Технологии

Нейтринные осцилляции для чайников



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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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 Нейтринные осцилляции для чайников. 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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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 тетрахлорида — соединения 4 атомов хлора. Это вещество активно используется при химчистке и достаточно дешево.

Нейтринные осцилляции для чайников

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

Нейтринные осцилляции для чайников

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

Нейтринные осцилляции для чайников

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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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:

  1. Неверна модель Солнца. Несмотря на многолетние оптические наблюдения мы совершенно не понимаем, как работает Солнце. Общий нейтринный поток меньше ожидаемого;
  2. Что-то не так с самими нейтрино. Например, они меняют тип по пути к Земле (Нейтринные осцилляции для чайников) и уже не могут взаимодействовать с рождением электрона. Общий поток Нейтринные осцилляции для чайников не поменялся.

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 (Нейтринные осцилляции для чайников), мюонное (Нейтринные осцилляции для чайников) и тау (Нейтринные осцилляции для чайников). 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: Нейтринные осцилляции для чайников с массами Нейтринные осцилляции для чайников соответственно.
Вся соль осцилляций в том, что эти базисы не совпадают! Синим на картинке показаны типы (сорта) нейтрино, а красным состояния с разными массами.

Нейтринные осцилляции для чайников

То есть, если в распаде нейтрона появилось электронное нейтрино, то появились сразу три массовых состояния (спроектировали Нейтринные осцилляции для чайников на Нейтринные осцилляции для чайников). Но распространяются эти состояния с разной скоростью, так как импульсы одинаковые, а массы разные. В результате вектор состояния начинает слегка поворачиваться. Взаимодействует же нейтрино в зависимости от типа (Нейтринные осцилляции для чайников). Поэтому, когда мы хотим посчитать, как же нейтрино себя проявит, нужно спроектировать наш вектор состояния на (Нейтринные осцилляции для чайников). 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:

Нейтринные осцилляции для чайников

Насколько сильно будет меняться тип задается относительными углами описанных систем координат (показаны на предыдущем рисунке Нейтринные осцилляции для чайников) 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:

Нейтринные осцилляции для чайников

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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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

Нейтринные осцилляции для чайников

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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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 германий. 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».

Нейтринные осцилляции для чайников

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.

Нейтринные осцилляции для чайников

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

Нейтринные осцилляции для чайников

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!

Хочу отметить, что точно так же меняют свои ароматы и кварки, только этот эффект для них намного слабее.

PS Я продолжаю пробовать перья в популярных статьях, так что буду признателен за отзывы/замечания/запросы. Как найду время, в следующий раз планирую написать, как впервые наблюдали астрофизический объект не через электромагнитное излучение.
Спойлер — при помощи нейтрино:)

Нейтринные осцилляции для чайников

Источник: geektimes.ru



Комментировать

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *