Oscilações de neutrinos para manequins

Quase todos os geeks ouviram falar de oscilações de neutrinos. Muita literatura profissional e vários artigos populares foram escritos sobre esse fenômeno, mas apenas os autores dos livros didáticos acreditam que o leitor entende teoria de campo e até quantum, e os autores de artigos populares geralmente se limitam a frases no estilo: “Partículas voam, voam e depois BAC e se transformar em outros ”, com uma massa diferente (!!!). Vamos tentar descobrir de onde vem esse efeito interessante e como é observado com a ajuda de grandes instalações. E, ao mesmo tempo, aprenderemos como encontrar e extrair vários átomos necessários de 600 toneladas de matéria.

Outro neutrino

Em um artigo anterior, falei sobre como a própria idéia da existência de um neutrino apareceu em 1932 e como essa partícula foi descoberta 25 anos depois. Deixe-me lembrá-lo, Raines e Cowan registraram a interação de um antineutrino com um próton $$$\ bar {\ nu} + p \ n + e ^ +$ . Mas, mesmo assim, muitos cientistas acreditavam que os neutrinos poderiam ser de vários tipos. Um neutrino que interage ativamente com um elétron é chamado elétron, e um neutrino que interage com um múon , respectivamente, é um múon. Os pesquisadores precisaram descobrir se esses dois estados são diferentes ou não. Lederman, Schwartz e Steinberger conduziram um experimento notável. Eles examinaram um feixe de pi-mésons do acelerador. Tais partículas decaem rapidamente em um múon e neutrino.

$$

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

Se o neutrino realmente tem variedades diferentes, então o múon deve nascer. Então tudo é simples - no caminho das partículas nascidas, estabelecemos um alvo e examinamos como elas interagem: com o nascimento de um elétron ou múon. A experiência mostrou inequivocamente que os elétrons quase não nascem.

$$

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

Então agora temos dois tipos de neutrinos! Estamos prontos para avançar para o próximo passo na discussão das oscilações de neutrinos.

Isso é algum tipo de sol "errado"

Nos primeiros experimentos com neutrinos, uma fonte artificial foi usada: um reator ou um acelerador. Isso tornou possível criar fluxos de partículas muito poderosos, porque as interações são extremamente raras. Mas era muito mais interessante registrar neutrinos naturais. De particular interesse é o estudo do fluxo de partículas do sol.

Em meados do século 20, já estava claro que a lenha não queimava ao sol - eles contavam e descobriu-se que não havia lenha suficiente. A energia é liberada durante uma reação nuclear no centro do sol. Por exemplo, o processo principal de nossa estrela é chamado de " ciclo próton-próton ", quando um átomo de hélio é montado a partir de quatro prótons.



Você pode notar que, no primeiro passo, as partículas de interesse para nós devem nascer. E aqui a física de neutrinos pode mostrar todo o seu poder! Para observação óptica, apenas a superfície do Sol (fotosfera) está disponível e o neutrino passa livremente por todas as camadas da nossa estrela. Como resultado, as partículas detectadas vêm do centro, onde nascem. Podemos "observar" diretamente o núcleo do sol. Naturalmente, esses estudos não podiam deixar de atrair físicos. Além disso, o fluxo esperado era de quase 100 bilhões de partículas por centímetro quadrado por segundo.

Raymond Davis foi o primeiro a realizar esse experimento na maior mina de ouro da América, a Homestake Mine. A instalação teve que ser escondida no subsolo para se proteger do poderoso fluxo de partículas cósmicas. Um neutrino pode atravessar um quilômetro e meio de rocha sem problemas, mas outras partículas serão interrompidas. O detector era um enorme barril cheio de 600 toneladas de tetracloretileno - um composto de 4 átomos de cloro. Esta substância é usada ativamente na limpeza a seco e é bastante barata.



Este método de registro foi proposto por Bruno Maksimovich Pontecorvo. Ao interagir com neutrinos, o cloro se transforma em um isótopo de argônio instável,

$$

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

que captura um elétron do orbital inferior e decai em uma média de 50 dias.

$$

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

Mas! Apenas cerca de 5 interações de neutrinos são esperadas por dia. Em algumas semanas, apenas 70 átomos de argônio serão digitados e eles deverão ser encontrados! Encontre dezenas de átomos em um barril de 600 toneladas. Verdadeiramente um desafio fantástico. A cada dois meses, Davis soprava o barril com hélio, soprando o argônio formado. O gás repetidamente purificado foi colocado em um pequeno detector ( contador Geiger ), onde foi considerado o número de decaimentos do argônio resultante. Portanto, o número de interações de neutrinos foi medido.

Quase imediatamente, descobriu-se que o fluxo de neutrinos do Sol era quase três vezes menor do que o esperado, o que causou um grande impacto na física. Em 2002, Davis compartilhou com Kosiba-san o Prêmio Nobel por sua significativa contribuição à astrofísica, em termos de detecção de neutrinos cósmicos.



Uma pequena observação: Davis registrou neutrinos não da reação próton-próton, que descrevi acima, mas de processos um pouco mais complexos e raros com berílio e boro, mas isso não muda a essência.

