🤰🏾 👩🏿‍🤝‍👩🏽 🐂 假人的中微子振荡 👩🏾 👨🏽‍🏭 🍢

几乎所有极客都听说过中微子振荡。关于这种现象，已经有很多专业文献和大量流行文章被撰写，但是只有教科书的作者相信读者才能理解场论，甚至量子，并且流行文章的作者通常仅限于以下形式的短语：然后变成其他人，”以不同的质量（!!!）。我们将尝试找出这种有趣的效果来自何处，以及如何在大型安装的帮助下进行观察。同时，我们将学习如何从600吨物质中找到并提取几个必要的原子。

另一个中微子

在上一篇文章中，我谈到了存在中微子的想法是如何在1932年出现的，以及25年后如何发现中微子的。让我提醒您，Raines和Cowan记录了抗中微子与质子的相互作用

b a r n u + p \到 n + e^{+}

$\ bar {\ nu} + p \到n + e ^ +$ 。但是即使那样，许多科学家仍然相信中微子可能是几种类型。主动与电子相互作用的中微子称为电子，分别与μ子相互作用的中微子称为μ子。实验人员需要弄清楚这两种状态是否不同。 Lederman，Schwartz和Steinberger进行了出色的实验。他们检查了加速器发出的一束π介子。这样的粒子容易腐烂成μ子和中微子。

p i \到 m u + n u

$\ pi \到\ mu + \ nu$

如果中微子确实具有不同的变种，则必须产生介子。然后，一切都变得简单了-在诞生粒子的路径上，我们设定了一个目标并检查它们如何相互作用：随着电子或介子的诞生。经验明确表明，电子几乎没有诞生。

n u_{m u} + p r i g h t a r r o w n + m u n u_{m u} + p n r i g h t a r r o w n + e

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

所以现在我们有两种类型的中微子！我们准备继续进行中微子振荡的讨论。

这是某种“错误”的太阳

在第一个中微子实验中，使用了人工来源：反应堆或加速器。由于相互作用非常罕见，因此可以创建非常强大的粒子流。但是登记天然中微子更有趣。特别有趣的是研究来自太阳的粒子通量。

到20世纪中叶，很明显木柴没有在阳光下燃烧-他们计数，结果证明木柴不足。在太阳正中心的核反应中释放能量。例如，当一个氦原子由四个质子组装而成时，我们恒星的主要过程称为“ 质子-质子循环 ”。

您可能会注意到，第一步应该诞生我们感兴趣的粒子。在这里，中微子物理学可以展示其所有力量！为了进行光学观察，只有太阳（光球）表面可用，中微子可以自由地穿过恒星的所有层。结果，检测到的粒子来自它们出生的中心。我们可以直接“观察”太阳的核心。自然地，这样的研究不得不吸引物理学家。此外，预期的流量为每平方厘米每秒近1000亿个粒子。

雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）是第一个在美国最大的金矿霍姆斯特克（Homestake）矿进行此类实验的人。该装置必须隐藏在地下深处，以保护自己免受宇宙粒子强大流动的影响。中微子可以毫无问题地穿过一个半公里的岩石，但是其他粒子将被阻止。该探测器是一个装有600吨四氯乙烯（4个氯原子的化合物）的巨大桶。这种物质被积极地用于干洗中，并且非常便宜。

这种注册方法由Bruno Maksimovich Pontecorvo提出。与中微子相互作用时，氯变成不稳定的氩同位素，

n u_{e} +^{37} C l \到^{37} A r + e^{-}

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

它会捕获来自较低轨道的电子，然后平均回落50天。

^{37} A r + e^{-} \至^{37} C l + n u_{e}

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

但是！每天仅预期约5个中微子相互作用。在几周内，将只键入70个氩原子，并且必须找到它们！在600吨的桶中找到数十个原子。真正的挑战。戴维斯每两个月一次，用氦气吹扫桶中的气体，吹出形成的氩气。将重复纯化的气体置于小型检测器（ Geiger计数器）中，在该检测器中考虑所得氩气的衰变次数。因此，测量了中微子相互作用的数量。

几乎立即，结果证明来自太阳的中微子通量几乎比预期的低三倍，这在物理学上引起了极大的轰动。 2002年，戴维斯（Davis）与科西巴·桑（Kosiba-san）共同获得了诺贝尔奖，以表彰他在探测宇宙中微子方面对天体物理学的杰出贡献。

一句话：戴维斯不是通过质子-质子反应（如上所述）记录中微子，而是通过铍和硼的更为复杂和稀有的过程记录了中微子，但这并没有改变本质。

谁该怪谁该怎么办？

因此，中微子通量比预期的小三倍。怎么了您可以提供以下选项：

太阳的模型不正确。尽管进行了多年的光学观测，但我们完全不了解太阳是如何工作的。中微子的总通量小于预期。
中微子本身出了点问题。例如，他们在前往地球的途中改变了类型（ $\ nu_e \到\ nu_ \ mu$ ），并且不再与电子的诞生发生相互作用。总流量 $\ nu_e + \ nu_ \ mu$ 没有改变。

这些善变的中微子

在戴维斯实验结果的一年之前，前述的布鲁诺·庞特科沃（Bruno Pontecorvo）提出了一种理论，该理论是中微子如何精确地在真空中改变其类型。结果是不同类型的中微子必须具有不同的质量。为何在地球上微粒会像这样飞行并改变其质量，通常应予以保留？让我们做对。

我们不能不对量子理论作简单介绍，但是我将尽力使这种解释尽可能透明。仅需要基本几何形状。系统的状态由“状态向量”描述。如果有一个向量，那么就必须有一个基础。让我们看一下色彩空间的类比。我们的“状态”是绿色的。在RGB基础上，我们将此向量写为（0，1，0）。但是以CMYK为基础，几乎相同的颜色将以不同的方式记录（0.63、0、1、0）。显然，我们没有也不可以有“主要”基础。对于不同的需求：必须在监视器或打印图像上使用坐标系。

中微子的基础是什么？将中微子通量分解成不同的类型是合乎逻辑的：电子（

n u_{e}

$\ nu_e$ ），muonic（

n u_{} m u

$\ nu_ \ mu$ ）和tau（

n u_{} t a u

$\ nu_ \ tau$ ）如果唯一的电子中微子流从太阳飞来，则在这种情况下，该状态为（1、0、0）。但是正如我们所讨论的，中微子可能是巨大的。并拥有不同的群众。因此可以将中微子通量分解为质量态：

n u_{1} ， n u_{2} ， n u_{3}

$\ nu_1，\ nu_2，\ nu_3$ 与群众

m_{1} ， m_{2} ， m_{3}

$m_1，m_2，m_3$ 相应地。

振荡的全部要点是这些基数不一致！图中的蓝色表示中微子的类型（类型），质量不同的红色状态。

也就是说，如果电子中微子出现在中子的衰变中，那么三个质态会同时出现（他们设计

n u_{e}

$\ nu_e$ 在

n u_{1} ， n u_{2} ， n u_{3}

$\ nu_1，\ nu_2，\ nu_3$ ）

但是，如果这些状态的质量略有不同，则能量将略有不同。而且由于能量不同，所以它们将以不同的方式在空间中传播。图片显示了这三种状态将随着时间的推移而变化。

（c） www-hep.physics.wm.edu

在图片中，粒子运动以波的形式显示。这种表示形式称为de Broglie波，或记录特定粒子的概率波。

中微子的相互作用取决于类型（

e ， m u ， t a u

$e，\ mu，\ tau$ ）因此，当我们要计算中微子如何表现出来时，我们需要将状态向量投影到（

n u_{e} ， n u_{} m u ， n u_{} t a u

$\ nu_e，\ nu_ \ mu，\ nu_ \ tau$ ）这样，就可以记录这种或那种类型的中微子。这些是我们为电子中微子所获得的概率波，具体取决于行进的距离：

类型将改变多少取决于所描述的坐标系的相对角度（如上图所示）

t h e t a_{i j}

$\ theta_ {ij}$ ）和质量差异。

如果您不担心量子力学的术语，并且耐心地阅读了这一点，那么可以在Wikipedia上找到一个简单的正式描述。

但是真的如何呢？

理论当然是好的。但是到目前为止，我们还不能确定在自然界中可以实现这两种选择中的哪一种：太阳“不是那样”或中微子不是那样。我们需要新的实验，以最终证明这种有趣效果的本质。简而言之，我将描述在研究中起关键作用的主要态度。

神冈天文台

这个天文台的历史始于他们试图在此发现质子衰变的事实。这就是为什么为探测器指定相应名称的原因-“ Kamioka”（Kamioka Nucleon衰变实验）。但是，日本人一无所获，很快就转向了一个有希望的方向：对大气和太阳中微子的研究。我们已经讨论了太阳来自哪里。大气是地球大气中μ子和π介子衰变的产物。而且，当它们到达地球时，它们会振动。

