Նեյտրինոն տարրական մասնիկ է, որը շատ նման է էլեկտրոնին, բայց չունի էլեկտրական լիցք: Այն ունի շատ փոքր զանգված, որը կարող է նույնիսկ զրո լինել։ Նեյտրինոյի արագությունը նույնպես կախված է զանգվածից։ Մասնիկի և լույսի ժամանման ժամանակի տարբերությունը կազմում է 0,0006% (± 0,0012%)։ 2011 թվականին OPERA-ի փորձի ժամանակ պարզվեց, որ նեյտրինոների արագությունը գերազանցում է լույսի արագությունը, սակայն անկախ փորձը դա չհաստատեց։
Անորսալի մասնիկ
Սա տիեզերքի ամենատարածված մասնիկներից մեկն է: Քանի որ այն շատ քիչ է փոխազդում նյութի հետ, դա աներևակայելի դժվար է հայտնաբերել: Էլեկտրոնները և նեյտրինոները չեն մասնակցում ուժեղ միջուկային փոխազդեցություններին, բայց հավասարապես մասնակցում են թույլներին: Այս հատկություններով մասնիկները կոչվում են լեպտոններ: Բացի էլեկտրոնից (և նրա հակամասնիկից՝ պոզիտրոնից), լիցքավորված լեպտոնները ներառում են մյուոնը (200 էլեկտրոնային զանգված), տաուն (3500 էլեկտրոնային զանգված) և դրանց հակամասնիկները։ Դրանք կոչվում են էլեկտրոն-, մյուոն- և տաու-նեյտրինոներ: Նրանցից յուրաքանչյուրն ունի հականյութական բաղադրիչ, որը կոչվում է հականեյտրինո:
Մուոնը և տաուն, ինչպես էլեկտրոնը, ունեն իրենց ուղեկցող մասնիկներ: Սրանք մյուոն և տաու նեյտրինոներ են։ Երեք տեսակի մասնիկները տարբերվում են միմյանցից. Օրինակ, երբ մյուոնային նեյտրինոները փոխազդում են թիրախի հետ, նրանք միշտ արտադրում են մյուոններ, ոչ երբեք տաու կամ էլեկտրոններ։ Մասնիկների փոխազդեցության դեպքում, թեև էլեկտրոնները և էլեկտրոն-նեյտրինոները կարող են ստեղծվել և ոչնչացվել, դրանց գումարը մնում է անփոփոխ։ Այս փաստը հանգեցնում է լեպտոնների բաժանմանը երեք տեսակի, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի լիցքավորված լեպտոն և ուղեկցող նեյտրինո։
Այս մասնիկը հայտնաբերելու համար անհրաժեշտ են շատ մեծ և չափազանց զգայուն դետեկտորներ: Սովորաբար, ցածր էներգիայի նեյտրինոները շատ լուսային տարիներ կանցնեն մինչև նյութի հետ փոխազդեցությունը: Հետևաբար, նրանց հետ գետնի վրա հիմնված բոլոր փորձերը հիմնված են նրանց փոքր մասնաբաժնի չափման վրա, որը փոխազդում է ողջամիտ չափի ձայնագրիչների հետ: Օրինակ՝ 1000 տոննա ծանր ջուր պարունակող Sudbury Neutrino աստղադիտարանում դետեկտորով անցնում է վայրկյանում մոտ 1012 արևային նեյտրինո։ Եվ օրական ընդամենը 30 է գտնում։
Հայտնաբերման պատմություն
Վոլֆգանգ Պաուլին առաջին անգամ ենթադրեց մասնիկի գոյությունը 1930 թվականին: Այդ ժամանակ խնդիր առաջացավ, քանի որ թվում էր, թե էներգիան և անկյունային իմպուլսը չեն պահպանվել բետա քայքայման ժամանակ: Բայց Պաուլին նշել է, որ եթե չփոխազդող չեզոք նեյտրինո մասնիկ արտանետվի, ապա էներգիայի պահպանման օրենքը կպահպանվի։ Իտալացի ֆիզիկոս Էնրիկո Ֆերմին մշակել է բետա քայքայման տեսությունը 1934 թվականին և այդ մասնիկին տվել է իր անունը։
