Neutrino

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Pierwsza obserwacja zderzenia neutrina z protonem (z jądra atomu wodoru) w komorzepęcherzykowej, 13.11.1970. Po zderzeniu widoczny jest krótki ślad protonu, mionu (μ-meson) i pionu (π-meson)

Neutrino (ν) – cząstka elementarna należąca do leptonów. Jest fermionem – jego spin jest równy 1/2. Ma zerowy ładunek elektryczny. Neutrina występują jako cząstki podstawowe w modelu standardowym. Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, że neutrina mają niewielką, bliską zeru masę spoczynkową. Powstają między innymi w wyniku rozpadu β+, np. neutrino elektronowe (νe) powstaje podczas rozpadu 116C:

116C115B + e+ + νe

Nazwa jest włoskim zdrobnieniem neutronu. Została zaproponowana przez włoskiego fizyka Enrico Fermiego[1].

Rodzaje neutrin[edytuj | edytuj kod]

Diagram Feynmana rozpadu β neutronu do protonu, elektronu i antyneutrina elektronowego poprzez pośredni bozon W

Istnieją trzy stany zapachowe neutrin:

Prawdopodobnie każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik (antyneutrino) w antymaterii. Antyneutrino elektronowe powstaje w trakcie rozpadu β, np. podczas rozpadu 31T lub 146C:

31T32He + e + νe
146C147N + e + νe

Neutrina podczas propagacji w przestrzeni mogą zmieniać swój rodzaj (zapach) – zjawisko to nazywane jest oscylacją neutrin.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Neutrina, jako cząstki bardzo słabo oddziałujące z materią, były trudne do bezpośredniego zarejestrowania. Ich istnienie najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w 1930 r. Pauli wyciągnął wniosek o istnieniu tej cząstki na podstawie analizy rozkładu energii elektronów powstających w rozpadzie beta. Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin nastąpiło dopiero w roku 1956 (Frederick Reines i Clyde Cowan).

Neutrino mionowe dawniej nazywano neutretto.

Oddziaływania neutrin[edytuj | edytuj kod]

Neutrina nie oddziałują za pomocą oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. Oddziałują jedynie za pośrednictwem oddziaływań słabych (i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, że obiekt wielkości planety nie stanowi dla nich prawie żadnej przeszkody – przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony prostopadle do Słońca, co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin[2].

Neutrina są wychwytywane przez jądro atomowe (przekrój czynny na ten proces jest bardzo mały), inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina wychwytuje się w gigantycznych basenach z superczystą wodą (bądź innymi substancjami) umieszczonych głęboko pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.

Ostatnimi laty nastąpił olbrzymi rozwój fizyki neutrin dzięki takim eksperymentom jak KamLand, Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, T2K, DONUT i MINOS.

Problem masy neutrin[edytuj | edytuj kod]

Wiadomo obecnie, że uważane kiedyś za cząstki bezmasowe, neutrina mają niezerową masę spoczynkową, chociaż dokładne masy neutrin nie są znane.

Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande[3] określono różnicę między zapachami neutrin na około 0,04 eV. Masa ta może być więc najniższą możliwą masą jednego z rodzajów (zapachów) neutrin (przy założeniu, iż drugi składnik ma niemierzalną masę). Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych (np. promieniowanie tła, ucieczkę galaktyk) na 0,28 eV.

W latach 2011–2015 prowadzony jest eksperyment KATRIN, który wykorzystując rozpad beta trytu, będzie w stanie ograniczyć górną granicę masy najcięższego neutrina do 200 meV (z odchyleniem standardowym ≤ 2).

Powstawanie neutrin w cyklu protonowym

Źródła neutrin[edytuj | edytuj kod]

Neutrina na Ziemi powstają m.in. na skutek oddziaływania promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery (powstające w ten sposób neutrina nazywamy atmosferycznymi). Neutrina emitowane są także przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne źródła kosmiczne. Ze źródeł sztucznych najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.

W celach eksperymentalnych wiązki wysokoenergetycznych neutrin wytwarza się w akceleratorach. Neutrina, jako cząstki neutralne, nie mogą być bezpośrednio przyspieszane w akceleratorach wykorzystujących oddziaływania elektromagnetyczne. Zamiast tego, np. w akceleratorze ośrodka J-PARC[4], przyspieszane są protony, które następnie oddziałują z tarczą produkując wiele cząstek nietrwałych: przede wszystkim piony i kaony. Te cząstki rozpadają się w locie, produkując między innymi neutrina o dużej energii, poruszające się w kierunku bliskim cząstkom pierwotnym. Jedną możliwością ukierunkowania wiązki neutrin do detektora jest odpowiednie skierowanie pierwotnej wiązki protonów na tarczę, oraz ogniskowanie naładowanych pionów i kaonów. W przyszłości rozważa się produkcję wiązek neutrin poprzez przyspieszanie w akceleratorach jąder beta-promieniotwórczych lub mionów, które rozpadały by się na neutrina na specjalnie przygotowanych prostych odcinkach akceleratora.

Doniesienia o przekroczeniu prędkości światła[edytuj | edytuj kod]

Według badaczy pracujących w eksperymencie OPERA, polegającego na pomiarze prędkości wiązki neutrin wysyłanych do odległego o 730 km włoskiego laboratorium INFN Gran Sasso, cząstki te przekroczyły prędkość światła w próżni. Prędkość zmierzono ponad 15 000 razy, stwierdzając że była ona większa o 20 milionowych niż prędkość światła. Ustalono, że cząstki docierały do włoskiego laboratorium o 50-70 nanosekund szybciej, niż gdyby się poruszały z prędkością światła[5]. CERN ogłosiło 22 września 2011 roku apel do świata nauki o weryfikację ich odkrycia i ewentualne powtórzenie w drodze niezależnych eksperymentów, mających potwierdzić lub obalić te niezgodne ze szczególną teorią względności wyniki.

Wyniki tych niepotwierdzonych eksperymentów stały w sprzeczności z innymi znanymi danymi obserwacyjnymi. Na przykład neutrina powstałe w wybuchu supernowej SN 1987A dotarły na Ziemię trzy godziny wcześniej w stosunku do fotonów (co jest spowodowane tym, że neutrina wydostały się z eksplodującej gwiazdy wcześniej niż fotony). Gdyby neutrina poruszały się z prędkością większą od prędkości światła, a różnica w prędkości byłaby taka, jaką uzyskano w eksperymencie OPERA, to neutrina z tego wybuchu dotarłyby na Ziemię ponad cztery lata wcześniej zanim dotarłoby światło[6].

Po ogłoszeniu wyników eksperymentu wielu skrytykowało sposób jego przeprowadzenia[7], kilku z naukowców uczestniczących w eksperymencie odmówiło użycia ich nazwisk w ogłoszonych wynikach uważając, że opublikowana analiza danych jest przedwczesna[8], sugerowano różne możliwe błędy metodologiczne[9]. Ostatecznie wynik eksperymentu został wytłumaczony przez błędne podłączenie odbiornika GPS do komputera mierzącego czas przelotu cząstek[10].

Przypisy

  1. M. F. L'Annunziata: Radioactivity. Elsevier, 2007, s. 100. ISBN 978-0-444-52715-8. (ang.)
  2. New solar opacities, abundances, helioseismology, and neutrino fluxes
  3. Ann Finkbeiner: Looking for Neutrinos, Nature's Ghost Particles (ang.). W: Smithsonian magazine [on-line]. listopad 2010. [dostęp 2014-10-14].
  4. http://t2k-experiment.org/t2k/
  5. Przełomowe odkrycie w CERN otwiera możliwość podróży w czasie? (pol.). Wiadomości24. [dostęp 2012-02-22].
  6. Mariusz Błoński: Próby wyjaśnienia fenomenu neutrino szybszego od światła (pol.). kopalniawiedzy.pl. [dostęp 2011-10-18].
  7. Astronomy Without A Telescope – FTL Neutrinos (Or Not) (ang.). universetoday.com. [dostęp 2012-02-22].
  8. Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about (ang.). guardian.co.uk. [dostęp 2012-02-22].
  9. Times of Flight between a Source and a Detector observed from a GPS satelite (ang.). arXiv. [dostęp 2012-02-22].
  10. Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results (ang.). sciencemag.org, 2012-02-22. [dostęp 2012-02-22].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]