Лептоны и нейтринные осцилляции. Типы нейтрино и нейтринные осцилляции. Квантовая физика нейтринных осцилляций

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)

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.

Про нейтринные осцилляции слышали почти все гики. Про это явление написано много профессиональной литературы и куча популярных статей, но вот только авторы учебников считают, что читатель разбирается в теории поля, да еще и квантовой, а авторы популярных статей обычно ограничиваются фразами в стиле: «Частички летят-летят, а потом БАЦ и превращаются в другие», причем с другой массой (!!!). Постараемся разобраться, откуда берется этот интереснейший эффект и как его наблюдают с помощью огромных установок. А заодно узнаем, как можно найти и извлечь несколько нужных атомов из 600 тонн вещества.

Еще одно нейтрино

В предыдущей статье я рассказывал, как в 1932 году появилась сама идея существования нейтрино и как эта частица была обнаружена 25 лет спустя. Напомню, Райнес и Коуэн зарегистрировали взаимодействие антинейтрино с протоном . Но уже тогда многие ученые полагали, что нейтрино может быть нескольких типов. Нейтрино, активно взаимодействующее с электроном, назвали электронным, а нейтрино, взаимодействующее с мюоном , соответственно, мюонным. Экспериментаторам необходимо было разобраться - различаются ли эти два состояния или нет. Ледерман, Шварц и Стейнбергер провели выдающийся эксперимент. Они исследовали пучок пи-мезонов от ускорителя. Такие частицы охотно распадаются на мюон и нейтрино.

Если нейтрино действительно имеет разные сорта, то рождаться должно мюонное. Дальше все просто - на пути рожденных частиц ставим мишень и исследуем, как они взаимодействуют: с рождением электрона или мюона. Опыт однозначно показал, что электроны почти не рождаются.

Итак, теперь у нас есть два типа нейтрино! Мы готовы переходить к следующему шагу в обсуждении нейтринных осцилляций.

Это какое-то «неправильное» Солнце

В первых нейтринных экспериментах использовали искусственный источник: реактор или ускоритель. Это позволяло создавать очень мощные потоки частиц, ведь взаимодействия чрезвычайно редки. Но куда интереснее было зарегистрировать природные нейтрино. Особенный интерес представляет изучение потока частиц от Солнца.

К середине XX века уже было понятно, что в Солнце отнюдь не горят дрова - посчитали и выяснилось, что дров не хватит. Энергия выделяется при ядерных реакция в самом центре Солнца. Например, основной для нашей звезды процесс называется "протон-протонный цикл ", когда из четырех протонов собирается атом гелия.

Можно заметить, что на первом шаге должны рождаться интересующие нас частицы. И вот тут нейтринная физика может показать всю свою мощь! Для оптического наблюдения доступна только поверхность Солнца (фотосфера), а нейтрино беспрепятственно проходит через все слои нашей звезды. В результате регистрируемые частицы исходят из самого центра, где они и рождаются. Мы можем «наблюдать» непосредственно ядро Солнца. Естественно, такие исследования не могли не привлекать физиков. К тому же ожидаемый поток составлял почти 100 миллиардов частиц на квадратный сантиметр в секунду.

Первым такой эксперимент поставил Раймонд Дэвис в крупнейшем золотом руднике Америки - шахте Хоумстейк. Установку пришлось прятать глубоко под землю, чтобы защититься от мощного потока космических частиц. Нейтрино без проблем может пройти через полтора километра горной породы, а вот остальные частицы будут остановлены. Детектор представлял из себя огромную бочку, заполненную 600 тоннами тетрахлорэтилена - соединения 4 атомов хлора. Это вещество активно используется при химчистке и достаточно дешево.

Такой способ регистрации предложил Бруно Максимович Понтекорво. При взаимодействии с нейтрино хлор превращается в нестабильный изотоп аргона,

который захватывает электрон с нижней орбитали и распадается обратно в среднем за 50 дней.

Но! В день ожидается всего около 5 взаимодействий нейтрино. За пару недель наберется всего 70 народившихся атомов аргона, и их надо найти! Найти несколько десятков атомов в 600 тонной бочке. Поистине фантастическая задача. Раз в два месяца Дэвис продувал бочку гелием, выдувая образовавшийся аргон. Многократно очищенный газ помещался в маленький детектор (счетчик Гейгера), где считалось количество распадов получившегося аргона. Так измерялось количество нейтринных взаимодействий.

