Neytrino elektronga juda oʻxshash, lekin elektr zaryadiga ega boʻlmagan elementar zarrachadir. U juda kichik massaga ega, hatto nolga teng bo'lishi mumkin. Neytrinoning tezligi ham massaga bog'liq. Zarracha va yorug'likning kelish vaqtidagi farq 0,0006% (± 0,0012%) ni tashkil qiladi. 2011-yilda OPERA tajribasi davomida neytrinolarning tezligi yorug‘lik tezligidan oshib ketishi aniqlandi, biroq mustaqil tajriba buni tasdiqlamadi.
Tutib qolmaydigan zarracha
Bu koinotdagi eng keng tarqalgan zarralardan biridir. U materiya bilan juda kam ta'sir qilganligi sababli, uni aniqlash juda qiyin. Elektronlar va neytrinolar kuchli yadroviy o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydilar, lekin kuchsizlarida teng ravishda ishtirok etadilar. Bunday xususiyatlarga ega bo'lgan zarralar leptonlar deb ataladi. Zaryadlangan leptonlarga elektrondan (va uning antizarrasi - pozitrondan) tashqari, muon (200 elektron massa), tau (3500 elektron massa) va ularning antizarralari kiradi. Ular shunday deyiladi: elektron-, muon- va tau-neytrinolar. Ularning har birida antineytrino deb ataladigan anti-material komponent mavjud.
Myun va tau elektron kabi zarrachalar bilan birga keladi. Bular muon va tau neytrinolari. Uch turdagi zarrachalar bir-biridan farq qiladi. Misol uchun, muon neytrinolari nishon bilan o'zaro ta'sirlashganda, ular hech qachon tau yoki elektronlarni emas, balki har doim muonlarni hosil qiladi. Zarrachalarning o'zaro ta'sirida elektronlar va elektron-neytrinolar yaratilishi va yo'q qilinishi mumkin bo'lsa-da, ularning yig'indisi o'zgarishsiz qoladi. Bu fakt leptonlarning uch turga bo'linishiga olib keladi, ularning har birida zaryadlangan lepton va unga hamroh bo'lgan neytrino bor.
Bu zarrachani aniqlash uchun juda katta va juda sezgir detektorlar kerak. Odatda, kam energiyali neytrinolar materiya bilan o'zaro ta'sir qilishdan oldin ko'p yorug'lik yillarini bosib o'tadi. Binobarin, ular bilan olib borilgan barcha yerga asoslangan tajribalar o'rtacha o'lchamdagi magnitafonlar bilan o'zaro ta'sir qiladigan kichik qismini o'lchashga tayanadi. Masalan, 1000 tonna og'ir suvni o'z ichiga olgan Sadberi Neytrino rasadxonasida detektordan soniyasiga taxminan 1012 quyosh neytrinosi o'tadi. Kuniga atigi 30 ta topiladi.
Kashfiyot tarixi
Volfgang Pauli birinchi marta 1930 yilda zarracha mavjudligini taxmin qilgan. O'sha paytda muammo yuzaga keldi, chunki beta-parchalanishda energiya va burchak momentum saqlanib qolmagandek tuyuldi. Ammo Paulining ta'kidlashicha, agar o'zaro ta'sir qilmaydigan neytral neytrino zarrachalari ajralib chiqsa, u holda energiyaning saqlanish qonuni kuzatiladi. Italiyalik fizigi Enriko Fermi 1934 yilda beta-parchalanish nazariyasini ishlab chiqdi va zarrachaga o'z nomini berdi.
Barcha bashoratlarga qaramay, 20 yil davomida neytrinolarni materiya bilan zaif oʻzaro taʼsiri tufayli tajriba yoʻli bilan aniqlab boʻlmadi. Chunki zarrachalar elektr emaszaryadlangan bo'lsa, ularga elektromagnit kuchlar ta'sir qilmaydi va shuning uchun ular moddaning ionlanishiga olib kelmaydi. Bundan tashqari, ular materiya bilan faqat ahamiyatsiz kuchning zaif o'zaro ta'siri orqali reaksiyaga kirishadilar. Shuning uchun ular eng ko'p o'tadigan subatomik zarralar bo'lib, hech qanday reaktsiyaga olib kelmasdan juda ko'p atomlardan o'tishga qodir. Bu zarralarning 10 milliarddan faqat 1 tasi materiya boʻylab Yer diametriga teng masofani bosib oʻtib, proton yoki neytron bilan reaksiyaga kirishadi.
