Частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени .

Идея нейтринных осцилляций была впервые выдвинута советско-итальянским физиком Б. М. Понтекорво в 1957 году .

Наличие нейтринных осцилляций важно для решения проблемы солнечных нейтрино .

Осцилляции в вакууме

Предполагается, что такие превращения - следствие наличия у нейтрино массы или (для случая превращений нейтрино↔антинейтрино) несохранения лептонного заряда при высоких энергиях .

Эксперименты

Осцилляции наблюдались для:

• солнечных нейтрино (хлор-аргонный эксперимент Дэвиса, галлий-германиевые эксперименты SAGE , GALLEX /GNO , водно-черенковские эксперименты Kamiokande и SNO), сцинтилляционный эксперимент BOREXINO ;
• атмосферных нейтрино (Kamiokande, IMB), возникающих при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов атмосферных газов в атмосфере ;
• реакторных антинейтрино (сцинтилляционный эксперимент KamLAND , Daya Bay , Double Chooz , RENO);
• ускорительных нейтрино (эксперимент K2K (англ. KEK To Kamioka ) наблюдал уменьшение количества мюонных нейтрино после прохождения 250 км в толще вещества , эксперимент OPERA обнаружил в 2010 году осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино с последующим рождением тау-лептонов);

Осцилляции с превращением мюонных нейтрино, а также антинейтрино, в электронные исследуются в настоящее время в эксперименте MiniBooNE , поставленном по условиям эксперимента LSND . Предварительные результаты эксперимента могут указывать на разницу в осцилляциях нейтрино и антинейтрино .

См. также

Напишите отзыв о статье "Нейтринные осцилляции"

Примечания

Литература

• С. М. Биленький // УФН . - 2003. - Т. 173 . - С. 1171-1186 . - DOI :10.3367/UFNr.0173.200311b.1171 .
• Ю. Г. Куденко // УФН . - 2011. - Т. 181 . - С. 569–594 . - DOI :10.3367/UFNr.0181.201106a.0569 .
• Ю. Г. Куденко // УФН . - 2013. - Т. 183 . - С. 1225–1230 . - DOI :10.3367/UFNr.0183.201311d.1225 .
• Юрий Куденко . . elementy.ru , «Троицкий вариант» №13(82) (5 июля 2011 года). Проверено 18 января 2013.
• G. Bellini, L. Ludhova, G. Ranucci, F.L. Villante Neutrino oscillations (англ.) . - 2013. - arXiv :1310.7858 .

Отрывок, характеризующий Нейтринные осцилляции

Долохов усмехнулся.
– Ты лучше не беспокойся. Мне что нужно, я просить не стану, сам возьму.
– Да что ж, я так…
– Ну, и я так.
– Прощай.
– Будь здоров…
… и высоко, и далеко,
На родиму сторону…
Жерков тронул шпорами лошадь, которая раза три, горячась, перебила ногами, не зная, с какой начать, справилась и поскакала, обгоняя роту и догоняя коляску, тоже в такт песни.

