Jenis osilasi neutrino dan neutrino

Neutrino - seperti lepton bermuatan (elektron, muon, tau), quark dari tipe atas (atas, terpesona, benar) dan tipe bawah (bawah, aneh, indah) - terdiri dari tiga jenis. Tetapi mereka dapat dibagi menjadi beberapa tipe dengan cara yang berbeda. Pada saat yang sama, karena sifat kuantum dunia kita, hanya satu yang dapat digunakan pada suatu waktu. Dalam artikel ini saya akan menjelaskan mengapa ini terjadi, dan bagaimana fakta yang menarik dan penting secara ilmiah seperti osilasi neutrino mengikuti dari fakta ini.

Anda mungkin berpikir bahwa setiap partikel memiliki massa spesifik - misalnya, energi massa elektron adalah (E = mc ² ) 0,000511 GeV - dan dari satu sudut pandang yang memungkinkan, tiga jenis neutrino tidak terkecuali. Kita dapat mengklasifikasikan tiga neutrino berdasarkan massa mereka (yang masih belum diketahui secara pasti), dan memanggil mereka, dari yang paling ringan hingga yang terberat, neutrino-1, neutrino-2 dan neutrino-3. Kami akan menyebutnya klasifikasi massa pembagian, dan jenis neutrino - jenis massa.


Fig. 1

Cara lain untuk mengklasifikasikan neutrino adalah melalui hubungannya dengan lepton bermuatan (elektron, muon, dan tau). Ini disebutkan dalam artikel tentang bagaimana partikel akan terlihat jika bidang Higgs nol. Cara terbaik untuk memahami ini adalah dengan fokus pada bagaimana neutrino dipengaruhi oleh interaksi nuklir yang lemah, yang tercermin dalam interaksinya dengan partikel W. Partikel W sangat berat, dan jika Anda memproduksinya, ia dapat meluruh (Gbr. 1) menjadi satu dari tiga yang terisi daya. antilepton dan satu dari tiga neutrino. Jika W meluruh menjadi antitau, tau neutrino akan muncul. Demikian pula, jika W meluruh menjadi antimuon, muon neutrino akan muncul. (Yang penting untuk membuat sinar neutrino, pion meluruh dengan interaksi yang lemah, dan antimuon dan muon neutrino diperoleh dari pion bermuatan positif). Dan jika W meluruh ke positron, sebuah neutrino elektron akan muncul. Kami akan menyebutnya klasifikasi yang lemah, dan neutrino ini adalah neutrino dari jenis yang lemah, karena interaksi yang lemah menentukan mereka.

Nah, apa masalahnya? Kami terus menggunakan klasifikasi yang berbeda sebagaimana diterapkan pada orang. Kami mengatakan bahwa orang muda, tua, dan tua; mereka tinggi, sedang tinggi dan pendek. Tetapi orang-orang secara opsional dapat dibagi lebih lanjut, misalnya, menjadi sembilan kategori: muda dan tinggi, muda dan setengah baya, dewasa dan pendek, tua dan pendek, dan sebagainya. Tetapi mekanika kuantum melarang kita melakukan hal yang sama dengan klasifikasi neutrino. Tidak ada neutrino yang secara bersamaan adalah muon neutrino dan neutrino-1; tidak ada tau-neutrino-3. Jika saya memberi tahu Anda massa neutrino (dan karena itu apakah itu milik kelompok neutrino-1, 2 atau 3), saya tidak bisa memberi tahu Anda apakah itu neutron elektronik, muonic atau tau-neutrino. Neutrino dari tipe massa tertentu adalah campuran, atau "superposisi" dari tiga neutrino tipe lemah. Setiap neutrino tipe massa - neutrino-1, neutrino-2, dan neutrino-3 - adalah campuran elektronik, muonic, dan tau-neutrino yang akurat namun berbeda.

Kebalikannya juga benar. Jika saya melihat bagaimana pion terurai menjadi antimuon dan neutrino, saya segera mengetahui bahwa neutrino yang dihasilkan akan menjadi muon neutrino - tetapi saya tidak dapat menemukan massanya, karena itu akan menjadi campuran neutrino-1, neutrino-2 dan neutrino-3 . Elektron neutrino dan tau neutrino juga akurat tetapi campuran berbeda dari tiga neutrino dari massa spesifik.

Hubungan antara tipe masif dan lemah ini lebih mirip (tetapi tidak persis konsisten) dengan hubungan antara klasifikasi jalan raya Amerika sebagai “utara ke selatan” dan “barat ke timur” (pemerintah AS membaginya dengan cara ini, menetapkan angka ganjil ke C / Jalan selatan dan bahkan sederhana (B / W), dan membaginya menjadi jalan yang membentang dari "timur laut ke barat daya" dan dari "tenggara ke barat laut". Penggunaan klasifikasi apa pun memiliki kelebihannya sendiri: klasifikasi N / S - W / N cocok jika Anda fokus pada garis lintang dan garis bujur, dan NE / SW - SE / NW akan lebih nyaman di dekat pantai, karena ia bergerak dari barat daya ke utara. timur. Namun kedua klasifikasi tidak dapat digunakan secara bersamaan. Jalan ke timur laut sebagian utara, dan sebagian timur; tidak dapat dikatakan bahwa dia adalah ini atau itu. Dan jalan utara adalah campuran timur laut dan barat laut. Begitu pula dengan neutrino: neutrino massa adalah campuran dari neutrino yang lemah, dan neutrino yang lemah adalah campuran dari yang massa. (Analogi akan berhenti bekerja jika Anda memutuskan untuk menggunakan klasifikasi jalan C / S - N / S - S / S - S / S - N yang ditingkatkan; untuk neutrino, opsi ini tidak ada).

Ketidakmampuan untuk mengklasifikasikan neutrino, menghubungkannya dengan jenis massa tertentu dan jenis lemah tertentu, adalah contoh dari prinsip ketidakpastian , mirip dengan keanehan yang melarang pada saat yang sama untuk mengetahui posisi tepat dan kecepatan tepat suatu partikel. Jika Anda tahu persis salah satu dari properti ini, Anda tidak tahu tentang yang lainnya. Atau Anda dapat mempelajari sesuatu tentang kedua properti tersebut, tetapi tidak semua. Mekanika kuantum memberi tahu Anda bagaimana menyeimbangkan pengetahuan dan ketidaktahuan Anda. Ngomong-ngomong, masalah ini tidak hanya berlaku untuk neutrino. Mereka terkait dengan partikel lain, tetapi sangat penting dalam konteks perilaku neutrino.

Beberapa dekade yang lalu, semuanya lebih sederhana. Kemudian diyakini bahwa neutrino tidak memiliki massa, sehingga cukup menggunakan klasifikasi yang lemah. Jika Anda melihat karya lama atau buku tua untuk orang biasa, Anda hanya akan melihat nama-nama seperti electron neutrino, muon neutrino dan tau neutrino. Namun, setelah penemuan tahun 1990-an, ini tidak lagi cukup.

Dan sekarang kesenangan dimulai. Misalkan Anda memiliki neutrino berenergi tinggi dari jenis elektronik, yaitu campuran tertentu neutrino-1, neutrino-2 dan neutrino-3. Sebuah neutrino bergerak di ruang angkasa, tetapi tiga jenis massanya bergerak dengan kecepatan yang sedikit berbeda, sangat dekat dengan kecepatan cahaya. Mengapa Karena kecepatan suatu benda tergantung pada energi dan massanya, dan tiga tipe massa memiliki tiga massa berbeda. Perbedaan kecepatan mereka sangat kecil untuk neutrino yang dapat kita ukur - tidak pernah diamati - tetapi efeknya sangat kuat!

Perbedaan kecepatan neutrino - beberapa formula

Kecepatan partikel v dalam teori relativitas Einstein dapat ditulis dalam bentuk massa m dan energi E (ini adalah energi total, mis. Energi gerak ditambah energi massa E = mc ² ), dan kecepatan cahaya c, seperti:

$$

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

Jika sebuah partikel memiliki kecepatan yang sangat tinggi dan energi totalnya E jauh lebih besar daripada energi massa mc ² , maka

$$

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

Di mana titik-titik mengingatkan kita bahwa rumus ini tidak tepat, tetapi perkiraan yang baik untuk E. besar. Dengan kata lain, kecepatan sebuah partikel yang bergerak hampir pada kecepatan cahaya berbeda dari kecepatan cahaya dengan jumlah yang sama dengan setengah kuadrat dari rasio energi massa partikel terhadap energi totalnya. . Dari rumus ini dapat dilihat bahwa jika dua neutrino memiliki massa yang berbeda m ₁ dan m ₂ , tetapi energi E besar yang sama, maka kecepatannya berbeda sangat kecil.

Mari kita lihat apa artinya itu. Semua neutrino yang diukur dari supernova yang meledak pada tahun 1987 tiba di Bumi dalam interval 10 detik. Misalkan sebuah elektron neutrino dipancarkan oleh supernova dengan energi 10 MeV. Neutrino ini adalah campuran dari neutrino-1, neutrino-2 dan neutrino-3, yang masing-masing bergerak dengan kecepatan yang sedikit berbeda! Apakah kita akan memperhatikan ini? Kami tidak tahu persis massa neutrino, tetapi anggaplah neutrino-2 memiliki energi massa 0,01 eV, dan neutrino-1 memiliki energi massa 0,001 eV. Kemudian dua kecepatan mereka, mengingat energinya sama, akan berbeda dari kecepatan cahaya dan dari satu sama lain dengan kurang dari satu bagian dari seratus ribu triliun:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0,000000000000000000005 c$$

(kesalahan semua persamaan tidak melebihi 1%). Perbedaan kecepatan seperti itu berarti bahwa bagian neutrino-2 dan neutrino-1 dari neutrino elektron asli akan tiba di Bumi dengan perbedaan satu milidetik - perbedaan semacam itu tidak dapat dideteksi karena banyak alasan teknis.

* * *

Dan sekarang dari yang menarik, kita beralih ke hal-hal yang sangat aneh.

Perbedaan kecil dalam kecepatan ini membuat campuran neutrino-1, neutrino-2, dan neutrino-3 yang tepat, yang merupakan neutrino elektron, berangsur-angsur berubah ketika bergerak di ruang angkasa. Ini berarti bahwa neutrino elektronik yang dengannya kita mulai berhenti menjadi diri kita sendiri seiring dengan satu campuran spesifik neutrino-1, neutrino-2 dan neutrino-3. Massa yang berbeda dari neutrino dari tiga tipe massa mengubah neutrino elektron awal selama pergerakan menjadi campuran dari neutrino elektron, muon neutrino dan tau neutrino. Persentase campuran tergantung pada perbedaan kecepatan, dan, oleh karena itu, pada energi neutrino awal, serta pada perbedaan massa (lebih tepatnya, pada perbedaan dalam kuadrat massa) neutrino.


Fig. 2

Pada awalnya, efeknya meningkat. Namun, yang menarik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, efek ini tidak hanya terus tumbuh. Tumbuh, dan kemudian berkurang lagi, dan kemudian tumbuh lagi, menurun lagi, lagi dan lagi, dalam proses pergerakan neutrino. Ini disebut osilasi neutrino. Bagaimana tepatnya mereka terjadi tergantung pada massa neutrino dan bagaimana massa neutrino dan neutrino lemah dicampur di sana.

Efek osilasi dapat diukur karena fakta bahwa neutrino elektron bertabrakan dengan nukleus (yaitu, neutrino dapat dideteksi) dapat berubah menjadi elektron, tetapi tidak menjadi muon atau tau, sedangkan muon neutrino dapat berubah menjadi muon, tetapi tidak menjadi elektron atau tau. Jadi, jika kita mulai dengan sinar neutrino muon, dan setelah bergerak ke jarak tertentu, beberapa neutrino bertabrakan dengan nuklei dan berubah menjadi elektron, ini berarti bahwa osilasi terjadi dalam balok dan neutrino muon berubah menjadi neutrino elektron.

Satu efek yang sangat penting memperumit dan memperkaya cerita ini. Karena materi biasa terdiri dari elektron, tetapi bukan dari muon dan tau, neutrino elektron berinteraksi dengannya dengan cara yang berbeda dari muon atau tau. Interaksi ini yang terjadi melalui interaksi yang lemah sangat kecil. Tetapi jika neutrino melewati ketebalan materi yang besar (misalnya, melalui sebagian kecil Bumi atau Matahari), efek kecil ini dapat menumpuk dan sangat mempengaruhi osilasi. Untungnya, kita cukup tahu tentang interaksi nuklir yang lemah untuk memprediksi efek ini secara rinci, dan menghitung seluruh rantai mundur, dari pengukuran dalam percobaan hingga menemukan sifat-sifat neutrino.

Semua ini dilakukan dengan menggunakan mekanika kuantum. Jika ini tidak intuitif untuk Anda, santai saja; bagi saya ini juga tidak intuitif. Saya mendapatkan semua intuisi saya dari persamaan.

Ternyata pengukuran osilasi neutrino yang cermat adalah cara tercepat untuk mempelajari sifat-sifat neutrino! Untuk pekerjaan ini, mereka telah memberikan Hadiah Nobel. Seluruh cerita ini muncul dari interaksi klasik antara eksperimen dan teori, yang membentang dari tahun 1960-an hingga saat ini. Saya akan menyebutkan yang paling penting dari pengukuran yang dilakukan.

Untuk memulainya, kita dapat mempelajari neutrino elektron yang diproduksi di pusat Matahari, dalam tungku nuklirnya yang telah dipelajari dengan baik. Neutrino ini melakukan perjalanan melalui matahari dan melalui ruang kosong ke bumi. Ditemukan bahwa ketika mereka tiba di Bumi, mereka dapat dengan probabilitas yang sama termasuk jenis muon atau tau, serta jenis neutrino elektron. Ini dengan sendirinya berfungsi sebagai bukti osilasi neutrino, dan distribusi yang tepat memberi kita informasi rinci tentang neutrino.

Kami juga memiliki muon neutrino yang timbul dari peluruhan pion yang timbul akibat sinar kosmik. Sinar kosmik adalah partikel berenergi tinggi yang berasal dari luar angkasa dan bertabrakan dengan inti atom di atmosfer atas. Dalam kaskade partikel yang dihasilkan, pion sering ditemukan, banyak di antaranya membusuk menjadi muon neutrino dan antimuon, atau menjadi muon antineutrino dan muon. Kami mendeteksi beberapa neutrino (dan antineutrino) ini di detektor kami, dan kami dapat mengukur berapa banyak dari mereka yang dimiliki oleh neutrino elektron (dan antineutrino) tergantung pada ketebalan Bumi yang mereka lewati sebelum masuk ke detektor. Ini lagi memberi kita informasi penting tentang perilaku neutrino.

Neutrino “surya” dan “atmosfer” ini mengajarkan banyak hal tentang sifat-sifat neutrino selama dua puluh tahun terakhir (dan petunjuk pertama tentang sesuatu yang menarik terjadi hampir 50 tahun yang lalu). Dan untuk sumber energi alami ini ditambahkan berbagai penelitian yang dilakukan dengan menggunakan sinar neutrino, seperti yang digunakan dalam percobaan OPERA , serta menggunakan neutrino dari reaktor nuklir konvensional. Masing-masing pengukuran sebagian besar konsisten dengan interpretasi standar neutrino surya dan atmosfer, dan memungkinkan pengukuran yang lebih akurat dari campuran jenis massa dan jenis lemah neutrino dan perbedaan dalam kotak massa massa neutrino massa.

Seperti yang diharapkan, dalam percobaan ada sedikit perbedaan dengan harapan teoritis, tetapi tidak satu pun dari mereka telah dikonfirmasi, dan sebagian besar, jika tidak semua, hanya kecelakaan statistik atau masalah di tingkat eksperimental. Sejauh ini, tidak ada kontradiksi dengan pemahaman tentang neutrino dan perilaku mereka telah dikonfirmasi dalam beberapa percobaan. Di sisi lain, keseluruhan gambar ini cukup baru dan agak kurang teruji, sehingga sangat mungkin, meskipun tidak mungkin, bahwa itu mungkin memiliki interpretasi yang sama sekali berbeda. Memang, alternatif yang cukup serius telah diusulkan. Jadi penyempurnaan detail sifat-sifat neutrino adalah bidang penelitian yang sedang berkembang aktif di mana sebagian besar masih ada kesepakatan, tetapi beberapa pertanyaan masih tetap terbuka - termasuk penentuan massa neutrino yang lengkap dan tidak dapat dibatalkan.