Quem é o culpado e o que fazer?

Portanto, o fluxo de neutrinos é três vezes menor que o esperado. Porque Você pode oferecer as seguintes opções:

1. O modelo do Sol está incorreto. Apesar de muitos anos de observações ópticas, não compreendemos completamente como o sol funciona. O fluxo total de neutrinos é menor que o esperado;
2. Algo está errado com os próprios neutrinos. Por exemplo, eles mudam de tipo no caminho para a Terra ( $$$\ nu_e \ to \ nu_ \ mu$ ) e não pode mais interagir com o nascimento de um elétron. Fluxo total $$$\ nu_e + \ nu_ \ mu$ não mudou.

Esses neutrinos volúveis

Um ano antes dos resultados do experimento de Davis, o Bruno Pontecorvo mencionado anteriormente desenvolve uma teoria de como exatamente os neutrinos podem mudar seu tipo no vácuo. Uma conseqüência é que diferentes tipos de neutrinos devem ter massas diferentes. E por que diabos as partículas deveriam tomar e mudar sua massa assim na mosca, que, em geral, deveriam ser preservadas? Vamos acertar.

Não podemos prescindir de uma pequena introdução à teoria quântica, mas tentarei tornar essa explicação o mais transparente possível. Somente geometria básica é necessária. O estado do sistema é descrito por um "vetor de estado". Se houver um vetor, deve haver uma base. Vejamos a analogia com o espaço de cores. Nosso "estado" é verde. Na base RGB, escrevemos esse vetor como (0, 1, 0). Mas, na base CMYK, quase a mesma cor será gravada de maneira diferente (0,63, 0, 1, 0). Obviamente, não temos e não podemos ter uma base "principal". Para diferentes necessidades: imagens em um monitor ou impressão, devemos usar nosso sistema de coordenadas.

Quais são as bases para os neutrinos? É lógico decompor o fluxo de neutrinos em diferentes tipos: eletrônico ( $$$\ nu_e$ ), muônico ( $$$\ nu_ \ mu$ ) e tau ( $$$\ nu_ \ tau$ ) Se um fluxo de neutrinos exclusivamente eletrônicos voa do Sol, esse estado é (1, 0, 0) nessa base. Mas, como discutimos, os neutrinos podem ser enormes. E ter massas diferentes. Portanto, é possível decompor o fluxo de neutrinos em estados de massa: $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$ com as massas $$$m_1, m_2, m_3$ em conformidade.

O ponto principal das oscilações é que essas bases não coincidem! O azul na imagem mostra os tipos (tipos) de neutrinos e estados vermelhos com massas diferentes.



Ou seja, se um neutrino de elétron aparecesse no decaimento de um nêutron, três estados de massa apareceriam ao mesmo tempo (eles projetaram $$$\ nu_e$ em $$$\ nu_1, \ nu_2, \ nu_3$ )

Mas se esses estados tiverem massas ligeiramente diferentes, as energias serão ligeiramente diferentes. E como as energias são diferentes, elas se espalharão no espaço de maneiras diferentes. A figura mostra como esses três estados evoluirão com o tempo.


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

Na figura, o movimento das partículas é mostrado na forma de uma onda. Essa representação é chamada onda de Broglie , ou a onda de probabilidade de registrar uma partícula específica.

O neutrino interage dependendo do tipo ( $$$e, \ mu, \ tau$ ) Portanto, quando queremos calcular como o neutrino se manifestará, precisamos projetar nosso vetor de estado em ( $$$\ nu_e, \ nu_ \ mu, \ nu_ \ tau$ ) E assim será possível registrar esse ou aquele tipo de neutrino. Estas são as ondas de probabilidade que obtemos para o neutrino eletrônico, dependendo da distância percorrida:



A quantidade de alterações do tipo é determinada pelos ângulos relativos dos sistemas de coordenadas descritos (mostrados na figura anterior $$$\ theta_ {ij}$ ) e diferenças de massa.

Se você não tem medo da terminologia da mecânica quântica e teve a paciência de ler até este ponto, uma descrição formal simples pode ser encontrada na Wikipedia .

Mas como realmente?

A teoria é, claro, boa. Mas até agora não podemos decidir qual das duas opções é implementada na natureza: o Sol "não é assim" ou o neutrino não é assim. Precisamos de novos experimentos que finalmente mostrem a natureza desse efeito interessante. Em poucas palavras, descreverei as principais atitudes que desempenharam um papel fundamental na pesquisa.

Observatório Kamioka

A história deste observatório começa com o fato de que aqui eles tentaram encontrar a decadência do próton. É por isso que o detector recebeu o nome correspondente - “Kamioka” (experimento de decomposição do núcleo de Kamioka). Mas, como não encontraram nada, os japoneses rapidamente mudaram para uma direção promissora: o estudo dos neutrinos atmosféricos e solares. Já discutimos de onde vem o sol. Atmosféricos nascem nas decadências de múons e pi-mesons na atmosfera da Terra. E enquanto eles alcançam a Terra, eles conseguem oscilar.

O detector começou a coletar dados em 1987. Eles tiveram muita sorte com as datas, mas mais sobre isso no próximo artigo :) A instalação era um enorme barril cheio de água limpa. As paredes foram revestidas com fotomultiplicadores. A principal reação pela qual os neutrinos foram capturados é nocautear um elétron das moléculas de água:

$$

$$\ nu_e + e_ {no \ átomo espacial} ^ - \ to \ nu_e + e_ {livre} ^ -$$

Um elétron livre voando rapidamente brilha em azul escuro na água. Essa radiação foi registrada por PMTs nas paredes. Posteriormente, a instalação foi atualizada para Super Kamiokande e continuou seu trabalho.



O experimento confirmou o déficit de neutrinos solares e acrescentou a isso o déficit de neutrinos atmosféricos.

Experimentos com gálio

Quase imediatamente após o lançamento de Kakiokande em 1990, dois detectores de gálio começaram a operar. Um deles estava localizado na Itália, sob a montanha de Grand Sasso, no laboratório de mesmo nome. O segundo está no Cáucaso, no desfiladeiro de Baksan, sob a montanha Andyrchi. Especialmente para este laboratório, a vila de Neutrino foi construída no desfiladeiro. O próprio método foi proposto por Vadim Kuzmin, inspirado nas idéias de Pontecorvo, em 1964.

$$

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

Ao interagir com os neutrinos, o gálio se transforma em um isótopo de germânio instável, que decai de volta ao gálio em uma média de 16 dias. Em um mês, várias dezenas de átomos de germânio são formados, os quais devem ser cuidadosamente removidos do gálio, colocados em um pequeno detector e contados o número de decaimentos até o gálio. A vantagem dos experimentos com gálio é que eles podem capturar neutrinos de baixa energia que não estão disponíveis para outras instalações.

Todas as experiências descritas acima mostraram que vemos menos neutrinos do que o esperado, mas isso não prova a presença de oscilações. O problema ainda pode estar no modelo errado do Sol. O experimento SNO colocou o último ponto de gordura no problema dos neutrinos solares.

Observatório Sudbury

Na mina de Craigton, os canadenses construíram uma enorme "estrela da morte".



Uma esfera de acrílico cercada por um PMT e preenchida com 1.000 toneladas de água pesada foi colocada a uma profundidade de dois quilômetros. Essa água difere da água comum, pois o hidrogênio comum com um próton é substituído pelo deutério - a combinação de um próton e um nêutron. Foi o deutério que desempenhou um papel fundamental na resolução dos problemas dos neutrinos solares. Tal configuração pode registrar interações de neutrinos de elétrons e interações de todos os outros tipos! Neutrinos de elétrons destruirão o deutério com o nascimento de um elétron, enquanto todos os outros tipos de elétrons não podem dar à luz. Mas eles podem "empurrar" levemente o deutério para que ele se desfaça e o neutrino voe mais.

$$

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

Um elétron rápido, como já discutimos, brilha quando se move em um meio, e um nêutron deve ser capturado com bastante rapidez pelo deutério, emitindo um fóton. Tudo isso pode ser registrado usando fotomultiplicadores. Os físicos finalmente tiveram a oportunidade de medir o fluxo total de partículas do sol. Se isso coincide com as expectativas, então os neutrinos de elétrons estão se movendo para os outros, e se for menor que o esperado, então o modelo errado do Sol é o culpado.

O experimento começou a funcionar em 1999, e as medições indicaram com confiança que havia uma falta do componente eletrônico

$$

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

Deixe-me lembrá-lo que quase exclusivamente neutrinos eletrônicos podem nascer em uma estrela. Então o resto acabou no processo de oscilações! Por este trabalho, Arthur McDonald (SNO) e Kajita-san (Kamiokande) receberam o Prêmio Nobel de 2015.

Quase imediatamente, no início dos anos 2000, outros experimentos começaram a estudar as oscilações. Este efeito também foi observado para neutrinos artificiais. O experimento japonês KamLAND, localizado da mesma forma em Kamioka, já em 2002 observou oscilações de antineutrinos de elétrons do reator. E o segundo experimento K2K, também japonês, registrou pela primeira vez uma alteração de tipo nos neutrinos criados usando um acelerador. O conhecido Super Kamiokande foi usado como um detector distante.

Agora, mais e mais instalações estão estudando esse efeito. Os detectores estão sendo construídos no Lago Baikal, no Mar Mediterrâneo, no Polo Sul. Havia instalações perto do Polo Norte. Todos eles pegam neutrinos de origem cósmica. Experimentos com aceleradores e reatores funcionam. Os parâmetros das próprias oscilações são refinados, são feitas tentativas para descobrir algo sobre a magnitude das massas de neutrinos. Há evidências de que é com esse efeito que podemos explicar a predominância da matéria sobre a antimatéria em nosso Universo!


Quero observar que, da mesma forma que seus aromas e quarks mudam, apenas esse efeito é muito mais fraco para eles.

PS: Continuo tentando plumas em artigos populares, por isso ficaria grato por feedback / comentários / solicitações. Como vou encontrar tempo, da próxima vez pretendo escrever como o objeto astrofísico foi observado pela primeira vez, não por radiação eletromagnética.
Spoiler - usando um neutrino :)