Չնայած բոլոր կանխատեսումներին, 20 տարի շարունակ նեյտրինոն չի հաջողվել հայտնաբերել փորձնականորեն՝ նյութի հետ թույլ փոխազդեցության պատճառով: Քանի որ մասնիկները էլեկտրական չենլիցքավորված, դրանց վրա չեն ազդում էլեկտրամագնիսական ուժերը և, հետևաբար, չեն առաջացնում նյութի իոնացում։ Բացի այդ, նրանք նյութի հետ արձագանքում են միայն աննշան ուժի թույլ փոխազդեցությունների միջոցով: Ուստի դրանք ամենաթափանցող ենթաատոմային մասնիկներն են, որոնք կարող են անցնել հսկայական թվով ատոմների միջով՝ առանց որևէ ռեակցիա առաջացնելու։ Այս մասնիկներից 10 միլիարդից միայն 1-ն է, որը նյութի միջով անցնում է Երկրի տրամագծին հավասար հեռավորություն, արձագանքում է պրոտոնի կամ նեյտրոնի հետ:
Վերջապես, 1956 թվականին, ամերիկացի ֆիզիկոսների խումբը Ֆրեդերիկ Ռեյնսի գլխավորությամբ հայտարարեց էլեկտրոն-հակինեյտրինոյի հայտնաբերման մասին: Նրա փորձերի ժամանակ միջուկային ռեակտորից արտանետվող հականեյտրինոները փոխազդում էին պրոտոնների հետ՝ առաջացնելով նեյտրոններ և պոզիտրոններ։ Այս վերջին կողմնակի արտադրանքների եզակի (և հազվագյուտ) էներգիայի նշանները վկայում են մասնիկի գոյության մասին:
Լիցքավորված մյուոնային լեպտոնների հայտնաբերումը ելակետ դարձավ նեյտրինոյի երկրորդ տեսակի՝ մյուոնի հայտնաբերման համար: Նրանց նույնականացումն իրականացվել է 1962 թվականին՝ մասնիկների արագացուցիչի փորձարկման արդյունքների հիման վրա։ Բարձր էներգիայի մյուոնիկ նեյտրինոները արտադրվել են պի-մեզոնների քայքայման արդյունքում և ուղարկվել դետեկտոր այնպես, որ հնարավոր լինի ուսումնասիրել դրանց ռեակցիաները նյութի հետ։ Թեև դրանք ռեակտիվ չեն, ինչպես այս մասնիկների մյուս տեսակները, պարզվել է, որ հազվադեպ դեպքերում, երբ նրանք արձագանքում են պրոտոնների կամ նեյտրոնների հետ, մյուոն-նեյտրինները ձևավորում են մյուոններ, բայց ոչ երբեք էլեկտրոններ: 1998 թվականին ամերիկացի ֆիզիկոսներ Լեոն Լեդերմանը, Մելվին Շվարցը և Ջեք Շտայնբերգերըստացել է ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ մյուոն-նեյտրինոյի նույնականացման համար։
1970-ականների կեսերին նեյտրինո ֆիզիկան համալրվեց լիցքավորված լեպտոնների մեկ այլ տեսակով՝ տաուով: Պարզվեց, որ տաու նեյտրինոն և տաու հականեյտրինոն կապված են այս երրորդ լիցքավորված լեպտոնի հետ: 2000 թվականին Ազգային արագացուցիչ լաբորատորիայի ֆիզիկոսները. Էնրիկո Ֆերմին հաղորդել է այս տեսակի մասնիկի գոյության առաջին փորձարարական ապացույցը։
Զանգված
Նեյտրինոների բոլոր տեսակներն ունեն իրենց լիցքավորված նմանատիպերի զանգվածից շատ ավելի փոքր զանգված: Օրինակ, փորձերը ցույց են տալիս, որ էլեկտրոն-նեյտրինո զանգվածը պետք է լինի էլեկտրոնի զանգվածի 0,002%-ից փոքր, և որ երեք տեսակների զանգվածների գումարը պետք է լինի 0,48 էՎ-ից փոքր: Երկար տարիներ թվում էր, թե մասնիկի զանգվածը զրոյական է, թեև չկար որևէ համոզիչ տեսական ապացույց, թե ինչու դա այդպես պետք է լիներ: Այնուհետև, 2002 թվականին, Սադբերիի նեյտրինո աստղադիտարանը առաջին ուղղակի ապացույցն է տվել այն մասին, որ էլեկտրոն-նեյտրինոները, որոնք արտանետվում են միջուկային ռեակցիաներից Արեգակի միջուկում, փոխվում են նրա միջով ճանապարհորդելիս: Նեյտրինոների նման «տատանումները» հնարավոր են, եթե մեկ կամ մի քանի տեսակի մասնիկներ ունեն որոշակի փոքր զանգված։ Երկրի մթնոլորտում տիեզերական ճառագայթների փոխազդեցության նրանց ուսումնասիրությունները նույնպես ցույց են տալիս զանգվածի առկայությունը, սակայն այն ավելի ճշգրիտ որոշելու համար անհրաժեշտ են հետագա փորձեր։