Nihoyat, 1956 yilda Frederik Reyns boshchiligidagi bir guruh amerikalik fiziklar elektron-antineytrino kashf etilganini e'lon qilishdi. Uning tajribalarida yadro reaktoridan chiqarilgan antineytrinolar protonlar bilan oʻzaro taʼsirlashib, neytron va pozitronlarni hosil qilgan. Bu soʻnggi qoʻshimcha mahsulotlarning noyob (va kamdan-kam) energiya belgilari zarracha mavjudligini tasdiqlaydi.
Zaryadlangan muon leptonlarining kashf etilishi neytrinolarning ikkinchi turi - muonni keyinchalik aniqlash uchun boshlang'ich nuqta bo'ldi. Ularning identifikatsiyasi 1962 yilda zarracha tezlatgichida o'tkazilgan tajriba natijalariga ko'ra amalga oshirilgan. Yuqori energiyali muonik neytrinolar pi-mezonlarning parchalanishi natijasida hosil bo'lgan va detektorga ularning moddalar bilan reaktsiyalarini o'rganish mumkin bo'lgan tarzda yuborilgan. Garchi ular ushbu zarrachalarning boshqa turlari kabi reaktiv bo'lmasalar ham, kamdan-kam hollarda protonlar yoki neytronlar bilan reaksiyaga kirishganda, muon-neytrinolar hech qachon elektron bo'lmasa-da, muonlarni hosil qilishlari aniqlangan. 1998 yilda amerikalik fiziklar Leon Lederman, Melvin Shvarts va Jek Steynbergermuon-neytrinoni aniqlagani uchun fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.
1970-yillarning oʻrtalarida neytrino fizikasi yana bir turdagi zaryadlangan leptonlar - tau bilan toʻldirildi. Tau neytrino va tau antineytrino bu uchinchi zaryadlangan lepton bilan bog'langanligi ma'lum bo'ldi. 2000 yilda Milliy tezlatgich laboratoriyasida fiziklar. Enriko Fermi bu turdagi zarrachalar mavjudligining birinchi eksperimental dalillari haqida xabar berdi.
Mass
Barcha turdagi neytrinolarning massasi zaryadlangan hamkasblarining massasidan ancha past. Masalan, tajribalar shuni ko'rsatadiki, elektron-neytrino massasi elektron massasining 0,002% dan kam bo'lishi kerak va uch turdagi massalar yig'indisi 0,48 eV dan kam bo'lishi kerak. Ko'p yillar davomida zarrachaning massasi nolga teng bo'lib tuyuldi, ammo nima uchun bunday bo'lishi kerakligi haqida ishonchli nazariy dalillar yo'q edi. Keyin, 2002 yilda Sadberi Neytrino rasadxonasi Quyosh yadrosidagi yadro reaktsiyalari natijasida chiqariladigan elektron-neytrinolar u orqali o'tayotganda turini o'zgartirishi haqida birinchi to'g'ridan-to'g'ri dalillarni taqdim etdi. Neytrinolarning bunday "tebranishlari" agar bir yoki bir nechta turdagi zarrachalar biroz kichik massaga ega bo'lsa, mumkin. Ularning Yer atmosferasidagi kosmik nurlarning oʻzaro taʼsirini oʻrganishlari ham massa mavjudligini koʻrsatadi, ammo uni aniqroq aniqlash uchun keyingi tajribalar talab etiladi.
Manbalar
Neytrinolarning tabiiy manbalari Yerning ichaklaridagi elementlarning radioaktiv parchalanishidir, ulardakam energiyali elektronlar-antineytrinlarning katta oqimi chiqariladi. O'ta yangi yulduzlar ham asosan neytrino hodisasidir, chunki faqat shu zarralar qulab tushayotgan yulduzda hosil bo'lgan o'ta zichlikdagi materialga kira oladi; energiyaning faqat kichik bir qismi yorug'likka aylanadi. Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, Quyosh energiyasining taxminan 2% termoyadroviy sintez reaktsiyalarida hosil bo'lgan neytrinolarning energiyasidir. Koinotdagi qorong'u materiyaning aksariyati Katta portlash paytida hosil bo'lgan neytrinolardan tashkil topgan bo'lishi mumkin.
Fizika muammolari
Neytrinlar va astrofizika bilan bog'liq sohalar xilma-xil va tez rivojlanmoqda. Ko'p sonli eksperimental va nazariy harakatlarni o'ziga jalb etuvchi dolzarb savollar quyidagilar:
- Turli neytrinolarning massalari qancha?
- Ular Katta portlash kosmologiyasiga qanday ta'sir qiladi?
- Ular tebranadimi?
- Bir turdagi neytrinolar materiya va fazoda sayohat qilganda boshqasiga aylana oladimi?