Почти сразу же оказалось, что поток нейтрино от Солнца почти в три раза ниже ожидаемого, что произвело большой фурор в физике. В 2002 году Дэвис совместно с Косиба-сан разделили Нобелевскую премию за весомый вклад в астрофизику, в части обнаружения космического нейтрино.

Небольшая ремарка: Дэвис регистрировал нейтрино не от протон-протонной реакции, которую я описал выше, а от чуть более сложных и редких процессов с бериллием и бором, но сути это не меняет.

Кто виноват и что делать?

Итак, нейтринный поток в три раза меньший, чем ожидалось. Почему? Можно предложить следующие варианты:

Эти непостоянные нейтрино

За год до получения результатов эксперимента Дэвиса уже упоминавшийся Бруно Понтекорво разрабатывает теорию, как именно нейтрино могут менять свой тип в вакууме. Одно из следствий - у разных типов нейтрино должна быть разная масса. И с какой это стати частицы должны вот так вот на лету взять и поменять свою массу, которая, вообще говоря, должна сохраняться? Давайте разбираться.

Без небольшого введения в квантовую теорию нам не обойтись, но я постараюсь сделать это объяснение максимально прозрачным. Понадобится только базовая геометрия. Состояние системы описывается «вектором состояния». Раз есть вектор, значит должен быть и базис. Давайте рассмотрим аналогию с цветовым пространством. Наше «состояние» - это зеленый цвет. В базисе RGB мы запишем этот вектор как (0, 1, 0). Но вот в базисе CMYK почти тот же самый цвет будет записываться уже по-другому (0.63, 0, 1, 0). Очевидно, что у нас нет и не может быть «главного» базиса. Для разных нужд: изображения на мониторе или полиграфии, мы должны использовать свою систему координат.

Какие же базисы будут для нейтрино? Вполне логично разложить нейтринный поток на разные типы: электронное (), мюонное () и тау (). Если у нас из Солнца летит поток исключительно электронных нейтрино, то это состояние (1, 0, 0) в таком базисе. Но как мы уже обсуждали, нейтрино могут быть массивными. Причем обладать разными массами. А значит можно разложить поток нейтрино и по массовым состояниям: с массами соответственно.

Вся соль осцилляций в том, что эти базисы не совпадают! Синим на картинке показаны типы (сорта) нейтрино, а красным состояния с разными массами.

То есть, если в распаде нейтрона появилось электронное нейтрино, то появились сразу три массовых состояния (спроектировали на ).

Но если у этих состояний чуть-чуть разные массы, то и энергии будут слегка отличаться. А раз отличаются энергии, то и распространяться в пространстве они будут по-разному. На картинке показано, как именно будут эволюционировать эти три состояния во времени.

(с) www-hep.physics.wm.edu

На картинке движение частицы показаны в виде волны. Такой представление называется волной де Бройля , или волной вероятности зарегистрировать ту или иную частицу.

Взаимодействует же нейтрино в зависимости от типа (). Поэтому, когда мы хотим посчитать, как же нейтрино себя проявит, нужно спроектировать наш вектор состояния на (). И таким образом получится вероятность зарегистрировать тот или иной тип нейтрино. Вот такие волны вероятности мы получим для электронного нейтрино в зависимости от пройденного расстояния:

Насколько сильно будет меняться тип задается относительными углами описанных систем координат (показаны на предыдущем рисунке ) и разницами масс.

Если вас не пугает терминология квантовой механики, и вам хватило терпения дочитать до этого момента, то простое формальное описание можно найти в Википедии .

А как на самом деле?

Теория это, конечно, хорошо. Но до сих пор мы не можем определиться какой из двух вариантов реализован в природе: Солнце «не такое» или нейтрино «не такие». Нужны новые эксперименты, которые окончательно покажут природу этого интересного эффекта. Буквально в двух словах опишу основные установки, которые сыграли ключевую роль в исследованиях.

Обсерватория Камиока

История этой обсерватории начинается с того, что здесь пытались найти распад протона. Именно поэтому детектор получил соответствующее название - «Камиоканде» (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Но ничего не обнаружив, японцы быстро переориентировались на перспективное направление: исследование атмосферных и солнечных нейтрино. О том, откуда берутся солнечные мы уже обсуждали. Атмосферные рождаются в распадах мюонов и пи-мезонов в атмосфере Земли. И пока долетают до Земли успевают осциллировать.

