Neutrino

Cząstki elementarne
leptony e μ τ νe νμ ντ	kwarki u c t d s b
nośniki oddziaływań γ Z0 W± gluon g
hadrony
mezony π K J/ψ Υ B D	bariony p n Λ Σ Ξ Ω
bozony	fermiony

Neutrino – cząstka elementarna, należąca do leptonów (fermionów o spinie 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 (ale nie równą) zeru masę spoczynkową. Powstają między innymi w wyniku rozpadu β ⁺ (beta plus), przykładowo:

${}^{11}_{6}\hbox{C}\;\to\;^{11}_{5}\hbox{B}\;+\;{e^+}+\;\nu_e$

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

Rodzaje neutrin

Istnieją 3 stany zapachowe neutrin:

• $\nu_e\,$ neutrino elektronowe
• $\nu_\mu\,$ neutrino mionowe
• $\nu_{\tau}\,$ neutrino taonowe

Prawdopodobnie każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik (antyneutrino) w antymaterii. Antyneutrino elektronowe powstanie w trakcie rozpadu β ⁻ (beta minus), przykładowo:

${}^{3}_{1}\hbox{H}\;\to\;^{3}_{2}\hbox{He}\;+\;{e^-}+\bar{\nu}_e$

lub

${}^{14}_{6}\hbox{C}\;\to\;^{14}_{7}\hbox{N}\;+\;{e^-}+\bar{\nu}_e$

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

Historia

Neutrina, jako cząstki bardzo słabo oddziałujące z materią, były trudne do bezpośredniego zarejestrowania. Ich istnienie najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego 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

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 zwrócowy prostopadle do Słońca co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin.

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 destylowaną 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, DONUT i MINOS.

Problem masy neutrin

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 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 dokładnością do 2 odchyleń standardowych).

Powstawanie neutrin w cyklu protonowym

Źródła neutrin

Głównym źródłem neutrin na Ziemi są 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.

Doniesienia o przekroczeniu prędkości światła

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. Cząstki docierały do włoskiego laboratorium o 50-70 nanosekund szybciej niż gdyby się poruszały z prędkością światła. 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.

Eksperyment CERN-u zawiera szereg niepewności, które znacząco wpływają na jego dokładność. Kilku z naukowców uczestniczących w eksperymencie odmówiło użycia ich nazwisk w ogłoszonych wynikach uważając, że opublikowana analiza danych jest przedwczesna. Sugerowane jest także, że ta 60-nanosekundowa różnica w czasie może być spowodowana niepoprawną synchronizacją zegarów w satelitach Global Positioning System użytych w tym eksperymencie.

Wyniki tych niepotwierdzonych eksperymentów stoją 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.

Zobacz też

• problem neutrin słonecznych
• rozpad beta

Linki zewnętrzne

• Odkrywanie neutrin – polska strona edukacyjna
• NuMI-MINOS Home Page