Աղբյուրներ
Նեյտրինոների բնական աղբյուրները տարրերի ռադիոակտիվ քայքայումն են Երկրի աղիքներում, որոնցումարտանետվում է ցածր էներգիայի էլեկտրոն-հակինեյտրինոների մեծ հոսք: Գերնոր աստղերը նույնպես հիմնականում նեյտրինային երևույթ են, քանի որ միայն այս մասնիկները կարող են թափանցել փլուզվող աստղի մեջ արտադրվող գերխիտ նյութը. էներգիայի միայն մի փոքր մասն է վերածվում լույսի։ Հաշվարկները ցույց են տալիս, որ Արեգակի էներգիայի մոտ 2%-ը ջերմամիջուկային միաձուլման ռեակցիաներում առաջացած նեյտրինոների էներգիան է։ Հավանական է, որ տիեզերքի մութ նյութի մեծ մասը կազմված է նեյտրիններից, որոնք առաջացել են Մեծ պայթյունի ժամանակ։
Ֆիզիկայի հիմնախնդիրներ
Նեյտրինոների և աստղաֆիզիկայի հետ կապված ոլորտները բազմազան են և արագ զարգացող: Ընթացիկ հարցերը, որոնք գրավում են մեծ թվով փորձարարական և տեսական ջանքեր, հետևյալն են.
- Որքա՞ն են տարբեր նեյտրինոների զանգվածները:
- Ինչպե՞ս են դրանք ազդում Մեծ պայթյունի տիեզերագիտության վրա:
- Դրանք տատանվո՞ւմ են:
- Կարո՞ղ են մի տեսակի նեյտրինոները փոխակերպվել մյուսի, երբ նրանք ճանապարհորդում են նյութի և տարածության միջով:
- Նեյտրինոները հիմնովին տարբերվու՞մ են իրենց հակամասնիկներից:
- Ինչպե՞ս են աստղերը փլուզվում և գոյանում գերնոր աստղեր:
- Ո՞րն է նեյտրինոների դերը տիեզերագիտության մեջ:
Հատուկ հետաքրքրություն ներկայացնող երկարամյա խնդիրներից մեկը, այսպես կոչված, արևային նեյտրինոյի խնդիրն է: Այս անվանումը վերաբերում է այն փաստին, որ վերջին 30 տարիների ընթացքում իրականացված մի քանի ցամաքային փորձերի ընթացքում հետևողականորեն ավելի քիչ մասնիկներ են նկատվել, քան անհրաժեշտ է արևից արտանետվող էներգիա արտադրելու համար: Դրա հնարավոր լուծումներից մեկը տատանումն է, այսինքն՝ էլեկտրոնայինի փոխակերպումընեյտրինոները վերածվում են մյուոնների կամ տաուի՝ Երկիր ճանապարհորդելիս: Քանի որ շատ ավելի դժվար է չափել ցածր էներգիայի մյուոնը կամ տաու նեյտրինոն, այս տեսակի փոխակերպումը կարող է բացատրել, թե ինչու մենք չենք դիտում Երկրի վրա մասնիկների ճիշտ թիվը:
Չորրորդ Նոբելյան մրցանակ
Ֆիզիկայի ոլորտում 2015 թվականի Նոբելյան մրցանակը շնորհվել է Տակաակի Քաջիտան և Արթուր Մակդոնալդը՝ նեյտրինո զանգվածի հայտնաբերման համար։ Սա չորրորդ նման մրցանակն էր՝ կապված այս մասնիկների փորձարարական չափումների հետ։ Ոմանք կարող են մտածել, թե ինչու պետք է մեզ այդքան հոգ տանել մի բանի մասին, որը հազիվ է փոխազդում սովորական նյութի հետ:
Այն փաստը, որ մենք կարող ենք հայտնաբերել այս անցողիկ մասնիկները, վկայում է մարդկային հնարամտության մասին: Քանի որ քվանտային մեխանիկայի կանոնները հավանական են, մենք գիտենք, որ թեև գրեթե բոլոր նեյտրինոներն անցնում են Երկրի միջով, նրանցից ոմանք փոխազդում են նրա հետ: Բավականաչափ մեծ դետեկտոր՝ դա հայտնաբերելու համար։