Детектор начал набирать данные в 1987. С датами им дико повезло, но об этом следующая статья:) Установка представляла из себя огромную бочку, заполненную чистейшей водой. Стенки были замощены фотоумножителями. Основная реакция, по которой ловили нейтрино это выбивание электрона из молекул воды:

Быстролетящий свободный электрон светится в воде темно голубым цветом. Это излучение и регистрировали ФЭУ на стенках. Впоследствии установка была усовершенствована до Супер-Камиоканде и продолжила свою работу.

Эксперимент подтвердил дефицит солнечных нейтрино и добавил к этому дефицит атмосферных нейтрино.

Галлиевые эксперименты

Почти сразу после запуска Какиоканде в 1990 начали работу два галлиевых детектора. Один из них располагался в Италии, под горой Гранд-Сассо в лаборатории с одноименным названием. Второй - на Кавказе, в Баксанском ущелье, под горой Андырчи. Специально для этой лаборатории в ущелье был построен поселок Нейтрино. Сам метод был предложен Вадимом Кузьминым, вдохновленным идеями Понтекорво, еще в 1964 году.

При взаимодействии с нейтрино галлий превращается в нестабильный изотоп германия, который распадается обратно в галлий в среднем за 16 дней. За месяц образуется несколько десятков атомов германия, которые нужно очень тщательно извлечь из галлия, поместить в небольшой детектор и сосчитать количество распадов обратно в галлий. Преимущество галлиевых экспериментов в том, что они могут ловить нейтрино очень низких энергий, недоступные другим установкам.

Все вышеописанные эксперименты показали, что мы видим меньше нейтрино, чем ожидали, но это не доказывает присутствие осцилляций. Проблема по-прежнему может быть в неправильной модели Солнца. Эксперимент SNO поставил последнюю и жирную точку в проблеме солнечных нейтрино.

Обсерватория Садбери

В шахте Крейгтон канадцы построили огромную «звезду смерти».

На двухкилометровой глубине разместили акриловую сферу, окруженную ФЭУ и заполненную 1000 тоннами тяжелой воды. Такая вода отличается от обычной тем, что обычный водород с одним протоном заменен на дейтерий - соединение протона и нейтрона. Именно дейтерий и сыграл ключевую роль в решении проблем солнечных нейтрино. Такая установка могла регистрировать, как взаимодействия электронных нейтрино, так и взаимодействия всех остальных типов! Электронные нейтрино будут разрушать дейтерий с рождением электрона, при этом все другие виды электрон родить не могут. Зато они могут слегка «толкнуть» дейтерий так, чтобы он развалился на составные части, а нейтрино полетит себе дальше.

Быстрый электрон, как мы уже обсуждали, светится при движении в среде, а нейтрон достаточно быстро должен захватываться дейтерием, излучив при этом фотон. Все это можно зарегистрировать с помощью фотоумножителей. Физики наконец получили возможность измерить полный поток частиц от Солнца. Если окажется, что он совпадает с ожиданиями, значит электронные нейтрино переходят в другие, а если он меньше ожидаемого, то виновата неправильная модель Солнца.

Эксперимент начал работу в 1999 году, и измерения уверенно указали на то, что наблюдается дефицит именно электронной составляющей

Напомню, что в звезде могут рождаться почти исключительно электронные нейтрино. А значит остальные получились в процессе осцилляций! За эти работы Артур Макдональд (SNO) и Кадзита-сан (Камиоканде) получили Нобелевскую премию 2015 года.

Почти сразу же, в начале нулевых, к исследованиям осцилляций приступили и другие эксперименты. Этот эффект смогли наблюдать и для рукотворных нейтрино. Японский эксперимент KamLAND, расположенный все там же, в Камиоке, уже в 2002 наблюдал осцилляции электронных антинейтрино от реактора. И второй, тоже японский, эксперимент K2K впервые зарегистрировал изменение типа у нейтрино, созданных с помощью ускорителя. В качестве дальнего детектора использовали небезызвестный Супер-Камиоканде.

Сейчас все больше и больше установок занимаются исследованием этого эффекта. Строятся детекторы на Байкале, в Средиземном море, на Южном Полюсе. Были установки и вблизи Северного полюса. Все они ловят нейтрино космического происхождения. Работают ускорительные и реакторные эксперименты. Уточняются параметры самих осцилляций, делаются попытки узнать что-то о величине масс нейтрино. Есть указания на то, что именно при помощи этого эффекта можно объяснить преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной!

Под спойлером небольшая ремарка для самых вдумчивых.

Премия 2015 года была выдана с формулировкой «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих наличие у них массы». В кругу физиков такое высказывание вызвало некоторое замешательство . При измерении солнечных нейтрино (эксперимент SNO) мы нечувствительны к разнице масс. Вообще говоря, масса может быть нулевая, а осцилляции останутся. Такое поведение объясняется взаимодействием нейтрино с веществом Солнца (эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна). То есть осцилляции солнечных нейтрино есть, их открытие это фундаментальный прорыв, но вот на наличие массы это еще ни разу не указывало. Фактически, нобелевский комитет выдал премию с неправильной формулировкой.
Осцилляции именно в вакууме проявляют себя для атмосферных, реакторных и ускорительных экспериментов. Добавить метки

Сначала небольшая цитата с Википедии: "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 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 ."

Нейтринные осцилляции были придуманы, поскольку число регистрируемых на Земле солнечных электронных нейтрино в два-три раза меньше предсказанного солнечными моделями. Для этого сочинили сказку, что электронное нейтрино, мюонное нейтрино и так называемое тау-нейтрино имеют практически одинаковую величину массы покоя. И это вранье прошло незамеченным. Никто ведь не измерил массу покоя мюонного нейтрино. Даже величину массы покоя электронного нейтрино, в гигантских количествах излучаемого солнцем и получаемого на атомных реакторах пока не удается измерить, что уж говорить о нестабильном мюонном нейтрино и тем более о его еще более короткоживущем первом возбужденном состоянии, называемом (исторически) тау-нейтрино.

Масса покоя элементарных частиц определяется их набором квантовых чисел, как - физика пока не в состоянии дать ответ на этот вопрос. Но из опыта нам известно, что каждая элементарная частица (за исключением выдуманных) обладает своей собственной величиной массы покоя. Например, электрон и мюон обладают отличающимися наборами квантовых чисел и их массы покоя резко отличаются. Тогда из чего следует, что электронное и мюонное нейтрино обладают одинаковой величиной массы покоя - ответ не из чего и не следует. Это разные элементарные частицы и у них будет разная величина массы покоя. И у первого возбужденного состояния мюонного нейтрино - тоже. Потому, что кроме первого возбужденного состояния есть еще второе, третье, четвертое, (о которых стандартной модели ничего не известно) и все они отличаются своей собственной величиной внутренней энергии, а значит и массой покоя. А как только мы установили, что каждое из типов нейтрино обладает своей собственной величиной массы покоя, то мы тем самым узнали, что закон сохранения энергии запрещает их самопроизвольные взаимные превращения. Разрешенными остаются только те реакции элементарных частиц, которые протекают в соответствии с законами природы - например, распад мюонного нейтрино. Но последний еще больше увеличивает поток солнечных электронных нейтрино, проходящих через Землю.

3 Теперь посмотрим на нейтринные превращения с точки зрения классической электродинамики.

Элементарная частица отличается от своей античастицы тем, что у нее напряженности электрических и магнитных полей имеют противоположный знак. Т.е. для того, чтобы превратить, например, электрон в позитрон требуется развернуть в обратную сторону все его электромагнитные поля. Понятное дело, что такое чудодейственное превращение начисто отвергает законы классической электродинамики. Ясно, что такие превращения с электроном не могут происходить в природе и поэтому они никогда не наблюдались. Тогда почему они могут происходить с электронным нейтрино или с мюонным нейтрино. Разве для электрона существуют свои законы природы, а для электронного нейтрино свои. Когда некоторые "теории" или "модели" требуют каждой элементарной частице свои собственные законы природы - то это говорит о том, что данные теоретические построения не соответствуют природе.

