14 ноември 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Нобелови награди 2015: Най-голямата награда за най-малката частица

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 10 октомври 2015 в 10:5853100
Снимка: Sandbox Studio, Chicago

Нобеловата награда за физика за 2015 г. бе присъдена на Артър Б. Макдоналд (Arthur B. McDonald), Канада и Такааки Каджита (Takaaki Kajita), Япония "за откриването на осцилациите на неутриното, които показват, че неутриното има маса".

Неутриното са най-многобройните частици материя във Вселената, толкова, колкото фотоните. Те идват от различни източници - космическите лъчи, звездите, свръхновите, центърът на Земята, атомните електроцентрали и дори от ядрените процеси в собственото ни тяло. Във всяка реакции в недрата на Слънцето и другите звезди се образуват неутрино (слънчеви неутрино), а също и в горните слоеве на атмосферата на Земята при разпада на пионите и каоните под влиянието на космическата радиация (атмосферни неутрино).

"Ако нямаше неутрино, Слънцето нямаше да грее", казва Оля Ботнер (Olga Botner), член на Нобеловия комитет за физика. "Ако нямаше неутрино, свръхновите нямаше да се избухват по начина, по който го правят. Елементите, от които всички ние сме направени, не биха съществували." 

Такааки Каджита и Артър Макдоналд са лидери на две експериментални групи, японския детектор Super-Kamiokande и Обсерваторията за неутрино в Съдбъри (SNO), съответно. Тези детектори изучават свойствата на неутриното - най-леката, най-загадъчна и неуловима от всички известни елементарни частици. Благодарение на техните измервания се установи, че неутриното, от което са известни три разновидности или "поколения" - електронно, мюонно и тау - се колебае между тях, осцилира - спонтанно се превръща в движение от един вид в друг. Експерименталната демонстрация на този факт, както и измерването на осцилациите на неутрино откри нов свят във физиката.

"Това е историческо откритие за физиката на елементарните частици" – се казва в прессъобщението на Нобеловия комитет.

Всъщност, физиците отдавна са запознати с неутриното, както теоретично (преди 80 години), така и експериментално. За него дори има наградени с Нобелова награда за физика за 1995 г. за самото му откриване, през 1988 г. за откриването на втория вид неутрино - мюонното и за 2002 г. - за откриването на слънчевото неутрино. Физиците знаели много добре как взаимодейства с други частици, но не знаели дали има маса, превръща ли се от един вид в друг, нарушават ли тези трансформации някакви закони за запазване и т.н. 

Неутриното е елементарна частица

Неутриното е елементарна частица, което означава, че за разлика от протоните и неутроните не се състои от други частици. За тези, за които това е новина - протоните и неутроните са съставени от по три кварка. А неутриното, както кварките, не може да се разлага повече. То е "лептон" заедно с добре познатите електрони и тау-частиците и мюоните.

Стандартния модел е съвременна и най-непротиворечива работна теория, описваща всички известни взаимодействия на елементарните частици и завършена с откритието на Хигс бозона. И е потвърдена с изключителна точност. Ето и къде е мястото на неутриното (обозначено с ν) в Стандартния модел:

Фермиони:

  • Кварки - горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк
  • Лептони - електронно неутрино, мюонно неутрино, тау-неутрино, мюон, електрон, тау-лептон

Бозони:

  • Калибровъчни бозони - глуон, W и Z бозони, фотон
  • Други бозони - бозон на Хигс, гравитон (извън Стандартния модел)
атоми ядра електрони кваркиИлюстрация:wikipedia

В Стандартният модел във формата, в която първоначално е бил построен, неутриното е без маса. Ненулевата маса на неутриното изисква пък лека модификация на Стандартния модел, без да се нарушава вътрешната му хармония.

Уникалното неутрино

Тази частица е уникална с това, че почти няма маса и почти не взаимодейства. От четирите фундаментални взаимодействия - силно, електромагнитно, слабо и гравитационно - участва само в последните две и тъй като е изключително лека частица, гравитацията слабо й влияе.

Слабото взаимодействие, в което участват всички материални частици, осъществява радиоактивния разпад и ядрения синтез в звездите и в частност - производството на деутерий и хелий от водород в термоядрения синтез на нашето Слънце. Може да се каже, че тези взаимодействия са в основата и на живота.

Неутриното са най-многобройните частици материя във Вселената, те са навсякъде около нас - един трилион слънчево неутрино ни пронизват всяка секунда, но защото толкова рядко взаимодействат, не можем да ги усетим и е почти невъзможно да се уловят.

Друга странност на неутриното е, че има три вида неутрино (аромати, поколения) - електронно, мюонно и тау неутрино, които са наречени на съответната частица от групата на лептоните, с която се раждат.

Осцилациите и масата на неутриното 

Трите поколения неутрино са почти идентични и могат да се превръщат от един вид в друг - още една необикновена черта на тези частици

Тази трансформация изисква три неща:

  1. масата на неутриното да не е нулева,
  2. различните видове неутрино да имат различни маси,
  3. неутриното с определен аромат е квантова комбинация с неутрино с определена маса ("неутринно смесване").

От трите, може би последното изглежда най-неясно. Ако неутриното има определена идентичност - електронно, мюонно или тау неутрино, то няма маса, контретно свързана с лептонния му тип, а някаква комбинация от неутрино с различни маси: електронна, мюонна и маса на тау неутрино.

И това е точно в съответствие с формулирания от Хайзенберг през 1927 г. принцип на неопределеността в квантовата механика. Той твърди, че никоя физическа система не може да се намира в състояние, при което две нейни характеристики - координатите и импулса й (скоростта, кинетичната енергия и др.) едновременно приемат напълно определени значения.

Може да се каже, че осцилациите на неутриното са макроскопична илюстрация на квантовите закони - нещо, което се среща при частиците само при температури, близки до абсолютната нула.

Измерването на дължината на осцилациите позволява да се намери разликата между масите на неутриното, всъщност, разликата от квадратите на масите. Но тези измервания няма да помогнат да се установи общия мащаб на масите. Те са някъде около милиелектронволт (MeV), но колко точно - не е известно. Това е нужно да се разбере за да се установи теоретичния модел на неутриното. Това може да стане само с експеримент, но който да не измерва осцилациите, а да е спектроскопски, въз основа на точно измерване на енергиите на електрона в радиоактивни разпади.

Илюстрация на превръщане на мюонно неутрино в електронно неутриното, а след това пак в мюонно. Източник: Physicsworld.com


Такааки Каджита и Артър Макдоналд получават Нобелова награда за физика 2015 г. за експериментално потвърждение на неутринните осцилации.

Два проблема, довели до откритието

Откритието на двамата нобелисти бе окончателно потвърдено през лятото на 2015 г., когато физиците в ЦЕРН идентифицираха пето тау неутрино в поток от мюонни неутрино, движещи се от Швейцария в Италия, където е известният детектор OPERA, пуснал сензацията със "свръхсветлинното неутрино" през 2011 г., която бързо бе опровергана.

Това решава две загадки на неутриното, които са измъчвали учените десетилетия.

Първо - проблемът с атмосферните неутрина. Космическите лъчи пораждат в атмосферата мюони и всеки акт на раждане произвежда и мюонно неутрино. След това мюоните преди да достигнат земята се разпадат и всеки разпад генерира второ мюонно неутрино плюс едно електронно. Следователно, общият поток на мюонни и електронни неутрино трябва да се отнасят един към друг, както 2: 1. Но от 1980 г. насам експериментите показват, че са почти по равно.

На второ място, в края на 90-те се появи проблемът за слънчевите неутрина. Частиците неутрино, произведени в недрата на Слънцето по време на термоядрения синтез, долитат до нас и се записват в детекторите. Потокът слънчеви неутрина е пряко свързан с мощността на Слънцето, което означава, че теоретично е възможно да се изчисли, но когато е бил измерен, резултатите се различавали три пъти. По едно време учените се усъмнили в слънчевия модел, че не прогнозира добре неутринния поток. Моделът бил подобрен, но излезе, че причината не е в него. Тогава решили, че може би не могат да измерят точно нискоенергийните слънчеви неутрина. И с по-новите детектори - галий-германиевия експеримент GALLEX/GNO в Италия и SAGE в Русия - резултатите били същите.

Като цяло, не е било възможно да се реши проблема по друг начин, освен да се предположи, че неутриното осцилира - т.е. се превръща от един вид в друг. Тогава атмосферната аномалия може да се обясни с това, че част от мюонните неутрина се превръща в движение в неутрино от друг тип (който и да е - не се знае предварително). Слънчевата загадка може да бъде решена така: по пътя си от вътрешността на Слънцето електронните неутрина се превръщат в мюонни или тау, а тъй като експериментите от типа Homestake и GALLEX улавят само електронни неутрино, то от преброяването се изплъзват другите видове.

Но за да се превърне това от хипотеза в истинско обяснение, неутринните осцилации трябва да се установят експериментално. Този пробив е направен чрез серия от измервания, направени в края на 90-те години в Super-Kamiokande в Япония и в началото на този век в неутринната обсерватория SNO в Онтарио, Канада.

Super-Kamiokande

Детекторът Super-Kamiokande е огромна подземна каверна, запълнена със свръхчиста вода и чувствителни фотодетектори.

Неговият принцип на работа е коренно различен от предишните детектори. Връхлитащите неутрина се сблъскват с атом, той се превръща в електрон или мюон с висока енергия и светят с лъчението на Черенков - така става възможно да се измери енергията и посоката на пристигане на неутриното. Но ако това е така, то е възможно и да се провери потока от атмосферни неутрина, идващи от различни части на атмосферата на Земята: точно над детектора или на разстояние, хиляда километра или дори на противоположната страна на Земята, тъй като неутриното без никакви проблеми преминава през Земята.


Потоци електронни и мюонни неутрино с ниски и високи енергии, идващи от различни посоки. Стойността cosΘ = 1 отговаря на неутрино, идващо отгоре надолу, −1 — отдолу нагоре, 0 — идва хоризонтално. Сините линии показват очаквания поток при предположението, че неутриното не осцилира, червената хистограма показва потока с осцилации. Източник: nobelprize.org


През 1998 г колаборацията Super-Kamiokande под ръководството на Такааки Каджита изпълни тези измервания и обяви убедителни резултати.

Оказа се, че от далече, от атмосферата на противоположната страна на Земята, идват много по-малко мюонни неутрино, отколкото отгоре (виж графиката по-горе). Ако нямаше осцилации, тези потоци щяха да са приблизително равни. Недостигът на мюонни неутрино, идващи отдалече, означава, че по пътя към детектора значителна част от тях са се превърнали в други неутрино - дори е ясно в какви: не са електронни неутрино, тъй като техният поток практически е непроменен, а трябва да са тау неутрино, които детекторът не следи.

Неутринната обсерватория SNO в Онтарио

Изглед от Sudbury Neutrino Observatory. Снимка: Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, CC BY


След като се справи със загадката на атмосферните неутрина детекторът Super-Kamiokande се опита да открие и причината за слънчевата аномалия. Но проблемът тук е, че неутрината, идващи от Слънцето имат твърде малко енергия. Super-Kamiokande може да ги регистрира, но не може надеждно да определи вида им. С това се справи друг детектор, SNO. В него, за разлика от Super-Kamiokande, се използва не обикновена, а тежка вода, съдържаща деутерий.

Този детектор едновременно регистрира както общия поток слънчеви неутрина, така и делът електронни неутрина.

Потоци електронни (хоризонтално) и мюонни плюс тау-неутрино (по вертикала), идващи от Слънцето. Сивата ивица е резултатът на Super-Kamiоkande, цветните ивици - резултатите от експеримента SNO, получени чрез различни методи. Лентите, ограничени от пунктирани линии - предсказанията на слънчевия модел. Източник: nobelprize.org



През 2001 г. обсерваторията SNO публикува резултатите от измерванията и всичко си идва на мястото. Общият поток от неутрино наистина съвпада със прогнозите на слънчевия модел. Електронната част е наистина само една трета от него - в съответствие с многобройни експерименти. По този начин, слънчеви неутрина не се губят - просто родените в центъра на Слънцето под формата на електронни неутрино по пътя си към Земята се превръщат в неутрино от друг тип.

Последва след тях лавина от други експерименти - атмосферни, космически, в реактори и ускорители. Тези измервания не просто разрешиха старите загадки, а не само установиха факта на неутринните осцилации. Те започнаха да измерват параметрите на тези трансформации. 

Една от главните последици от осцилациите на неутриното е, че неутриното има маса. Ако всички неутрина са безмасови, тези преходи биха били невъзможни. По дължината на осцилациите може да възстанови масите на различните видове неутрино. За трудностите при измерването на тези маси говорихме в "Как учените ще измерят масата на неутриното". За учените, които решат това предизвикателство вероятно ще има друга Нобелова награда.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.