Возвратившись со смотра, Кутузов, сопутствуемый австрийским генералом, прошел в свой кабинет и, кликнув адъютанта, приказал подать себе некоторые бумаги, относившиеся до состояния приходивших войск, и письма, полученные от эрцгерцога Фердинанда, начальствовавшего передовою армией. Князь Андрей Болконский с требуемыми бумагами вошел в кабинет главнокомандующего. Перед разложенным на столе планом сидели Кутузов и австрийский член гофкригсрата.
– А… – сказал Кутузов, оглядываясь на Болконского, как будто этим словом приглашая адъютанта подождать, и продолжал по французски начатый разговор.
– Я только говорю одно, генерал, – говорил Кутузов с приятным изяществом выражений и интонации, заставлявшим вслушиваться в каждое неторопливо сказанное слово. Видно было, что Кутузов и сам с удовольствием слушал себя. – Я только одно говорю, генерал, что ежели бы дело зависело от моего личного желания, то воля его величества императора Франца давно была бы исполнена. Я давно уже присоединился бы к эрцгерцогу. И верьте моей чести, что для меня лично передать высшее начальство армией более меня сведущему и искусному генералу, какими так обильна Австрия, и сложить с себя всю эту тяжкую ответственность для меня лично было бы отрадой. Но обстоятельства бывают сильнее нас, генерал.
И Кутузов улыбнулся с таким выражением, как будто он говорил: «Вы имеете полное право не верить мне, и даже мне совершенно всё равно, верите ли вы мне или нет, но вы не имеете повода сказать мне это. И в этом то всё дело».
Австрийский генерал имел недовольный вид, но не мог не в том же тоне отвечать Кутузову.
– Напротив, – сказал он ворчливым и сердитым тоном, так противоречившим лестному значению произносимых слов, – напротив, участие вашего превосходительства в общем деле высоко ценится его величеством; но мы полагаем, что настоящее замедление лишает славные русские войска и их главнокомандующих тех лавров, которые они привыкли пожинать в битвах, – закончил он видимо приготовленную фразу.
Кутузов поклонился, не изменяя улыбки.
– А я так убежден и, основываясь на последнем письме, которым почтил меня его высочество эрцгерцог Фердинанд, предполагаю, что австрийские войска, под начальством столь искусного помощника, каков генерал Мак, теперь уже одержали решительную победу и не нуждаются более в нашей помощи, – сказал Кутузов.
Генерал нахмурился. Хотя и не было положительных известий о поражении австрийцев, но было слишком много обстоятельств, подтверждавших общие невыгодные слухи; и потому предположение Кутузова о победе австрийцев было весьма похоже на насмешку. Но Кутузов кротко улыбался, всё с тем же выражением, которое говорило, что он имеет право предполагать это. Действительно, последнее письмо, полученное им из армии Мака, извещало его о победе и о самом выгодном стратегическом положении армии.
– Дай ка сюда это письмо, – сказал Кутузов, обращаясь к князю Андрею. – Вот изволите видеть. – И Кутузов, с насмешливою улыбкой на концах губ, прочел по немецки австрийскому генералу следующее место из письма эрцгерцога Фердинанда: «Wir haben vollkommen zusammengehaltene Krafte, nahe an 70 000 Mann, um den Feind, wenn er den Lech passirte, angreifen und schlagen zu konnen. Wir konnen, da wir Meister von Ulm sind, den Vortheil, auch von beiden Uferien der Donau Meister zu bleiben, nicht verlieren; mithin auch jeden Augenblick, wenn der Feind den Lech nicht passirte, die Donau ubersetzen, uns auf seine Communikations Linie werfen, die Donau unterhalb repassiren und dem Feinde, wenn er sich gegen unsere treue Allirte mit ganzer Macht wenden wollte, seine Absicht alabald vereitelien. Wir werden auf solche Weise den Zeitpunkt, wo die Kaiserlich Ruseische Armee ausgerustet sein wird, muthig entgegenharren, und sodann leicht gemeinschaftlich die Moglichkeit finden, dem Feinde das Schicksal zuzubereiten, so er verdient». [Мы имеем вполне сосредоточенные силы, около 70 000 человек, так что мы можем атаковать и разбить неприятеля в случае переправы его через Лех. Так как мы уже владеем Ульмом, то мы можем удерживать за собою выгоду командования обоими берегами Дуная, стало быть, ежеминутно, в случае если неприятель не перейдет через Лех, переправиться через Дунай, броситься на его коммуникационную линию, ниже перейти обратно Дунай и неприятелю, если он вздумает обратить всю свою силу на наших верных союзников, не дать исполнить его намерение. Таким образом мы будем бодро ожидать времени, когда императорская российская армия совсем изготовится, и затем вместе легко найдем возможность уготовить неприятелю участь, коей он заслуживает».]
Кутузов тяжело вздохнул, окончив этот период, и внимательно и ласково посмотрел на члена гофкригсрата.
– Но вы знаете, ваше превосходительство, мудрое правило, предписывающее предполагать худшее, – сказал австрийский генерал, видимо желая покончить с шутками и приступить к делу.
Он невольно оглянулся на адъютанта.
– Извините, генерал, – перебил его Кутузов и тоже поворотился к князю Андрею. – Вот что, мой любезный, возьми ты все донесения от наших лазутчиков у Козловского. Вот два письма от графа Ностица, вот письмо от его высочества эрцгерцога Фердинанда, вот еще, – сказал он, подавая ему несколько бумаг. – И из всего этого чистенько, на французском языке, составь mеmorandum, записочку, для видимости всех тех известий, которые мы о действиях австрийской армии имели. Ну, так то, и представь его превосходительству.
Князь Андрей наклонил голову в знак того, что понял с первых слов не только то, что было сказано, но и то, что желал бы сказать ему Кутузов. Он собрал бумаги, и, отдав общий поклон, тихо шагая по ковру, вышел в приемную.

Министерство образования республики Беларусь

Гродненский университет им. Я.Купалы

Кафедра теоретической физики

Курсовая работа

Тема: Нейтринные осцилляции.

Выполнил: студент 5-го курса Шаркунова В.А.

Проверил: Сенько Анна Николаевна

В работе показано, что для объяснения данных экспериментов, можно сделать предположение о существовании нейтринных осцилляциях, и значит нейтринных масс. Рассмотрена теория нейтринных осцилляций. Нейтрино рассматривается в рамках лево-правой модели. В двухфлейворном приближении получены возможные иерархии масс нейтрино.

Аннотация...................................................................................................... 2

Введение......................................................................................................... 4

1. Осцилляции нейтрино............................................................................. 7

1.1. Вакуумные нейтринные осцилляции........................................................................................................................... 7

1.2. Осцилляции нейтрино в сплошной среде................................................................................................................. 11

2. Указание на не нулевую нейтринную массу..................................... 15

2.1. Проблема солнечных нейтрино.................................................................................................................................. 15

2.2. Атмосферные нейтрино................................................................................................................................................. 19

2.3. Результаты эксперимента LSND (Los Alamos liquid scintillation neutrino detector)....................................... 21

2.4. Горячая тёмная материя Вселенной......................................................................................................................... 22

2.5. Двойной β-распад........................................................................................................................................................... 23

3. Некоторые эксперименты по регистрации нейтрино....................... 26

3.1. Детекторы солнечных нейтрино................................................................................................................................ 26

3.2. Эксперимент Homestake............................................................................................................................................... 28

3.3. Эксперименты Kamiokande и Super-Kamiokande.................................................................................................. 29

3.4. Эксперименты Gallex и SAGE...................................................................................................................................... 31

4. Иерархия масс майорановских нейтрино в лево-правой модели.. 32

Заключение.................................................................................................. 35

Литература................................................................................................... 36

Нейтрино – элементарная частица, рождающаяся в некоторых ядерных реакциях. Во Вселенной существует несколько мощных источников нейтрино.

1) Солнце и другие звезды в устойчивом состоянии.

2) Суперновые, которые теряют часть своей энергии за несколько секунд в форме нейтрино.

3) Некоторые массивные астрофизические объекты (квазары, активные ядра галактик…), которые являются источниками нейтрино высокой энергии, составляющих важную часть космических лучей.