探测器从1987年开始收集数据。他们对日期非常幸运，但是在下一篇文章中会更多：:该装置是一个装满清水的巨大桶。墙壁上铺有光电倍增管。捕获中微子的主要反应是从水分子中敲出电子：

n u_{e} + e_{在 \空 间 原 子}^{-} \到 n u_{e} + e_{免 费}^{-}

$\ nu_e + e_ {在\空间原子} ^-\到\ nu_e + e_ {免费} ^-$

快速飞行的自由电子在水中发出深蓝色的光。墙壁上的PMT记录了这种辐射。随后，该安装升级为Super Kamiokande，并继续工作。

实验证实了太阳中微子的不足，并增加了大气中微子的不足。

镓实验

在1990年Kakiokande发射后，几乎立即有两个镓探测器开始工作。其中一个位于意大利，在同名实验室的大萨索山下。第二个是在安迪尔奇山下的巴克桑峡谷的高加索地区。特别是对于这个实验室，Neutrino村建在峡谷中。该方法本身是瓦迪姆·库兹敏（Vadim Kuzmin）在1964年从庞特科沃（Pontecorvo）的思想启发而提出的。

^{71} G a + n u_{e} \至^{71} G e + e^{-}

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

当与中微子相互作用时，镓会变成不稳定的锗同位素，平均在16天后会分解回镓。一个月之内，形成了几十个锗原子，必须非常小心地从镓中除去锗原子，将其放置在小型检测器中，并对衰减回镓的次数进行计数。镓实验的优势在于它们可以捕获其他设施无法获得的低能量中微子。

上述所有实验表明，我们看到的中微子数量少于预期的数量，但这并不能证明存在振荡。问题可能仍然出在太阳的错误模型上。 SNO实验已经把太阳中微子的问题放在最后一个胖点。

萨德伯里天文台

在克雷顿矿，加拿大人建造了一颗巨大的“死亡之星”。

将一个由PMT包围并充满1000吨重水的丙烯酸球放在两公里深处。这种水与普通水的不同之处在于，带有一个质子的普通氢被氘（质子和中子的组合）代替。氘在解决太阳中微子问题中发挥了关键作用。这样的设置既可以记录电子中微子的相互作用，也可以记录所有其他类型的相互作用！电子中微子会随着电子的诞生而破坏氘，而所有其他类型的电子都无法产生。但是他们可以稍微“推动”氘，使其分解，中微子飞得更远。

n u_{e} + d \到 p + p + e^{-} n u_{} a l p h a + d \到 p + n + n u_{} a l p h a ， s p a c e （ a l p h a = e ， m u ， t a u ）

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

正如我们已经讨论过的，快速电子在介质中移动时会发光，中子必须被氘快速捕获，从而发射出光子。所有这些都可以使用光电倍增管进行注册。物理学家终于有机会测量来自太阳的粒子总通量。如果事实证明它与预期相符，则电子中微子正在向其他电子中微子移动；如果它比预期的要少，则应归咎于错误的太阳模型。

该实验于1999年开始工作，测量结果自信地表明电子元件短缺

f r a c N_{e} N_{t o t a l} = 0.34

$\ frac {N_e} {N_ {total}} = 0.34$

让我提醒您，几乎只有电子中微子才能在恒星中诞生。因此，剩下的就是在振荡过程中出现的！由于这项工作，亚瑟·麦克唐纳（SNO）和卡吉塔·桑（神冈千代）获得了2015年诺贝尔奖。

几乎立即，在2000年代初，其他实验开始研究振荡。人造中微子也观察到了这种效果。日本KamLAND实验完全位于相同的位置，在Kamioka，早在2002年就观察到了反应堆中电子反中微子的振荡。第二个也是日本的K2K实验首次记录了使用加速器产生的中微子的类型变化。著名的Super Kamiokande被用作远距离探测器。

现在越来越多的设施正在研究这种效果。正在南极的地中海贝加尔湖上建造探测器。在北极附近有一些设施。它们都捕获了宇宙起源的中微子。加速器和反应堆实验工作。对振荡本身的参数进行了细化，试图找到有关中微子质量大小的信息。有证据表明，正是由于这种作用，我们才能在我们的宇宙中解释物质在反物质方面的优势！

在剧透的下方，一句话最贴心。

2015年奖的措辞是“发现中微子振荡会显示其质量”。在物理学家中，这种说法引起了一些混乱。在测量太阳中微子时（SNO实验），我们对质量差不敏感。一般而言，质量可以为零，但会保留振荡。中微子与太阳物质的相互作用解释了这种行为（ Mikheev-Smirnov-Wolfenstein效应）。也就是说，太阳中微子存在振荡，它们的发现是一个根本性的突破，但是质量的存在从来没有表明这一点。实际上，诺贝尔委员会颁发的措词不正确。
真空中的振荡会在大气，反应堆和加速器实验中表现出来。

我想指出，以同样的方式改变它们的香气和夸克，对他们来说，这种作用要弱得多。

附言：我将继续尝试在流行文章中使用羽毛，因此，感谢您的反馈/评论/要求。我将如何找到时间，下次我打算写第一次不是通过电磁辐射观测天体物体的方法。
剧透-使用中微子:)

假人的中微子振荡