Теперь о чудодейственном превращении одного типа нейтрино в другой. У каждого типа нейтрино (как электронного, так и мюонного) свой собственный набор квантовых чисел и, следовательно, их электромагнитные поля будут отличаться. При превращении одного типа нейтрино в другой произойдет самопроизвольная смена их электромагнитных полей, что противоречит законам классической электродинамики. Электромагнитные поля не могу возникать из ничего и исчезать в никуда, что относится и к электромагнитным полям элементарных частиц. Электромагнитные поля могут трансформироваться в соответствии с законами классической электродинамики.

То, что стандартная модель не замечает ни структуры нейтрино, ни ее электромагнитных полей, говорит не об их отсутствии, а о недостатках самой стандартной модели. Если физика установила наличие магнитных полей у нейтральных барионов, то из чего следует что их не должно быть у нейтральных лептонов - законы природы должны быть едины для всех элементарных частиц .

Как видим, классическая электродинамика тоже не допускает самопроизвольные превращения нейтрино .

Подводя итог можно сказать следующее: надо было уменьшить поток приходящих к Земле солнечных нейтрино в два-три раза - вот и придумали сказочку о нейтринных осцилляциях.

Владимир Горунович
25.01.2013

4 Нобелевская премия по физике 2015 (за нейтринные осцилляции) - еще одна ошибка Нобелевского комитета по физике

Я не хотел этого писать, но и не могу спокойно молчать когда нам в очередной раз пытаются вдуть математическую СКАЗКУ, выдавая ее за якобы сделанное экспериментаторами открытие в физике. - Невозможно открыть то, чего нет, но можно сделать вид, что открыл . Два года назад была присуждена Нобелевская премия за сказочный "бозон Хиггса", не имеющий никакого отношения к гравитации, теперь сказка о нейтринных осцилляциях. Если посмотреть решения Нобелевского комитета по физике за последние 10 лет (2006 - 2015), в свете последних достижений Новой физики - четыре решения из десяти были ОШИБОЧНЫМИ (кроме указанных, 2008 год "За открытие источника нарушения симметрии, которое позволило предсказать существование в природе по меньшей мере трёх поколений кварков" - вот только кварки в природе не найдены и их дробный электрический заряд тоже; 2011 год "За открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых" - вот только наличие самого расширения Вселенной физикой не доказано: красное смещение, на основании которого была выдвинута данная гипотеза, допускает и иные - альтернативные толкования). Итог деятельности Нобелевского комитета по физике за последние 5 лет еще более удручающий: 60% решений Нобелевского комитета по физике оказались ошибочными, при этом Нобелевский комитет откровенно игнорировал предупреждения Новой физики, за что и поплатился ошибочными решениями. Т.е. теперешний состав Нобелевского комитета по физике принимает правильные решения с вероятностью 40-60%. Может чиновников из Нобелевского комитета по физике такой показатель успешность их работы устраивает, но он совершенно не устраивает физику, от имени которой они принимают решения - физика им таких полномочий не давала. Что-то не так в деятельности теперешнего (2005-2015 годов) состава Нобелевского комитета "по физике" - интересы ФИЗИКИ он сегодня не представляет .

Привожу обоснование Нобелевской премии по физике 2015 года "За открытие нейтринных осцилляций, показывающее, что нейтрино имеют массу" взятое из сайта Википедия.

В первой части статьи, а также статье "Электронное нейтрино " я доказал невозможность в природе Нейтринных осцилляций как противоречащих законам природы - но видно законы природы не имеют значения для нынешнего состава Нобелевского комитета по физике.

Разные типы нейтрино обладают разными наборами квантовых чисел, которым будет соответствовать разная структура электромагнитных полей и соответственно разная внутренняя энергия - это азы Физики Поля. Превращение одной элементарной частицы в другую противоречит законам электромагнетизма и закону сохранения энергии - это как минимум. Поле не может самопроизвольно стать другим - поля трансформируются по законам поля: электромагнитные поля - по законам электромагнетизма. Ну а то, что превращения одних типов нейтрино в другие кроме того являются издевательством над законом сохранения энергии - к сожалению, это стало нормой поведения некоторых современных "теорий", не утруждающих себя необходимостью считаться с законами природы и с действительностью. Мир капитализма, построенный на Вранье, имеет такую "науку" - какой он достоин.

Нейтрино могут превращаться друг в друга только в результате их реакций (распада или столкновений, при наличии достаточной кинетической энергии).