Существуют атмосферные нейтрино – это нейтрино рождающиеся при столкновении космических лучей с ядрами земной атмосферы, а так же нейтрино рождающиеся при бета распаде ядер в атомных реакторах и земные нейтрино. Мы погружены в реликтовые нейтрино (около 500 штук в кубическом сантиметре), появившихся во время Большого Взрыва 15 миллиардов лет назад.

Рисунок 1. Поток нейтрино от различных источников.

Существует три вида, или флейвора, нейтрино: электронное, мюонное и тауонное. До сих пор не ясно отличается ли нейтрино от антинейтрино. Существуют теории в которых они различны. В этом случае говорят о дираковских нейтрино. В других теориях нейтрино и антинейтрино не различимы, и тогда нейтрино называются майорановскими.

Независимо от того являются нейтрино майорновскими или дираковскими, мы не знаем, имеют ли нейтрино массу и магнитный момент. Эксперимент пока обеспечивает верхние пределы. Однако существуют указания на то, что нейтрино имеют массы. Для объяснения некоторых экспериментов выдвигается гипотеза о нейтринных осцилляциях. Осцилляции нейтрино – взаимопревращение различных типов нейтрино. В настоящее время имеется три экспериментальных факта в поддержку нейтринных осцилляций.

1) Поток солнечных

оказывается сильно подавленным по сравнению с предсказаниями существующих моделей Солнца.

2) Теоретическое отношение потоков атмосферных мюонных и электронных нейтрино к измеренным экспериментально, находится в противоречии с результатами экспериментов.

3) Изучение распадов движущихся

мезонов LSND коллаборацией показывает наличие как так и .

Для существования нейтринных осцилляций необходимо (но не достаточно), чтобы нейтрино имели отличные от нуля массы.

В минимальной стандартной модели не существует правостороннего нейтрино, и значит лептонное число не сохраняется. Таим образом нейтрино не обладает ни майорановской ни дираковской массами. Любое доказательство для ненулевой массы или угла смешивания является доказательством вне рамок стандартной модели. Кроме того, массы и углы смешивания являются фундаментальными параметрами, которые будут объяснены в окончательной теории фермионных масс. Лево-правая модель предсказывает существование нейтринной массы и приводит к смешиванию между состояниями с определенной массой как внутри, так и между нейтринными поколениями.

1. Осцилляции нейтрино.

Осцилляции нейтрино могут быть представлены аналогично более известному примеру прецессии спина в поперечном магнитном поле. Предположим, имеются частицы спина ½, чьи спины поляризованы вдоль z (или “вверх”). Луч проходит через область, где создано магнитное поле в направлении y. Спин “вверх” не является основным состоянием в этом магнитном поле. Из-за этого луч подвергается колебаниям (прецесси). Если рассмотреть луч после прохождения некоторого расстояния, можно обнаружить, что луч является суперпозицией спинов “вверх” и “вниз”.

Можно переформулировать последние утверждение иначе. Мы начинали с луча со спином “вверх”, но после прохождения некоторого расстояния, вероятность найти спин “вверх” в луче меньше единицы. Другими словами, существует истощение спина “вверх”. Осцилляции нейтрино представляют истощение, например солнечных

таким же образом, т.е. постулируется, что состояния, которые созданы или наблюдаются, не являются основными состояниями распространения.

1.1. Вакуумные нейтринные осцилляции.

Электронное нейтрино

- состояние, возникающие в распаде, где так же рождается позитрон . Мюонное нейтрино - состояние, полученное в распаде вместе с мюоном . Будем называть и состояния флэйвора. Из этого определения не очевидно, что эти состояния флэйвора – физические частицы. Вообще любые из них могут быть суперпозицией из различных физических частиц. Другими словами, состояние полученное в распаде должно иметь некоторую вероятность существования частицы и некоторую вероятность существования частицы . Будем называть эти состояния и , как частицы или физические состояния. Введём следующие обозначения: (1.1)

Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени .

Идея нейтринных осцилляций была впервые выдвинута советско-итальянским физиком Б. М. Понтекорво в 1957 году .

Наличие нейтринных осцилляций важно для решения проблемы солнечных нейтрино .

Осцилляции в вакууме

Предполагается, что такие превращения - следствие наличия у нейтрино массы или (для случая превращений нейтрино↔антинейтрино) несохранения лептонного заряда при высоких энергиях .

См. также

• Матрица Понтекорво - Маки - Накагавы - Сакаты
• Осцилляции нейтральных каонов
• Осцилляции B-мезонов

Примечания

Литература

• Ю. Г. Куденко , «Исследование нейтринных осцилляций в ускорительных экспериментах с длинной базой» , Успехи физических наук , вып. 6, 2011.
• С. М. Биленький , «Массы, смешивание и осцилляции нейтрино» , Успехи физических наук 173 1171-1186 (2003)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Нейтринные осцилляции" в других словарях:

Нейтринные осцилляции превращения нейтрино (электронного, мюонного или таонного) в нейтрино другого сорта (поколения), или же в антинейтрино. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы… … Википедия

- (v), лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная ч ца со спином 1/2 (в ед. ћ), участвующая только в слабом и гравитац. вз ствиях. Н. принадлежит к классу лептонов, а по статистич. св вам явл. фермионом. Известны три типа Н.:… … Физическая энциклопедия

Во вторник, 6 октября, стало известно, что лауреатами Нобелевской премии по физике за 2015 год стали японец Такааки Кадзита и канадец Артур МакДональд за открытие осцилляций нейтрино.

Это уже четвертый "нобель" по физике, который вручается за работы по изучению этих загадочных частиц. В чем таинственность нейтрино, почему их так трудно обнаружить и что такое нейтринные осцилляции, мы расскажем в этой статье простым и доступным языком.

