Нейтрино – электронго абдан окшош, бирок электр заряды жок элементардык бөлүкчө. Анын өтө кичинекей массасы бар, ал тургай нөлгө тең болушу мүмкүн. Нейтрино ылдамдыгы массага да көз каранды. Бөлүкчөнүн жана жарыктын келүү убактысынын айырмасы 0,0006% (± 0,0012%). 2011-жылы OPERA экспериментинин жүрүшүндө нейтринолордун ылдамдыгы жарыктын ылдамдыгынан ашары аныкталган, бирок көз карандысыз тажрыйба муну тастыктаган эмес.
Кол жетпес бөлүкчө
Бул ааламдагы эң кеңири таралган бөлүкчөлөрдүн бири. Ал зат менен өтө аз өз ара аракеттенгендиктен, аны аныктоо өтө кыйын. Электрондор жана нейтрино күчтүү ядролук өз ара аракеттенишүүгө катышпайт, бирок алсыздарга бирдей катышат. Мындай касиеттерге ээ бөлүкчөлөр лептондор деп аталат. Заряддалган лептондорго электрондон (жана анын антибөлүкчөлөрү позитрондон) тышкары мюон (200 электрон массасы), тау (3500 электрон массасы) жана алардын антибөлүкчөлөрү кирет. Алар мындай деп аталат: электрон-, муон- жана тау-нейтрино. Алардын ар биринде антинейтрино деп аталган анти-материалдык компонент бар.
Муон менен тауда электрон сыяктуу, аларды коштоп жүргөн бөлүкчөлөр бар. Бул мюон жана тау нейтрино. Бөлүкчөлөрдүн үч түрү бири-биринен айырмаланат. Мисалы, мюон нейтринолору бута менен өз ара аракеттенгенде, алар дайыма мюондорду, эч качан тау же электрондорду чыгарышат. Бөлүкчөлөрдүн өз ара аракетинде электрондор жана электрон-нейтринолор түзүлүп, жок кылынса да, алардын суммасы өзгөрүүсүз калат. Бул чындык лептондордун үч түргө бөлүнүшүнө алып келет, алардын ар биринде заряддуу лептон жана аны коштогон нейтрино бар.
Бул бөлүкчөлөрдү аныктоо үчүн өтө чоң жана өтө сезгич детекторлор керек. Эреже катары, аз энергиялуу нейтрино заттар менен өз ара аракеттенгенге чейин көптөгөн жарык жылын басып өтүшөт. Демек, алар менен болгон бардык жер үстүндөгү эксперименттер акылга сыярлык өлчөмдөгү жазгычтар менен өз ара аракеттенип, алардын кичинекей үлүшүн өлчөөгө таянат. Мисалы, 1000 тонна оор сууну камтыган Садбери Нейтрино обсерваториясында секундасына болжол менен 1012 күн нейтриносу детектордон өтөт. Ал эми күнүнө 30 гана табылат.
Ачылуулар таржымалы
Вольфганг Паули биринчи жолу 1930-жылы бөлүкчөнүн бар экенин болжолдогон. Ошол кезде көйгөй пайда болгон, анткени бета ажыроодо энергия жана бурчтук импульс сакталбагандай сезилген. Бирок Паули белгилегендей, эгерде өз ара аракеттенбеген нейтралдуу нейтрино бөлүкчөлөрү бөлүнүп чыкса, анда энергиянын сакталуу мыйзамы сакталат. Италиялык физик Энрико Ферми 1934-жылы бета ажыроо теориясын иштеп чыгып, бөлүкчөнүн атын берген.
Бардык божомолдорго карабастан, 20 жыл бою нейтринолордун зат менен өз ара аракеттенүүсү начар болгондуктан эксперименталдык түрдө аныктала алган эмес. Анткени бөлүкчөлөр электрдик эмесзаряддуу болсо, аларга электромагниттик күчтөр таасир этпейт, демек, алар заттын иондоштуруусуна алып келбейт. Мындан тышкары, алар зат менен анча чоң эмес күчтөгү алсыз өз ара аракеттенүү аркылуу гана реакцияга кирет. Демек, алар эч кандай реакцияга алып келбестен өтө көп сандагы атомдордон өтө алган эң терең кирген субатомдук бөлүкчөлөр. Бул бөлүкчөлөрдүн 10 миллиарддан 1 гана жердин диаметрине барабар аралыкты басып өтүп, протон же нейтрон менен реакцияга кирет.
Акыры, 1956-жылы Фредерик Рейнс жетектеген америкалык физиктер тобу электрон-антинейтрино ачылганын жарыялашкан. Анын эксперименттеринде ядролук реактордон чыккан антинейтрино протондор менен өз ара аракеттенип, нейтрондорду жана позитрондорду пайда кылышкан. Бул акыркы кошумча продуктулардын уникалдуу (жана сейрек) энергетикалык кол тамгалары бөлүкчөнүн бар экенин далилдейт.
Заряддалган мюон лептондорунун ачылышы нейтринонун экинчи түрүн - мюнду кийинки идентификациялоо үчүн баштапкы чекит болуп калды. Аларды идентификациялоо 1962-жылы бөлүкчөлөрдүн тездеткичиндеги эксперименттин жыйынтыгы боюнча жүргүзүлгөн. Жогорку энергиялуу муондук нейтрино пи-мезондордун ажыроосу менен өндүрүлгөн жана алардын зат менен болгон реакцияларын изилдей тургандай кылып детекторго жөнөтүлгөн. Бул бөлүкчөлөрдүн башка түрлөрү сыяктуу эле алар реактивдүү эмес болсо да, алар протондор же нейтрондор менен реакцияга кирген сейрек учурларда мюон-нейтринолор мюондорду пайда кылаары аныкталган, бирок эч качан электрон эмес. 1998-жылы америкалык физиктер Леон Ледерман, Мелвин Шварц жана Джек Стайнбергермуон-нейтринону аныктаганы үчүн физика боюнча Нобель сыйлыгын алган.
1970-жылдардын ортосунда нейтрино физикасы заряддалган лептондордун дагы бир түрү - тау менен толукталган. Тау нейтрино жана тау антинейтрино ушул үчүнчү заряддуу лептон менен байланышта болуп чыкты. 2000-жылы Улуттук тездетүүчү лабораторияда физиктер. Энрико Ферми бөлүкчөлөрдүн бул түрүнүн бар экендигинин биринчи эксперименталдык далилин билдирди.
Масса
Нейтринолордун бардык түрлөрү заряддалган окшошторунан бир топ азыраак массага ээ. Мисалы, эксперименттер электрон-нейтрино массасынын электрон массасынын 0,002% аз болушу керек экендигин жана үч түрдүн массаларынын суммасы 0,48 эВден аз болушу керектигин көрсөтүп турат. Көп жылдар бою бөлүкчөнүн массасы нөлгө барабар болуп көрүнгөн, бирок эмне үчүн мындай болушу керек экенине ынанымдуу теориялык далилдер жок болчу. Андан кийин, 2002-жылы, Садбери Нейтрино обсерваториясы Күндүн өзөгүндөгү ядролук реакциялар чыгарган электрон-нейтринолордун алар аркылуу өтүшүнүн түрүн өзгөрткөнү тууралуу биринчи түз далилдерди келтирген. Нейтринолордун мындай «термелүүсү» бөлүкчөлөрдүн бир же бир нече түрү кандайдыр бир кичинекей массага ээ болсо мүмкүн. Алардын Жердин атмосферасындагы космостук нурлардын өз ара аракеттенүүсүн изилдөөлөрү да массанын бар экенин көрсөтүп турат, бирок аны так аныктоо үчүн мындан аркы эксперименттер талап кылынат.
Булактар
Нейтринолордун табигый булактары - Жердин ичегилериндеги элементтердин радиоактивдүү ажыроосу, алардааз энергиялуу электрондордун-антинейтринолордун чоң агымы бөлүнүп чыгат. Суперновалар да басымдуу нейтрино кубулушу болуп саналат, анткени кулап бараткан жылдызда пайда болгон супер тыгыз материалга ушул бөлүкчөлөр гана кире алат; энергиянын аз гана бөлүгү жарыкка айланат. Эсептөөлөр көрсөткөндөй, Күн энергиясынын 2%ке жакыны термоядролук синтез реакцияларында пайда болгон нейтринолордун энергиясы болуп саналат. Ааламдагы караңгы заттын көбү Чоң жарылуу учурунда пайда болгон нейтринодон турат окшойт.
Физика маселелери
Нейтрино жана астрофизикага тиешелүү тармактар ар түрдүү жана тез өнүгүп жатат. Көптөгөн эксперименталдык жана теориялык аракеттерди тарткан учурдагы суроолор төмөнкүдөй:
- Ар кандай нейтринолордун массалары кандай?
- Алар Биг Бенг космологиясына кандай таасир этет?
- Алар термелеби?
- Бир түрдөгү нейтринолар материяда жана мейкиндикте саякаттап башка түргө айланышы мүмкүнбү?
- Нейтринолар антибөлүкчөлөрдөн түп-тамырынан айырмаланабы?
- Жылдыздар кантип кулап, суперноваларды пайда кылышат?
- Нейтринолордун космологиядагы ролу кандай?
Өзгөчө кызыгууну туудурган көптөн бери келе жаткан көйгөйлөрдүн бири күн нейтрино проблемасы деп аталат. Бул аталыш акыркы 30 жылдын ичинде жүргүзүлгөн бир нече жер үстүндөгү эксперименттердин жүрүшүндө күн чыгарган энергияны өндүрүү үчүн зарыл болгондон азыраак бөлүкчөлөр ырааттуу түрдө байкалганын билдирет. Анын мүмкүн болгон чечимдеринин бири термелүү, б.а. электрондун трансформациясынейтринолорду мюондорго же тауга айлантат. Төмөн энергиялуу мюонду же тау-нейтринолорду өлчөө бир топ кыйыныраак болгондуктан, мындай өзгөрүү биз эмне үчүн Жердеги бөлүкчөлөрдүн туура санын байкабай жатканыбызды түшүндүрөт.
Төртүнчү Нобель сыйлыгы
2015-жылдагы физика боюнча Нобель сыйлыгы Такааки Кажита менен Артур Макдоналдга нейтрино массасын ачкандыгы үчүн ыйгарылды. Бул бөлүкчөлөрдүн эксперименталдык өлчөөлөрүнө байланыштуу төртүнчү сыйлык болду. Кээ бирөөлөр эмне үчүн биз кадимки зат менен араң аралашкан нерсеге мынчалык маани беришибиз керек деп ойлошу мүмкүн.
Бул эфемердик бөлүкчөлөрдү аныктай алганыбыздын өзү эле адамдын тапкычтыгынын далили. Кванттык механиканын эрежелери ыктымалдуу болгондуктан, дээрлик бардык нейтрино Жер аркылуу өтсө да, алардын кээ бирлери аны менен өз ара аракеттенишээрин билебиз. Муну аныктоо үчүн чоң детектор.
Биринчи мындай аппарат 60-жылдары Түштүк Дакотадагы шахтада курулган. Шахтага 400 миң литр тазалоочу суюктук толтурулган. Орточо эсеп менен күн сайын бир нейтрино бөлүкчөсү хлор атому менен аракеттенип, аны аргонго айлантат. Укмуштуудай, детекторду жетектеген Рэймонд Дэвис бул бир нече аргон атомдорун аныктоонун жолун ойлоп таап, кырк жылдан кийин, 2002-жылы бул укмуштуудай техникалык эрдиги үчүн ага Нобель сыйлыгы ыйгарылган.
Жаңы астрономия
Нейтринолар өтө начар өз ара аракеттенгендиктен, алар абдан алыс аралыктарды басып өтүшөт. Алар бизге эч качан көрө албаган жерлерди кароого мүмкүнчүлүк берет. Дэвис ачкан нейтринолор Күндүн так борборунда болгон өзөктүк реакциялар тарабынан өндүрүлгөн жана бул укмуштуудай жыш жана ысык жерден башка заттар менен дээрлик өз ара аракеттенишпегендиктен гана чыга алышкан. Атүгүл Жерден жүз миң жарык жылынан ашык аралыкта жарылып жаткан жылдыздын борборунан учуп бараткан нейтринону аныктоого болот.
Мындан тышкары, бул бөлүкчөлөр ааламды Хиггс бозонун ачкан Женевадагы Чоң Адрон Коллайдери карай алгандан алда канча кичине, өтө кичинекей масштабда байкоого мүмкүндүк берет. Дал ушул себептен Нобель комитети дагы бир нейтрино түрүнүн ачылышы үчүн Нобель сыйлыгын ыйгарууну чечти.
Сырдуу Сагынуу
Рэй Дэвис күн нейтринолорун байкаганда, күтүлгөн сандын үчтөн бирин гана тапкан. Көпчүлүк физиктер мунун себебин Күндүн астрофизикасын начар билүү деп эсептешкен: балким, жылдыздын ички түзүлүшүнүн моделдери анда өндүрүлгөн нейтринолордун санын ашыкча баалагандыр. Бирок жылдар бою, күн моделдери жакшырган сайын, жетишсиздиктер сакталып келген. Физиктер дагы бир мүмкүнчүлүккө көңүл бурушту: маселе бул бөлүкчөлөр жөнүндөгү биздин түшүнүгүбүзгө байланыштуу болушу мүмкүн. Ошол кездеги үстөмдүк кылган теория боюнча, алардын массасы болгон эмес. Бирок кээ бир физиктер бөлүкчөлөр чындыгында чексиз кичине болгон деп ырасташатмассасы, жана бул масса алардын жетишсиздигине себеп болгон.