Если Нобелевский комитет по физике считает, что законы природы отныне перестали действовать, только по тому, что он так думает, и чего хотят сказочники от науки, подсовывая свои математические теории-СКАЗКИ, то кто-нибудь может привести экспериментальные доказательства этого. Вранье авторов экспериментов, выдающих свои гипотезы за законы природы, приниматься в расчет не будет - требуются доказательства, и подтвержденные другими экспериментами.

А теперь посмотрим: что на самом деле увидели в экспериментах, отмеченных Нобелевской премией по физике 2015 года.

4.1 Ошибка 1 Нобелевского комитета по физике 2015.

У каждого нейтринного детектора, в том числе и отмеченных Нобелевской премией по физике (Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO), имеется энергетический порог. Если соответствующее нейтрино обладает кинетической энергией ниже энергетического порога, оно пройдет через детектор НЕЗАМЕЧЕННОЙ - а потом появляются псевдонаучные сказки о якобы открытых в эксперименте чудодейственных превращениях, нарушающих законы природы. А всего-то надо было чуточку поработать мозгами.

Энергетические пороги у рассмотренных детекторов, а также классического нейтринного детектора накопления SAGE, приведены в таблице, взятой из Википедии:

У SuperKamiokande в таблице не указана пороговая энергия. Но SuperKamiokande это всего лишь продолжение эксперимента Kamiokande с большим количеством воды и лучшей статистикой. Но, как известно, увеличение количества используемой воды улучшает статистику, но не уменьшает энергетический порог нейтринного детектора, следовательно, его можно считать прежним на уровне 7,5 МэВ.

Я специально добавил еще и классический галлиевый детектор, чтобы было видно во сколько раз его энергетический порог (пороговая энергия) ниже чем у черекновских детекторов, которые берут большим количеством сверх очищенной простой или тяжелой воды, получают большое число регистрируемых событий, могут даже определить направление (откуда прилетела частица), но вот вопрос: какую часть спектра они регистрируют. Выигрыш в количестве обернулся потерей качества. Но даже галлиевый детектор оказался не в состоянии ловить солнечные электронные нейтрино, прошедшие через расплавленную лаву нашей планеты, которую эти нейтрино поддерживают в расплавленном состоянии уже миллиарды лет. Что-же тогда говорить о нейтринных детекторах, у которых энергетический порог в десятки раз выше.

4.2 Ошибка 2 Нобелевского комитета по физике 2015.

Утверждение о том, что Земля является прозрачной для нейтрино - это голословное утверждение Стандартной модели, не соответствующее действительности . Квантовая “теория” и Стандартная модель рассматривают только один вариант взаимодействия, когда происходит реакция с участием элементарной частицы, но природа устроена иначе и в ней имеют место и взаимодействия “не замечаемые” этими математическими построениями.

Любая элементарная частица с ненулевой величиной массы покоя, в том числе и любое нейтрино, обладает электромагнитными полями, внутренняя энергия которых и создает ее массу покоя. Согласно законам классической электродинамики, действие которых в природе еще не отменено решением “Божественного” Нобелевского комитета по физике, электромагнитные поля элементарных частиц все еще взаимодействуют друг с другом. Результатом такого взаимодействия является обмен кинетической энергией, в соответствии с ЗАКОНАМИ ПРИРОДЫ. Следовательно, дипольное электрическое поле любого нейтрино (о существовании которого физика 20 века и не подозревала) взаимодействует со свободными носителями электрического заряда вещества, через которое это нейтрино пролетает. К числу свободных носителей электрического заряда относятся свободные электроны (не в составе атома) и ионы. И те и другие в гигантских количествах содержатся в расплавленной лаве, расположенной внутри нашей планеты под земной корой. Это расплавленное состояние вещества Земли поддерживается потоком кинетической энергии солнечных электронных нейтрино. Поэтому, при прохождении через расплавленную лаву вещества Земли, любые из нейтрино будут постепенно терять свою кинетическую энергию - это следствие классической электродинамики, такой нелюбимой квантовой “теорией” - сказкой.

А теперь посмотрите на пункт 2.1 и вы увидите следствие пункта 2.2: Нейтрино, потерявшее достаточное количество кинетической энергии, при прохождении через расплавленную лаву вещества Земли становится НЕВИДИМЫМ для нейтринного детектора .

Владимир Горунович

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)