dengan kelahiran elektron atau muon. Pengalaman secara jelas menunjukkan bahwa elektron hampir tidak dilahirkan.

$$

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

Jadi sekarang kita memiliki dua jenis neutrino! Kami siap untuk melanjutkan ke langkah berikutnya dalam diskusi osilasi neutrino.

Ini semacam Sun yang "salah"

Dalam percobaan neutrino pertama, sumber buatan digunakan: reaktor atau akselerator. Ini memungkinkan untuk membuat aliran partikel yang sangat kuat, karena interaksi sangat jarang. Tetapi jauh lebih menarik untuk mendaftarkan neutrino alami. Yang menarik adalah studi tentang fluks partikel dari matahari.

Pada pertengahan abad ke-20, sudah jelas bahwa kayu bakar tidak terbakar di Matahari - mereka menghitung dan ternyata tidak ada cukup kayu bakar. Energi dilepaskan selama reaksi nuklir di pusat matahari. Sebagai contoh, proses utama untuk bintang kita disebut " siklus proton-proton ", ketika atom helium dirangkai dari empat proton.



Anda mungkin memperhatikan bahwa pada langkah pertama, partikel yang menarik bagi kita harus dilahirkan. Dan di sini fisika neutrino dapat menunjukkan semua kekuatannya! Untuk pengamatan optik, hanya permukaan Matahari (photosphere) yang tersedia, dan neutrino bebas melewati semua lapisan bintang kita. Akibatnya, partikel yang terdeteksi berasal dari pusat, tempat mereka dilahirkan. Kita bisa "mengamati" langsung inti Matahari. Secara alami, studi semacam itu tidak bisa tidak menarik fisikawan. Selain itu, aliran yang diharapkan hampir 100 miliar partikel per sentimeter persegi per detik.

Raymond Davis adalah yang pertama melakukan percobaan semacam itu di tambang emas terbesar di Amerika, Homestake Mine. Instalasi harus disembunyikan jauh di bawah tanah untuk melindungi diri dari aliran kuat partikel kosmik. Neutrino dapat melewati satu setengah kilometer batu tanpa masalah, tetapi partikel lain akan terhenti. Detektornya adalah sebuah tong besar yang diisi dengan 600 ton tetrakloroetilen - senyawa dari 4 atom klor. Zat ini aktif digunakan dalam dry cleaning dan cukup murah.



Metode pendaftaran ini diusulkan oleh Bruno Maksimovich Pontecorvo. Ketika berinteraksi dengan neutrino, klorin berubah menjadi ison argon yang tidak stabil,

$$

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

yang menangkap elektron dari orbital bawah dan meluruh kembali dalam rata-rata 50 hari.

$$

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

Tapi! Hanya sekitar 5 interaksi neutrino yang diharapkan per hari. Dalam beberapa minggu, hanya 70 atom argon yang akan diketik, dan mereka harus ditemukan! Temukan puluhan atom dalam 600 ton per barel. Benar-benar tantangan yang fantastis. Setiap dua bulan, Davis meniup larasnya dengan helium, meniup argon yang terbentuk. Gas yang dimurnikan berulang kali ditempatkan di detektor kecil ( penghitung Geiger ), di mana jumlah peluruhan argon yang dihasilkan dipertimbangkan. Jadi jumlah interaksi neutrino diukur.

Hampir segera, ternyata fluks neutrino dari Matahari hampir tiga kali lebih rendah dari yang diharapkan, yang membuat percikan besar dalam fisika. Pada tahun 2002, Davis berbagi dengan Kosiba-san Hadiah Nobel untuk kontribusinya yang signifikan terhadap astrofisika, dalam hal mendeteksi neutrino kosmik.



Sebuah komentar kecil: Davis mencatat neutrino bukan dari reaksi proton-proton, yang saya jelaskan di atas, tetapi dari proses yang sedikit lebih kompleks dan langka dengan berilium dan boron, tetapi ini tidak mengubah esensinya.

Siapa yang harus disalahkan dan apa yang harus dilakukan?

Jadi, fluks neutrino tiga kali lebih kecil dari yang diharapkan. Mengapa Anda dapat menawarkan opsi berikut:

1. Model Matahari salah. Meskipun pengamatan optik bertahun-tahun, kami sama sekali tidak mengerti bagaimana matahari bekerja. Fluks neutrino total kurang dari yang diharapkan;
2. Ada yang salah dengan neutrino itu sendiri. Misalnya, mereka mengubah jenis dalam perjalanan ke Bumi ( $$$\ nu_e \ hingga \ nu_ \ mu$ ) dan tidak bisa lagi berinteraksi dengan kelahiran elektron. Aliran total $$$\ nu_e + \ nu_ \ mu$ tidak berubah.

Ini neutrino yang berubah-ubah

Setahun sebelum hasil percobaan Davis, Bruno Pontecorvo tersebut mengembangkan teori tentang bagaimana neutrino dapat mengubah tipe mereka dalam ruang hampa. Salah satu konsekuensinya adalah bahwa jenis neutrino yang berbeda harus memiliki massa yang berbeda. Dan mengapa di bumi partikel mengambil dan mengubah massa mereka seperti ini dengan cepat, yang, secara umum, harus dilestarikan? Mari kita perbaiki.

Kita tidak dapat melakukannya tanpa sedikit pengantar teori kuantum, tetapi saya akan mencoba membuat penjelasan ini setransparan mungkin. Hanya geometri dasar yang dibutuhkan. Keadaan sistem dijelaskan oleh "vektor negara". Jika ada vektor, maka harus ada dasarnya. Mari kita lihat analogi dengan ruang warna. "Status" kita berwarna hijau. Dalam basis RGB, kami menulis vektor ini sebagai (0, 1, 0). Namun dalam basis CMYK, warna yang hampir sama akan direkam secara berbeda (0,63, 0, 1, 0). Jelas, kami tidak dan tidak dapat memiliki dasar "utama". Untuk kebutuhan yang berbeda: gambar pada monitor atau pencetakan, kita harus menggunakan sistem koordinat kami.

Apa dasar untuk neutrino? Adalah logis untuk menguraikan fluks neutrino menjadi berbagai jenis: elektronik ( $$$\ nu_e$ ), muonic ( $$$\ nu_ \ mu$ ) dan tau ( $$$\ nu_ \ tau$ ) Jika aliran neutrino elektronik eksklusif terbang dari Matahari, maka keadaan ini adalah (1, 0, 0) dalam basis seperti itu. Tetapi seperti yang kita diskusikan, neutrino bisa sangat besar. Dan memiliki massa yang berbeda. Jadi dimungkinkan untuk menguraikan fluks neutrino menjadi kondisi massa: $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$ dengan massa $$$m_1, m_2, m_3$ sesuai.

Inti dari osilasi adalah bahwa pangkalan-pangkalan ini tidak bersamaan! Biru pada gambar menunjukkan jenis (jenis) neutrino, dan keadaan merah dengan massa berbeda.



Yaitu, jika sebuah neutrino elektron muncul dalam peluruhan neutron, maka tiga keadaan massa muncul sekaligus (mereka dirancang $$$\ nu_e$ pada $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$ )

Tetapi jika keadaan ini memiliki massa yang sedikit berbeda, maka energinya akan sedikit berbeda. Dan karena energinya berbeda, maka mereka akan menyebar di ruang angkasa dengan cara yang berbeda. Gambar tersebut menunjukkan bagaimana ketiga kondisi ini akan berkembang seiring waktu.


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

Dalam gambar, gerakan partikel ditampilkan dalam bentuk gelombang. Representasi seperti itu disebut gelombang de Broglie , atau gelombang probabilitas untuk mendaftarkan partikel tertentu.

Neutrino berinteraksi tergantung pada jenisnya ( $$$e, \ mu, \ tau$ ) Karena itu, ketika kita ingin menghitung bagaimana neutrino akan memanifestasikan dirinya, kita perlu memproyeksikan vektor keadaan kita pada ( $$$\ nu_e, \ nu_ \ mu, \ nu_ \ tau$ ) Dan dengan cara ini dimungkinkan untuk mendaftarkan jenis neutrino ini atau itu. Ini adalah gelombang probabilitas yang kita dapatkan untuk neutrino elektron, tergantung pada jarak yang ditempuh:



Berapa banyak jenis akan berubah ditentukan oleh sudut relatif dari sistem koordinat yang dijelaskan (ditunjukkan pada gambar sebelumnya $$$\ theta_ {ij}$ ) dan perbedaan massa.

Jika Anda tidak takut dengan terminologi mekanika kuantum, dan Anda memiliki kesabaran untuk membaca sampai titik ini, maka deskripsi formal sederhana dapat ditemukan di Wikipedia .

Tapi bagaimana sebenarnya?

Teori tentu saja bagus. Namun sejauh ini kita tidak dapat memutuskan mana dari dua opsi yang diterapkan di alam: Matahari "tidak seperti itu" atau neutrino tidak seperti itu. Kami membutuhkan eksperimen baru yang akhirnya menunjukkan sifat dari efek yang menarik ini. Singkatnya, saya akan menggambarkan sikap utama yang memainkan peran kunci dalam penelitian.

Observatorium Kamioka

Sejarah observatorium ini dimulai dengan fakta bahwa di sini mereka mencoba menemukan pembusukan proton. Itulah sebabnya detektor diberi nama yang sesuai - "Kamioka" (Eksperimen Peluruhan Nuklir Kamioka). Tetapi setelah tidak menemukan apa pun, Jepang dengan cepat bergeser ke arah yang menjanjikan: studi tentang neutrino atmosfer dan matahari. Kita sudah membahas dari mana matahari berasal. Atmosfer lahir dalam peluruhan muon dan pi-meson di atmosfer Bumi. Dan ketika mereka mencapai Bumi mereka berhasil berosilasi.

Detektor mulai mengumpulkan data pada tahun 1987. Mereka sangat beruntung dengan tanggal, tetapi lebih pada artikel berikutnya :) Pengaturannya adalah tong besar diisi dengan air jernih. Dindingnya dilapisi dengan photomultipliers. Reaksi utama dimana neutrino ditangkap adalah merobohkan sebuah elektron dari molekul air:

$$

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

Elektron bebas yang terbang cepat memancarkan warna biru gelap di air. Radiasi ini direkam oleh PMT di dinding. Selanjutnya, instalasi ditingkatkan ke Super Kamiokande dan melanjutkan pekerjaannya.



Percobaan ini mengkonfirmasi defisit neutrino matahari dan menambah defisit neutrino atmosfer.

Eksperimen Gallium

Hampir segera setelah peluncuran Kakiokande pada tahun 1990, dua detektor galium mulai beroperasi. Salah satunya terletak di Italia, di bawah gunung Grand Sasso di laboratorium dengan nama yang sama. Yang kedua adalah di Kaukasus, di Ngarai Baksan, di bawah Gunung Andyrchi. Khusus untuk laboratorium ini, desa Neutrino dibangun di jurang. Metode itu sendiri diusulkan oleh Vadim Kuzmin, terinspirasi oleh ide-ide Pontecorvo, pada tahun 1964.

$$

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

Ketika berinteraksi dengan neutrino, gallium berubah menjadi germanium isotop yang tidak stabil, yang meluruh kembali menjadi gallium dalam rata-rata 16 hari. Dalam sebulan, beberapa puluh atom germanium terbentuk, yang harus dihilangkan dengan hati-hati dari galium, ditempatkan dalam detektor kecil dan menghitung jumlah peluruhan kembali ke galium. Keuntungan dari percobaan gallium adalah mereka dapat menangkap neutrino berenergi sangat rendah yang tidak tersedia untuk fasilitas lain.

Semua percobaan yang dijelaskan di atas menunjukkan bahwa kita melihat lebih sedikit neutrino dari yang diharapkan, tetapi ini tidak membuktikan adanya osilasi. Masalahnya mungkin masih dalam model Matahari yang salah. Eksperimen SNO telah menempatkan titik terakhir dan lemak dalam masalah neutrino surya.

Observatorium Sudbury

Di tambang Craigton, orang Kanada membangun "bintang kematian" yang besar.



Sebuah bola akrilik yang dikelilingi oleh PMT dan diisi dengan 1.000 ton air berat ditempatkan pada kedalaman dua kilometer. Air seperti itu berbeda dari air biasa di mana hidrogen biasa dengan satu proton digantikan oleh deuterium - kombinasi proton dan neutron. Itu deuterium yang memainkan peran kunci dalam memecahkan masalah neutrino surya. Pengaturan seperti itu dapat merekam interaksi neutrino elektron dan interaksi dari semua jenis lainnya! Elektron neutrino akan menghancurkan deuterium dengan kelahiran elektron, sedangkan semua jenis elektron lainnya tidak dapat melahirkan. Tapi mereka bisa sedikit "mendorong" deuterium sehingga berantakan, dan neutrino terbang lebih jauh.

$$

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

Sebuah elektron cepat, seperti yang telah kita bahas, bersinar ketika bergerak dalam medium, dan neutron harus ditangkap cukup cepat oleh deuterium, memancarkan foton. Semua ini dapat didaftarkan menggunakan photomultipliers. Fisikawan akhirnya mendapat kesempatan untuk mengukur fluks total partikel dari matahari. Jika ternyata itu sesuai dengan harapan, maka neutrino elektron bergerak ke yang lain, dan jika kurang dari yang diharapkan, maka model Matahari yang salah yang harus disalahkan.

Percobaan mulai bekerja pada tahun 1999, dan pengukuran percaya diri menunjukkan bahwa ada kekurangan komponen elektronik

$$

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

Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa neutrino elektronik yang hampir eksklusif dapat dilahirkan dalam bintang. Jadi selebihnya ternyata dalam proses osilasi! Untuk pekerjaan ini, Arthur McDonald (SNO) dan Kajita-san (Kamiokande) menerima Hadiah Nobel 2015.

Hampir segera, pada awal 2000-an, eksperimen lain mulai mempelajari osilasi. Efek ini juga diamati untuk neutrino buatan manusia. Eksperimen KamLAND Jepang, yang terletak sama di Kamioka, sudah pada tahun 2002 mengamati osilasi elektron antineutrino dari reaktor. Dan yang kedua, juga percobaan Jepang, K2K untuk pertama kalinya mendaftarkan perubahan tipe dalam neutrino yang dibuat menggunakan akselerator. Super Kamiokande yang terkenal digunakan sebagai detektor jarak jauh.

Sekarang semakin banyak fasilitas yang mempelajari efek ini. Detektor sedang dibangun di Danau Baikal, di Laut Mediterania, di Kutub Selatan. Ada instalasi di dekat Kutub Utara. Semuanya menangkap neutrino asal kosmik. Percepatan dan percobaan reaktor bekerja. Parameter osilasi sendiri disempurnakan, upaya dilakukan untuk mencari tahu tentang besarnya massa neutrino. Ada bukti bahwa dengan efek ini kita dapat menjelaskan dominasi materi dibandingkan antimateri di Alam Semesta kita!


Saya ingin mencatat bahwa dengan cara yang sama aroma dan kuark mereka berubah, hanya efek ini yang jauh lebih lemah bagi mereka.

PS Saya terus mencoba bulu dalam artikel populer, jadi saya akan berterima kasih atas umpan balik / komentar / permintaan. Bagaimana saya menemukan waktu, waktu berikutnya saya berencana untuk menulis bagaimana objek astrofisika pertama kali diamati tidak melalui radiasi elektromagnetik.
Spoiler - menggunakan neutrino :)