Рождение нейтрончика

В конце XIX века французский физик Анри Беккерель, изучая, как связаны люминесценция и рентгеновские лучи, случайно открыл радиоактивность. Оказалось, что одна из солей урана сама по себе испускает невидимое и таинственное излучение, которое не является рентгеновским. Затем выяснилось, что радиоактивность присуща именно урану, а не соединениям, в которые он входит, после чего была открыта радиоактивность и других элементов – таких, как торий, радий и так далее.

Спустя несколько лет британский физик Эрнест Резерфорд решил пропустить еще не изученное радиоактивное излучение через магнитное поле и обнаружил, что его можно разделить на три части. Одни лучи отклонялись в магнитном поле так же, как если бы состояли из положительно заряженных частиц, другие – как составленные из отрицательных, а третьи не отклонялись вовсе.

В итоге первые было решено назвать альфа-лучами, вторые – бета-лучами, а третьи – гамма-лучами. Впоследствии выяснилось, что гамма-лучи являются электромагнитным излучением высокой частоты (или потоком фотонов с высокой энергией), альфа-лучи – потоком ядер атомов гелия, то есть частиц, составленных из двух протонов и двух нейтронов, а бета-лучи – потоком электронов, хотя существуют также и позитронные бета-лучи (это зависит от типа бета-распада).

Если измерять энергию альфа-частиц и гамма-частиц, возникающих при соответствующем типе радиоактивного распада, то окажется, что она может принимать лишь некоторые дискретные значения. Это хорошо согласовывается с законами квантовой механики. Однако с электронами, излучаемыми при бета-распаде, ситуация наблюдалась иная – спектр их энергии был непрерывен. Иными словами, электрон мог нести совершенно любую энергию, ограниченную лишь типом распадающегося изотопа. Более того, в большинстве случаев оказывалось, что энергия электронов меньше той, какую предсказывала теория. Кроме того, энергия ядра, образованного после радиоактивного распада, также оказывалась меньше предсказанной.

Получалось, что при бета-распаде энергия буквально исчезала, нарушая фундаментальный физический принцип – закон сохранения энергии. Некоторые ученые, среди которых был и сам Нильс Бор, уже были готовы признать, что закон может и не работать в микромире, но немецкий физик Вольфганг Паули предложил решить эту проблему простым и довольно рискованным способом – предположить, что недостающую энергию уносит некоторая частица, которая не обладает электрическим зарядом, крайне слабо взаимодействует с веществом и поэтому не была до сих пор обнаружена.

Спустя несколько лет эту гипотезу взял на вооружение итальянский физик Энрико Ферми для теоретического объяснения бета-распада. К этому времени уже был открыт нейтрон и физики знали, что атомное ядро состоит не только из протонов. Было известно, что протоны и нейтроны в ядре удерживает так называемое сильное взаимодействие. Однако было до сих пор непонятно, почему при бета-распаде ядро излучает электрон, которого там в принципе нет.

Ферми предположил, что бета-распад похож на излучение возбужденным атомом фотона и электрон появляется в ядре именно в процессе распада. Один из нейтронов в ядре распадается на три частицы: протон, электрон и ту самую невидимую частицу, предсказанную Паули, которую Ферми по-итальянски назвал "нейтрино", то есть "нейтрончик", или маленький нейтрон. Как и нейтрон, нейтрино не имеет электрического заряда, также он не принимает участия и в сильном ядерном взаимодействии.

Теория Ферми оказалась успешной. Было открыто, что за бета-распад ответственно еще одно не известное доселе взаимодействие – слабое ядерное. Это то самое взаимодействие, в котором, помимо гравитационного, и участвуют нейтрино. Но из-за того что интенсивность и радиус этого взаимодействия очень малы, нейтрино остается по большей части невидимым для материи.

Можно представить нейтрино не слишком большой энергии, который летит сквозь лист железа. Для того чтобы эта частица со стопроцентной вероятностью оказалась задержана листом, его толщина должна равняться примерно 10^15 километров. Для сравнения: расстояние между Солнцем и центром нашей Галактики лишь на один порядок больше – около 10 16 километров.

Такая неуловимость нейтрино сильно затрудняет его наблюдение на практике. Поэтому экспериментально подтверждено существование нейтрино было лишь 20 лет спустя после теоретического предсказания – в 1953 году.

Три поколения нейтрино

Бета-распад может происходить двумя способами: с излучением электрона или позитрона. Вместе с электроном всегда также излучается антинейтрино, а вместе с позитроном – нейтрино. В середине ХХ века перед физиками встал вопрос: есть ли какое-либо отличие между нейтрино и антинейтрино? К примеру, фотон является античастицей для самого себя. А вот электрон совсем не тождественен своей античастице – позитрону.

На тождество нейтрино и антинейтрино указывало отсутствие у частицы электрического заряда. Однако с помощью тщательных экспериментов удалось выяснить, что нейтрино и антинейтрино все же различаются. Тогда для различения частиц пришлось ввести их собственный знак заряда – лептонное число. По соглашению ученых лептонам (частицам, не участвующим в сильном взаимодействии), в число которых входят и электроны с нейтрино, присваивается лептонное число +1. А антилептонам, среди которых есть и антинейтрино, присваивается число -1. Лептонное число при этом должно всегда сохраняться – это объясняет тот факт, что нейтрино всегда появляется только в паре с позитроном, а антинейтрино – с электроном. Они как бы уравновешивают друг друга, оставляя неизменным сумму лептонных чисел каждой частицы из всей системы.

В середине ХХ века физика элементарных частиц переживала настоящий бум – ученые одну за другой открывали новые частицы. Оказалось, что лептонов существует больше, чем считалось – помимо электрона и нейтрино, был открыт мюон (тяжелый электрон), а также мюонное нейтрино. Впоследствии ученые обнаружили еще и третье поколение лептонов – еще более тяжелые тау-лептон и тау-нейтрино. Стало ясно, что все лептоны и кварки образуют три поколения фундаментальных фермионов (частиц с полуцелым спином, из которых состоит материя).

Для различения трех поколений лептонов пришлось ввести так называемый флейворный лептонный заряд. Каждому из трех поколений лептонов (электрон и нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино) соответствует свой флейворный лептонный заряд, а сумма зарядов составляет общее лептонное число системы. Долгое время считалось, что лептонный заряд также всегда должен сохраняться. Оказалось, что в случае с нейтрино этого не происходит.

Правые и левые нейтрино

Каждая элементарная частица обладает такой квантово-механической характеристикой, как спин. Спин можно представить как количество вращательного движения частицы, хотя это описание очень условно. Спин может быть направлен в некоторую сторону относительно импульса частицы – параллельно ей или перпендикулярно. Во втором случае принято говорить о поперечной поляризации частицы, в первом – о продольной. При продольной поляризации также различают два состояния: когда спин направлен вместе с импульсом, и когда он направлен противоположно ему. В первом случае говорят, что частица обладает правой поляризацией, во втором – левой.

Долгое время в физике считался неоспоримым закон сохранения четности, который говорит о том, что в природе должна соблюдаться строгая зеркальная симметрия и частицы с правой поляризацией должны быть совершенно равноценны частицам с левой. Согласно этому закону, в любом пучке нейтрино можно было бы найти одинаковое количество правополяризованных и левополяризованных частиц.

Удивлению ученых не было предела, когда оказалось, что для нейтрино закон четности не соблюдается – в природе не существует правополяризованных нейтрино и левополяризованных антинейтрино. Все нейтрино имеют левую поляризацию, а антинейтрино – правую. Это является доказательством того удивительного факта, что слабое ядерное взаимодействие, ответственное за бета-распад, в котором и рождаются нейтрино, является хиральным – при зеркальном отражении его законы меняются (об этом мы уже подробно писали отдельно).

С точки зрения физики элементарных частиц середины ХХ века ситуация со строгой поляризацией говорила о том, что нейтрино – безмассовая частица, так как иначе пришлось бы признать несоблюдение закона сохранения лептонного заряда. Исходя из этого долгое время считалось, что нейтрино действительно не имеет массы. Но сегодня мы знаем, что это не так.

Неуловимая масса

Нейтрино в огромном количестве проносятся через толщу Земли и прямо через наше тело. Они рождаются в термоядерных реакциях на Солнце и других звездах, в атмосфере, в ядерных реакторах, даже внутри нас самих, в результате радиоактивного распада некоторых изотопов. До сих пор летят через Вселенную реликтовые нейтрино, рожденные после Большого взрыва. Но их чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом определяет то, что мы их совершенно не замечаем.

Тем не менее за годы исследования нейтрино физики научились с помощью хитрых методов их регистрировать. И при наблюдении за потоком нейтрино, рожденных на Солнце, ученым открылся странный факт – со светила этих частиц прилетает примерно в три раза меньше, чем это предсказывает теория. Здесь нужно уточнить, что речь идет именно об одном типе нейтрино – электронных нейтрино.

Для объяснения этого факта пытались привлекать различные гипотезы о внутреннем строении Солнца, которое способно задерживать недостающие нейтрино, однако эти попытки были безуспешны. Факту оставалось лишь одно теоретическое объяснение – по дороге от Солнца до Земли частицы превращаются из одного типа нейтрино в другой. Частица, рожденная как электронное нейтрино, на своем пути испытывает осцилляции, с определенной периодичностью проявляя себя как мюонное или тау-нейтрино. Поэтому на Землю с Солнца прилетают не только электронные нейтрино, но и мюонные и тау-нейтрино. Гипотезу нейтринных осцилляций еще в 1957 году выдвинул советско-итальянский физик Бруно Понтекорво. Такие превращения нейтрино из одного типа в другой предполагали одно необходимое условие – наличие у нейтрино массы. Все проведенные с нейтрино эксперименты показывали, что масса этой частицы пренебрежительно мала, но строгого доказательства, что она равна нулю, получено не было. Значит, возможность для нейтринных осцилляций действительно оставалась.

Открытие осцилляций

Подтверждение существования нейтринных осцилляций удалось получить благодаря наблюдениям за солнечными и атмосферными нейтрино на экспериментальной установке "Суперкамиоканде" в Японии и в нейтринной обсерватории в Садбери в Канаде.

Японцы для регистрации нейтрино выстроили впечатляющее сооружение – огромный резервуар (40 на 40 метров) из нержавеющей стали, заполненный 50 тысячами тонн чистейшей воды. Резервуар был окружен более чем 11 тысячами фотоумножителей, которые должны были регистрировать мельчайшие вспышки черенковского излучения, рождающиеся при выбивании электронов из атомов какими-либо нейтрино. Учитывая то, что нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, из миллиардов пролетающих через резервуар частиц регистрируются считанные единицы. Учитывая еще и то, что исследователям приходится отсеивать эти события из большого фона (ведь через огромный резервуар пролетает еще очень много совершенно других частиц), работа ими была проведена колоссальная.

Японский детектор получил возможность отличать электронные и мюонные нейтрино по характеру вызываемого ими излучения. Кроме того, ученые знали, что большинство мюонных нейтрино рождаются в атмосфере при столкновении частиц воздуха с космическими лучами. Благодаря этому они обнаружили следующую закономерность: чем дольше пучки нейтрино преодолевают расстояния, тем меньше среди них мюонных нейтрино. Это значило, что по пути некоторые из мюонных нейтрино превращаются в другие нейтрино.

Окончательное доказательство существования нейтринных осцилляций было получено в 1993 году в эксперименте в Садбери. По сути, канадская установка была похожа на японскую – огромный и не менее впечатляющий резервуар с водой под землей и множество детекторов черенковского излучения. Однако она уже была способна различать все три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В результате было установлено, что общее число прилетающих с Солнца нейтрино не изменяются и хорошо согласуются с теорией, а недостаток электронных нейтрино вызван именно их осцилляцией. Причем, согласно статистическим данным, нейтрино в большей степени испытывают осцилляции при прохождении через вещество, чем через вакуум, так как большее количество электронных нейтрино прилетало в детектор днем, чем ночью, когда рожденным на Солнце частицам приходилось преодолевать всю толщу Земли.

Согласно сегодняшним представлениям, нейтринные осцилляции являются доказательством наличия у этих частиц массы, хотя точное значение массы до сих пор неизвестно. Физики знают лишь ее верхнюю границу – нейтрино как минимум в тысячу раз легче, чем электрон. Выяснение точной массы нейтрино является следующей большой задачей физиков, работающих в этом направлении, и не исключено, что следующий "нобель" за нейтрино будет вручен именно за это достижение.

Начало XXI века стало временем сенсационных открытий в области физики нейтрино. Полученные к настоящему времени результаты инициируют дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования свойств нейтрино в двух главных направлениях:

1. Изучение характеристик нейтрино сверхвысоких энергий как единственных частиц, которые могут дать науке сведения об отдаленных областях нашей Вселенной.
2. Изучение взаимопревращений нейтрино разных ароматов - т.н.« осцилляции» нейтрино.

Данная статья посвящена изложению основных результатов, достигнутых на этом втором направлении исследований.
Нейтрино относятся к фундаментальным фермионам (см. таблицу) Все указанные в таблице частицы имеют спин J/ћ. Двенадцати фундаментальным фермионам соответствует 12 фундаментальных антифермионов.

Установлено существование трех сортов нейтрино, отличающихся квантовым числом «аромат (flavor )». Им соответствуют три сорта антинейтрино. Названия разных нейтрино происходит из наименований их заряженных «напарников» по группе лептонов: электрона, мюона и тау-лептона, массы покоя которых, соответственно,0.511 MeV, 106 MeV и 1777 MeV.
В 1930 г Вольфганг Паули предположил, что непрерывный характер спектра электронов β-распада может быть объяснен тем, что вместе с электроном при β-распаде вылетает не имеющая заряда частица с полуцелым спином, которая не регистрируется обычными детекторами. Изучение β-спектров показало, что масса этой частицы должна быть очень малой – много меньше массы электрона. (Название этой частицы – нейтрино=”нейтрончик” принадлежит Э. Ферми и было введено в 1932 году после открытия нейтрона).
Первое экспериментальное подтверждение существования нейтрино было получено путем измерения кинетической энергии ядра Li, образующихся в процессе захвата электрона ядром бериллия:

7 Be + e - → 7 Li + ν e .

Среди многих проблем, связанных с физикой нейтрино, особое внимание привлекала проблема массы нейтрино (антинейтрино).
Изучение формы спектров β-распада позволяло утверждать, что масса нейтрино очень мала, причем оценка этой величины с годами все более понижалась. Исследования велись для тех распадов, где суммарная энергия электрона и антинейтрино (или позитрона и нейтрино) мала. Таким распадом является распад трития:

Как доказано различие свойств нейтрино и антинейтрино? Солнце (как и другие звезды) является источником электронных нейтрино благодаря реакции синтеза дейтронов:

p + p → d + e + + ν e .

Любой ядерный реактор является мощным источником электронных антинейтрино , возникающих при распадах нейтронов:

n → p + e- + e .