Առաջին նման սարքը կառուցվել է վաթսունական թվականներին Հարավային Դակոտայի հանքավայրում: Հանքը լցվել է 400 հազար լիտր մաքրող հեղուկով։ Միջին հաշվով, ամեն օր նեյտրինոյի մեկ մասնիկ փոխազդում է քլորի ատոմի հետ՝ այն վերածելով արգոնի։ Անհավանական է, որ Ռայմոնդ Դևիսը, ով ղեկավարում էր դետեկտորը, հայտնաբերեց այս մի քանի արգոնի ատոմները հայտնաբերելու միջոց, և չորս տասնամյակ անց՝ 2002 թվականին, նա արժանացավ Նոբելյան մրցանակի այս զարմանալի տեխնիկական սխրանքի համար:
Նոր աստղագիտություն
Քանի որ նեյտրինոները շատ թույլ են փոխազդում, նրանք կարող են անցնել մեծ տարածություններ: Նրանք մեզ հնարավորություն են տալիս նայելու այն վայրերը, որոնք մենք այլապես երբեք չէինք տեսնի: Դևիսի հայտնաբերած նեյտրինոներն առաջացել են միջուկային ռեակցիաների արդյունքում, որոնք տեղի են ունեցել Արեգակի հենց կենտրոնում և կարողացել են փախչել այս անհավանական խիտ և տաք տեղից միայն այն պատճառով, որ դրանք գրեթե չեն փոխազդում այլ նյութերի հետ: Հնարավոր է նույնիսկ հայտնաբերել նեյտրինոն, որը թռչում է պայթող աստղի կենտրոնից Երկրից հարյուր հազար լուսային տարի հեռավորության վրա։
Բացի այդ, այս մասնիկները թույլ են տալիս դիտել տիեզերքը շատ փոքր մասշտաբով, շատ ավելի փոքր, քան այն, ինչ կարող է դիտարկել Ժնևի Մեծ հադրոնային կոլայդերը, որը հայտնաբերել է Հիգսի բոզոնը: Այդ իսկ պատճառով Նոբելյան կոմիտեն որոշեց Նոբելյան մրցանակ շնորհել նեյտրինոյի ևս մեկ տեսակի հայտնաբերման համար։
Խորհրդավոր անհետ կորած
Երբ Ռեյ Դևիսը դիտեց արևային նեյտրինոները, նա գտավ սպասված թվի միայն մեկ երրորդը: Ֆիզիկոսների մեծամասնությունը կարծում էր, որ դրա պատճառը Արեգակի աստղաֆիզիկայի վատ իմացությունն էր. հավանաբար աստղի ինտերիերի մոդելները գերագնահատում էին նրանում արտադրվող նեյտրինոների թիվը: Այնուամենայնիվ, տարիների ընթացքում, նույնիսկ երբ արևային մոդելները բարելավվեցին, պակասը պահպանվեց: Ֆիզիկոսները ուշադրություն դարձրին մեկ այլ հնարավորության վրա. խնդիրը կարող է կապված լինել այս մասնիկների մասին մեր ըմբռնման հետ: Ըստ այն ժամանակ տիրող տեսության՝ նրանք զանգված չեն ունեցել։ Բայց որոշ ֆիզիկոսներ պնդում են, որ մասնիկները իրականում ունեին անսահման փոքրզանգվածը, և այս զանգվածն էր նրանց պակասության պատճառը։
Եռադեմ մասնիկ
Ըստ նեյտրինոյի տատանումների տեսության՝ բնության մեջ կան երեք տարբեր տեսակի նեյտրինոներ։ Եթե մասնիկը զանգված ունի, ապա շարժվելիս այն կարող է փոխվել մի տեսակից մյուսը: Երեք տեսակ՝ էլեկտրոն, մյուոն և տաու, նյութի հետ փոխազդելիս կարող են վերածվել համապատասխան լիցքավորված մասնիկի (էլեկտրոն, մյուոն կամ տաու լեպտոն): «Տատանումը» առաջանում է քվանտային մեխանիկայի շնորհիվ։ Նեյտրինոյի տեսակը հաստատուն չէ։ Այն փոխվում է ժամանակի ընթացքում: Նեյտրինոն, որն իր գոյությունը սկսել է որպես էլեկտրոն, կարող է վերածվել մյուոնի, այնուհետև վերադառնալ: Այսպիսով, Արեգակի միջուկում ձևավորված մասնիկը Երկիր գնալիս կարող է պարբերաբար վերածվել մյուոն-նեյտրինոյի և հակառակը։ Քանի որ Դևիսի դետեկտորը կարող էր հայտնաբերել միայն էլեկտրոնային նեյտրինոները, որոնք կարող էին հանգեցնել քլորի միջուկային փոխակերպմանը արգոնի, հնարավոր էր թվում, որ բացակայող նեյտրինոները վերածվել էին այլ տեսակների: (Ինչպես պարզվում է, նեյտրինոները տատանվում են Արեգակի ներսում, այլ ոչ թե դեպի Երկիր ճանապարհին:)