Үч жүздүү бөлүкчө
Нейтрино термелүү теориясына ылайык, жаратылышта нейтринолордун үч түрдүү түрү бар. Эгерде бөлүкчө массага ээ болсо, анда ал кыймылдаган сайын бир түрдөн экинчи түргө өзгөрүшү мүмкүн. Үч түрү - электрон, мюон жана тау - зат менен өз ара аракеттенгенде тиешелүү заряддуу бөлүкчөлөргө (электрон, мюон же тау лептон) айланышы мүмкүн. «Термелүү» кванттык механикадан улам пайда болот. Нейтрино түрү туруктуу эмес. Ал убакыттын өтүшү менен өзгөрөт. Жашоосун электрон катары баштаган нейтрино мюонго айланып, андан кийин кайра кайта алат. Ошентип, Күндүн өзөгүндө пайда болгон бөлүкчө Жерге бара жатып, мезгил-мезгили менен муон-нейтриного жана тескерисинче айлана алат. Дэвис детектору хлордун аргонго ядролук трансмутациясына алып келе турган электрон нейтринолорду гана аныктай алгандыктан, жок болгон нейтрино башка түрлөргө айланышы мүмкүн болгон. (Көрсө, нейтрино Жерге баратканда эмес, Күндүн ичинде термелет.)
Канада эксперимент
Муну текшерүүнүн жалгыз жолу нейтринолордун үч түрү үчүн тең иштеген детекторду куруу болчу. 1990-жылдардан бери Онтарио штатынын Садбери шаарындагы шахтада бул ишти жасаган команданы Квинс Онтарио университетинин кызматкери Артур Макдоналд жетектеп келет. Аталган жайда Канада өкмөтү насыяга алган тонналаган оор суулар болгон. Оор суу – сейрек кездешүүчү, бирок табиятта кездешүүчү суу формасы, анда бир протонду камтыган суутекпротон менен нейтронду камтыган анын оор изотопу дейтерий менен алмаштырылган. Канада өкмөтү оор сууну өзөктүк реакторлордо муздаткыч катары колдонгондуктан камдап алган. Нейтринолордун үч түрү тең дейтерийди жок кылып, протон менен нейтронду пайда кылышы мүмкүн, андан кийин нейтрондор саналган. Детектор Дэвиске салыштырмалуу бөлүкчөлөрдүн болжол менен үч эсе көп санын каттады - бул так Күндүн эң мыкты моделдери алдын ала айткан сан. Бул электрон-нейтрино анын башка түрлөрүнө термелиши мүмкүн экенин көрсөткөн.
Япон эксперимент
Ошол эле убакта Токио университетинин кызматкери Такааки Кажита дагы бир укмуштуудай эксперимент жасап жаткан. Япониядагы шахтага орнотулган детектор Күндүн ичегисинен эмес, атмосферанын жогорку катмарынан келген нейтринолорду каттаган. Космостук нурлардын протондору атмосфера менен кагылышканда башка бөлүкчөлөрдүн, анын ичинде муондук нейтринолордун жамгырлары пайда болот. Шахтада алар водороддун ядролорун мюонго айландырышкан. Кажита детектору эки багытта келе жаткан бөлүкчөлөрдү көрө алган. Кээ бирлери атмосферадан келип, өйдөдөн кулап, башкалары ылдый жактан жылып кетишкен. Бөлүкчөлөрдүн саны ар кандай болгон, бул алардын ар кандай табиятын көрсөткөн – алар термелүү циклдарынын ар кандай чекиттеринде болушкан.
Илимдеги революция
Мунун баары экзотикалык жана укмуштуу, бирок эмне үчүн термелүүлөр жана нейтрино массалары мынчалык көп көңүл бурат? Себеби жөнөкөй. 20-кылымдын акыркы элүү жылында иштелип чыккан бөлүкчөлөр физикасынын стандарттык моделинде,тездеткичтердеги жана башка эксперименттердеги башка бардык байкоолорду туура сүрөттөгөн нейтрино массасыз болушу керек эле. Нейтрино массасынын ачылышы бир нерсе жок экенин көрсөтүп турат. Стандарттык модель толук эмес. Чоң адрон коллайдери же дагы бир түзүлө элек машина аркылуу жетишпеген элементтер табыла элек.