Попытки Р. Дэвиса регистрировать нейтрино от ядерного реактора с помощью реакции
e + 17 Cl → 17 Ar + e - не увенчались успехом. Так было экспериментально доказано, что нейтрино и антинейтрино разные частицы.
В большой серии экспериментов, проведенных Р. Дэвисом, исследовалась интенсивность протекания реакции ν e + 17 Cl → 17 Ar + e - инициированной потоком нейтрино, рожденных на Солнце. Эксперименты Дэвиса, которые проводились в течение 30 лет, показали, что величина измеряемого потока солнечных нейтрино значительно меньше, чем должна быть по модели Солнца . Измерения потоков электронных нейтрино от Солнца, проведенные на других установках, также неизменно показывали их дефицит.
Возможным объяснением этого явления является превращение одного сорта нейтрино в другие – т.н. осцилляции нейтрино . Впервые идея об осцилляциях нейтрино была высказана Б.М. Понтекорво.
Различие нейтрино (и антинейтрино) разных ароматов проявляется в реакциях, в которых участвует нейтрино. Различие реакций, вызываемых лептонами с разными ароматами, побудило к введению трех различных квантовых чисел, называемых «лептонными зарядами»: L e , L μ , L τ . Лептоны первого поколения (см. таблицу) имеют лептонный заряд L e = 1, L μ = L τ = 0, второго L e = 0, L μ = 1, L τ = 0, третьего L e = L μ = 0, L τ =1. Знаки лептонных зарядов античастиц противоположны знакам частиц. До установления осцилляций нейтрино как экспериментального факта считалось, что эти квантовые числа сохраняются во всех реакциях. Например, в распаде π + → μ + + ν μ пион, не имеющий лептонного заряда, распадается на положительный мюон с L μ = –1 и мюонное нейтрино ν μ с L μ = +1. Таким образом, лептонный заряд в распаде сохраняется. В распадах мюонов
μ + → e + + ν e + μ также сохраняются лептонные заряды. Действительно, лептонный заряд положительного мюона равен L μ = –1 также, как мюонного антинейтрино. Электронные лептонные заряды позитрона и электронного нейтрино равны по модулю и противоположны по знаку. Эти факты приводили к выводу о существовании точных законов сохранения каждого из «сортов» лептонных зарядов по отдельности. Экспериментальным подтверждением гипотезы о точном сохранении каждого их типов лептонных зарядов по отдельности являлись и проводившиеся на ускорителях опыты по поиску распадов мюонов на электрон (позитрон) и γ-квант: μ - → e - + γ,
μ + → e + + γ. Тот факт, что эти распады не были обнаружены, объясняется проявлением закона сохранения лептонных зарядов.
Однако наблюдение нейтринных осцилляций – т.е. превращений нейтрино одного аромата в нейтрино другого аромата доказывает, что эти законы сохранения могут нарушаться. Осцилляции нейтрино – а их существование уже доказано – ведут к еще одному интересному следствию: нейтрино, указанные в таблице фундаментальных фермионов, не имеют жестко определенной массы! Характеризующие их волновые функции являются суперпозициями волновых функций частиц с определенными массами, а осцилляции являются проявлением квантово-волновой природы этих частиц. (Следует напомнить, что физика частиц уже сталкивалась с аналогичным явлением при исследованиях распадов нейтральных К-мезонов). Рассмотрим на упрощенном примере квантовую физику нейтринных осцилляций.

Квантовая физика нейтринных осцилляций

Если лептонные числа L e , L μ , L τ не являются абсолютно сохраняющимися квантовыми числами, и если нейтрино имеют не нулевые, а конечные массы, то возможно превращение нейтрино одного «поколения» в нейтрино другого «поколения». Этот процесс может быть описан в рамках квантовой физики как осцилляции нейтрино (см. например ).
Рассмотрим процесс нейтринных осцилляций для двух нейтрино: электронного и мюонного. (Обобщение на три типа нейтрино будет слишком громоздким). Волновые функции электронного и мюонного нейтрино являются функциями времени и подчиняются уравнению Шредингера:

Переход от нейтринных состояний ν 1 (t), ν 2 (t) к ν e (t), ν μ (t) и обратно осуществляется унитарной матрицей, которую удобно представить через cos θ и sin θ угла θ, который в дальнейшем будет называться «углом смешивания»:

	(4)
	(5)

Если угол смешивания равен 0, смешивание отсутствует и ν 1 (t), ν 2 (t) совпадают с ν e (t), ν μ (t). (Аналогичная ситуация возникает при θ = π/2 – но ν 1 (t), ν 2 (t) при этом совпадают, соответственно, с ν μ (t), ν e (t)).
Рассмотрим ситуацию, когда в начальный момент времени присутствуют нейтрино только одного типа, например, электронные ν μ (t) = 0; ν e (t) = 1. Тогда из (4) следует, что ν 1 (0) = cos θ; ν 2 (0) = sin θ.
Согласно уравнению (3)

(В преобразовании (7) использованы тригонометрические соотношения: )
Из (7) получаем интенсивность потока электронных нейтрино как функцию времени:

(Расчет вероятности обнаружения электронных нейтрино в пучке, первично состоящем из мюонных нейтрино, проводится точно так же и дает такой же результат.)
Таким образом, вероятность осцилляций нейтрино зависит от трех аргументов:

1) от угла смешивания , связанного с величиной гамильтониана взаимодействия H int ;

2) от величины разности

(10)

3) от времени, прошедшего с момента рождения того или иного типа нейтрино.

Рассмотрим влияние каждого из аргументов на нейтринные осцилляции:

1. Смешивание нейтринных волновых функций максимально при θ = π/4, поскольку int ~ sin 2θ.

2. При выводе формулы (10) использован тот факт, что масса нейтрино много меньше его кинетической энергии. Формула для полной энергии частицы E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 в системе ћ = c = 1 выглядит как E = (p 2 + m 2) 1/2 . При условии m << p

Условиеm << p соответствует «почти релятивистской» кинематике нейтрино. При этом импульсы разных нейтрино совпадают и E 2 – E 1 = m 2 /2p

При совпадении масс , т.е. при , осцилляции отсутствуют .

3. Величина определяет аргумент второго из множителей формулы (9).Обычно эту величину представляют так, чтобы использовать значения энергии нейтрино (E ν) в МэВ, значения Δm 2 в (эВ) 2 , а расстояния до источника нейтрино (L) – в метрах (м). Используя константу конверсии

ћc = 197 МэВ·Фм ≡ 1.97·10 -7 эВ·м = 1; 1 эВ = 10 7 /1.97 м,

получим для

(11)

Таким образом, если разность масс «первичных» нейтрино мала, заметные результаты по исследованию осцилляций могут быть достигнуты, только если длина L велика. Это особенно важно, если энергии нейтрино велики.

Экспериментальные исследования осцилляций нейтрино

В настоящее время действует либо создается несколько экспериментальных комплексов по исследованию осцилляций нейтрино.
Первые указания на нейтринные осцилляции были получены в измерениях на водном черенковском детекторе SuperKamiokande в 1998 г .
Детектор представляет собой резервуар из нержавеющей стали высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. тоннами специально очищенной воды. Он размещен в на глубине в 1.6 км (2.7 км водного эквивалента) в Японии (шахта Камиока). На стенах резервуара размещены 11146 ФЭУ (внутренний детектор + 1885 8” ФЭУ (внешний детектор).
Детектор позволял надежно различать электронные и мюонные нейтрино.
Одной из задач, поставленных исследователями, было измерение потоков атмосферных нейтрино.
Нейтрино рождаются в атмосфере в результате взаимодействия излучаемых Солнцем протонов высоких энергий с ядрами атмосферы. Результатом этих реакций является, главным образом, рождение заряженных и нейтральных π-мезонов. Распад заряженных π-мезонов создает следующую цепочку превращений:

π + → μ + + ν μ ; π - → + μ ; μ + → e + + ν e + μ ;μ - → e - + e + ν μ .

(12)

Измерения на этой установке показали, что число регистрируемых мюонных нейтрино сравнимо с количеством электронных, хотя из (12) следует, что мюонных нейтрино должно быть вдвое больше. То, что наблюдаемая аномалия является следствием осцилляций, подтверждается зависимостью потока мюонных нейтрино от пройденного пути. Для вертикально падающих нейтрино этот путь составляет всего 20 км, а для нейтрино, попадающих в детектор снизу из-под Земли около 13000 км. Поток, идущий снизу, был гораздо меньше идущего сверху.
Эти результаты совместно с данными Дэвиса инициировали создание специальных экспериментальных комплексов для изучения проблемы осцилляций нейтрино. (В этом же экспериментальном комплексе (К2К) проводится настоящее время регистрация мюонных нейтрино, родившихся в результате реакций протонов, полученных на ускорителе КЕК. Длина пути мюонных нейтрино от ускорителя КЕК до СуперКамиоканде 240 км.)
Еще более убедительные свидетельства нейтринных осцилляций были получены на нейтринном телескопе в Садбери .

Нейтринная обсерватория в Садбери (Канада) была построена в шахте на глубине 2070 м и содержит SNO - черенковский детектор на тяжелой воде. 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды (D 2 O) залито в акриловый сосуд диаметром 12 метров. Черенковское излучение регистрируется 9600 фотоумножителями, установленными на сфере диаметром 17 метров, окружающей сосуд с тяжелой водой. Детектор погружен в сверхчистую обычную воду, которая находится в бочкообразной полости диаметром 22 метра и высотой 34 метра, выкопанной в скале. За сутки детектор регистрировал около 10 нейтринный событий.

В Садбери потоки образующихся на Солнце "борных" нейтрино

Первая реакция (СС), протекающая с участием заряженных токов, чувствительна только к электронным нейтрино (ν e), Вторая (NC), протекающая с участием нейтральных токов, чувствительна ко всем нейтрино (x – e, μ, τ). Упругое рассеяние (ES) чувствительно ко всем ароматам нейтрино, но к мюонным и тау в меньшей степени. Таким образом, если нейтрино могут переходить из одного аромата в другой, поток нейтрино, измеренный с помощью реакции (СС) F CC (ν e) должен быть меньше, чем поток, измеренный с помощью реакции (ES) F ES (ν x).
В первой серии измерений, которая проводилась с помощью реакции (СС), был зафиксирован дефицит электронных нейтрино.
На следующий год потоки нейтрино оценивались с помощью реакции (NC).
Экспериментальные данные, полученные в Садбери, позволили оценить поток солнечных нейтрино по реакции (13) и доказать, что он согласуется со стандартной моделью Солнца. Таким образом, дефицит электронных нейтрино, зафиксированный Дэвисом, является следствием осцилляций.
Помимо измерения осцилляций атмосферных мюонных нейтрино, планируются и уже проводятся эксперименты с так называемыми «дальними» ускорительными нейтрино. В этих экспериментах мюонные нейтрино, образовавшиеся в результате взаимодействия ускоренных до нескольких ГэВ протонов с мишенью-конвертором, пройдя под землей большое расстояние, регистрируются детектором. В эксперименте MINOS (Лаборатории Ферми (США)) используются два детектора нейтрино. Один из них расположен недалеко от мишени-конвертора, другой – на расстоянии 725 км. Сравнение числа мюонных нейтрино, которые должны были бы дойти до «дальнего» детектора при отсутствии осцилляций, с измеренным результатом доказывает наличие осцилляций.
Основным результатом всех проведенных экспериментов является доказательство существования осцилляций и оценка параметров смешивания нейтрино ν 1 , ν 2 , ν 3 . По данным

(15)

Хотя исследования осцилляций нейтрино и соответствующих этому явлению углов смешивания уже достигли для ν 1 , ν 2 неплохой точности (15), параметры смешивания ν 2 , ν 3 известны гораздо хуже, а надежные оценки параметров смешивания нейтрино ν 1 , ν 3 пока не получены.
Результаты исследований осцилляций нейтрино отражены на приведенной схеме: прямоугольники соответствуют нейтрино ν 1 , ν 2 , ν 3 (снизу вверх); показаны приближенные оценки вкладов в них нейтрино разных ароматов. С неплохой точностью на данное время установлена лишь разность масс ν 1 , ν 2: она составляет около 0.09 эВ. Столь малые различия в массах ν 1 , ν 2 совместно с данными экспериментов по изучению формы β-спектров позволяют дать оценку масс нейтрино m(ν 1), m(ν 2) <2 эВ.

Литература:

1. Р. Дэвис мл. Полвека с солнечным нейтрино.УФН 174 408 (2004)
2. Д. Перкинс - Введение в физику высоких энергий, М., 1991
3. М. Кошиба. Рождение нейтринной астрофизики. УФН , 174 4183(2004)