- Neytrinolar antizarrachalaridan tubdan farq qiladimi?
- Yulduzlar qanday qilib qulab tushadi va oʻta yangi yulduzlarni hosil qiladi?
- Neytrinlarning kosmologiyadagi roli qanday?
Alohida qiziqish uyg'otadigan uzoq vaqtdan beri davom etayotgan muammolardan biri bu quyosh neytrino muammosi. Bu nom so'nggi 30 yil ichida o'tkazilgan bir necha yerga asoslangan tajribalar davomida quyosh chiqaradigan energiyani ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgandan kamroq zarralar doimiy ravishda kuzatilganligini anglatadi. Uning mumkin bo'lgan echimlaridan biri tebranish, ya'ni elektronni o'zgartirishdirneytrinolar Yerga sayohat qilganda muon yoki tauga aylanadi. Kam energiyali muon yoki tau neytrinolarni o'lchash ancha qiyin bo'lgani uchun, bunday o'zgarish nima uchun biz Yerdagi zarrachalarning to'g'ri sonini kuzatmasligimizni tushuntirishi mumkin.
Toʻrtinchi Nobel mukofoti
Fizika boʻyicha 2015-yilgi Nobel mukofoti neytrino massasini kashf etgani uchun Takaaki Kajita va Artur Makdonaldga berildi. Bu ushbu zarrachalarning eksperimental o'lchovlari bilan bog'liq to'rtinchi mukofot edi. Ba'zilar oddiy materiya bilan deyarli ta'sir o'tkazmaydigan narsaga nima uchun bunchalik ahamiyat berishimiz kerak, deb hayron bo'lishi mumkin.
Biz bu vaqtinchalik zarralarni aniqlay olishimizning o'zi ham insonning zukkoligidan dalolat beradi. Kvant mexanikasi qoidalari ehtimollik bo'lgani uchun biz bilamizki, deyarli barcha neytrinolar Yer orqali o'tsa ham, ularning ba'zilari u bilan o'zaro ta'sir qiladi. Buni aniqlash uchun etarlicha katta detektor.
Birinchi bunday qurilma oltmishinchi yillarda Janubiy Dakotadagi konda qurilgan. Shaxta 400 ming litr tozalovchi suyuqlik bilan to'ldirilgan. O'rtacha har kuni bitta neytrino zarrasi xlor atomi bilan o'zaro ta'sir qiladi va uni argonga aylantiradi. Ajablanarlisi shundaki, detektorga mas'ul bo'lgan Raymond Devis bu bir nechta argon atomlarini aniqlash usulini o'ylab topdi va oradan 40 yil o'tgach, 2002 yilda u ushbu ajoyib texnik jasorati uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.
Yangi astronomiya
Neytrinolar juda zaif oʻzaro taʼsirlashgani uchun ular uzoq masofalarni bosib oʻtishlari mumkin. Ular bizga hech qachon ko'rmaydigan joylarni ko'rish imkoniyatini beradi. Devis kashf etgan neytrinolar Quyoshning aynan markazida sodir boʻlgan yadro reaksiyalari natijasida hosil boʻlgan va ular boshqa moddalar bilan deyarli taʼsir oʻtkazmagani uchungina bu nihoyatda zich va issiq joydan qochib qutulishga muvaffaq boʻlgan. Hatto Yerdan yuz ming yorug'lik yili uzoqlikda portlayotgan yulduz markazidan uchayotgan neytrinoni aniqlash mumkin.
Bundan tashqari, bu zarralar koinotni Xiggs bozonini kashf etgan Jenevada joylashgan Katta adron kollayderi koʻra oladigan darajadan ancha kichikroq miqyosda kuzatish imkonini beradi. Aynan shuning uchun Nobel qo'mitasi neytrinoning yana bir turini kashf etgani uchun Nobel mukofotini berishga qaror qildi.
Sirli yo'qolgan
Rey Devis quyosh neytrinolarini kuzatganida, kutilgan sonning atigi uchdan bir qismini topdi. Aksariyat fiziklar buning sababi Quyosh astrofizikasini yaxshi bilish emasligiga ishonishgan: ehtimol yulduzning ichki qismidagi modellar unda hosil bo'lgan neytrinolar sonini oshirib yuborgandir. Shunga qaramay, yillar davomida, hatto quyosh modellari yaxshilangan bo'lsa ham, tanqislik saqlanib qoldi. Fiziklar yana bir imkoniyatga e'tibor qaratdilar: muammo bu zarrachalarni tushunishimiz bilan bog'liq bo'lishi mumkin. O'sha paytdagi nazariyaga ko'ra, ularning massasi yo'q edi. Ammo ba'zi fiziklar zarrachalarning cheksiz kichikligi borligini ta'kidladilarmassa va bu massa ularning etishmasligiga sabab bo'lgan.
Uch yuzli zarracha
Neytrinlarning tebranishlari nazariyasiga ko'ra, tabiatda neytrinolarning uch xil turi mavjud. Agar zarracha massaga ega bo'lsa, u harakatlanayotganda u bir turdan ikkinchisiga o'zgarishi mumkin. Uch xil - elektron, muon va tau - modda bilan o'zaro ta'sirlashganda, tegishli zaryadlangan zarrachaga (elektron, muon yoki tau lepton) aylanishi mumkin. "Tebranish" kvant mexanikasi tufayli yuzaga keladi. Neytrino turi doimiy emas. Vaqt o'tishi bilan u o'zgaradi. Mavjudligini elektron sifatida boshlagan neytrino muonga, keyin esa orqaga qaytishi mumkin. Shunday qilib, Quyosh yadrosida hosil bo'lgan zarracha Yerga yo'lda, vaqti-vaqti bilan muon-neytrinoga aylanishi mumkin va aksincha. Devis detektori faqat xlorning argonga yadroviy o'zgarishiga olib keladigan elektron neytrinolarni aniqlay olganligi sababli, etishmayotgan neytrinolar boshqa turlarga aylangan bo'lishi mumkin edi. (Ma'lum bo'lishicha, neytrinolar Yerga yo'lda emas, balki Quyosh ichida tebranadi.)
Kanada tajribasi
Buni sinab koʻrishning yagona yoʻli uch turdagi neytrinolar uchun ham ishlaydigan detektor yaratish edi. 1990-yillardan beri Ontariodagi Queens universitetidan Artur Makdonald Sadberi (Ontario) shahridagi konda buni amalga oshirgan jamoani boshqargan. Inshootda Kanada hukumati qarzga olingan tonnalab og‘ir suv bor edi. Og'ir suv - bu suvning noyob, ammo tabiiy shakli bo'lib, unda vodorod bitta protonni o'z ichiga oladi.proton va neytronni o'z ichiga olgan og'irroq deyteriy izotopi bilan almashtiriladi. Kanada hukumati og'ir suvni zahiraga oldi, chunki u yadroviy reaktorlarda sovutish suvi sifatida ishlatiladi. Neytrinlarning barcha uch turi proton va neytron hosil qilish uchun deyteriyni yo'q qilishi mumkin edi va keyin neytronlar hisoblab chiqildi. Detektor Devisga nisbatan zarrachalar sonini taxminan uch baravar ko'p qayd etdi - aynan Quyoshning eng yaxshi modellari tomonidan bashorat qilingan son. Bu elektron-neytrino boshqa turlarga tebranishi mumkinligini ko'rsatdi.
Yapon tajribasi
Taxminan bir vaqtning o'zida Tokio universitetidan Takaaki Kajita yana bir ajoyib tajriba o'tkazdi. Yaponiyadagi shaxtaga o'rnatilgan detektor Quyosh ichaklaridan emas, balki atmosferaning yuqori qatlamidan kelayotgan neytrinolarni qayd etdi. Kosmik nurlar protonlari atmosfera bilan to'qnashganda, boshqa zarralar, jumladan, muon neytrinolarining yomg'irlari hosil bo'ladi. Konda ular vodorod yadrolarini muonlarga aylantirdilar. Kajita detektori ikki yo‘nalishda kelayotgan zarralarni ko‘rar edi. Ba'zilari yuqoridan tushib, atmosferadan tushdi, boshqalari esa pastdan harakat qildi. Zarrachalar soni har xil edi, bu ularning har xil tabiatini ko'rsatdi - ular tebranish davrlarining turli nuqtalarida edi.
Fandagi inqilob
Bularning barchasi ekzotik va hayratlanarli, lekin nega tebranishlar va neytrino massalari bunchalik e'tiborni tortadi? Sababi oddiy. Yigirmanchi asrning so'nggi ellik yilida ishlab chiqilgan zarralar fizikasining standart modelida,tezlatkichlar va boshqa tajribalardagi boshqa barcha kuzatishlarni to'g'ri tasvirlab bergan neytrinolar massasiz bo'lishi kerak edi. Neytrino massasining topilishi biror narsa etishmayotganligini ko'rsatadi. Standart model to'liq emas. Yo'qolgan elementlarni Katta adron kollayderi yoki hali yaratilmagan boshqa mashina orqali hali topib bo'lmaydi.