Կանադական փորձ
Սա փորձարկելու միակ միջոցը դետեկտոր ստեղծելն էր, որը կաշխատի բոլոր երեք տեսակի նեյտրինոների համար: 1990-ականներից Արթուր Մակդոնալդը Queen's Ontario University-ից ղեկավարել է թիմը, որն արել է դա Օնտարիոյի Սադբերիի հանքավայրում: Հաստատությունը պարունակում էր տոննաներով ծանր ջուր Կանադայի կառավարության վարկով: Ծանր ջուրը հազվագյուտ, բայց բնականաբար հանդիպող ջրի ձև է, որտեղ ջրածինը պարունակում է մեկ պրոտոն,փոխարինվել է իր ավելի ծանր իզոտոպով դեյտերիումով, որը պարունակում է պրոտոն և նեյտրոն։ Կանադայի կառավարությունը ծանր ջուր կուտակեց, քանի որ այն օգտագործվում է որպես հովացուցիչ նյութ միջուկային ռեակտորներում: Նեյտրինոների բոլոր երեք տեսակները կարող էին ոչնչացնել դեյտերիումը` ձևավորելով պրոտոն և նեյտրոն, և նեյտրոնները հաշվվեցին: Դետեկտորը գրանցել է մոտ երեք անգամ ավելի շատ մասնիկների քանակ՝ համեմատած Դևիսի հետ, ճիշտ այն թիվը, որը կանխատեսել էին Արեգակի լավագույն մոդելները: Սա ենթադրում է, որ էլեկտրոն-նեյտրինոն կարող է տատանվել իր մյուս տեսակների մեջ:
ճապոնական փորձ
Մոտավորապես նույն ժամանակ Տոկիոյի համալսարանի Տակաակի Քաջիտան ևս մեկ ուշագրավ փորձ էր անում: Ճապոնիայի հանքավայրում տեղադրված դետեկտորը գրանցել է նեյտրինոներ, որոնք գալիս են ոչ թե Արեգակի աղիքներից, այլ մթնոլորտի վերին հատվածից։ Երբ տիեզերական ճառագայթների պրոտոնները բախվում են մթնոլորտին, առաջանում են այլ մասնիկների հեղեղներ, ներառյալ մյուոնային նեյտրինոները։ Հանքավայրում նրանք ջրածնի միջուկները վերածեցին մյուոնների։ Kajita դետեկտորը կարող էր տեսնել մասնիկներ, որոնք գալիս էին երկու ուղղությամբ: Ոմանք ընկել են վերեւից՝ գալով մթնոլորտից, իսկ մյուսները շարժվել են ներքեւից։ Մասնիկների թիվը տարբեր էր, ինչը ցույց էր տալիս դրանց տարբեր բնույթը՝ դրանք գտնվում էին իրենց տատանումների ցիկլերի տարբեր կետերում։
Հեղափոխություն գիտության մեջ
Այս ամենը էկզոտիկ է և զարմանալի, բայց ինչո՞ւ են տատանումները և նեյտրինո զանգվածներն այդքան մեծ ուշադրություն գրավում: Պատճառը պարզ է. Քսաներորդ դարի վերջին հիսուն տարիների ընթացքում մշակված մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելում.որը ճիշտ է նկարագրել արագացուցիչների և այլ փորձերի մյուս բոլոր դիտարկումները, նեյտրինոները պետք է լինեին առանց զանգվածի: Նեյտրինո զանգվածի հայտնաբերումը հուշում է, որ ինչ-որ բան բացակայում է: Ստանդարտ մոդելը ամբողջական չէ: Բացակայող տարրերը դեռևս պետք է հայտնաբերվեն՝ կա՛մ Մեծ հադրոնային բախիչի, կա՛մ մեկ այլ դեռևս չստեղծվող մեքենայի միջոցով:
