Nobel-díj a fizikában - 2015 • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elemekről" • Nobel-díjak, fizika

Nobel-díj a fizikában – 2015

Fizikai Nobel-díjat 2015-ben: Arthur Bruce McDonald (Arthur Bruce McDonald) és Takaaki Kadzita (Takaaki Kajita). Fotó © Lars Hagberg / Reuters és az AFP

Fizikai Nobel-díjat kapta Takaaki Kaji (Takaaki Kajita) 2015-ben és Arthur Macdonald (Arthur B. McDonald) – vezetői a két kísérleti csoport, Super-Kamiokande és a SNO, tulajdonságainak tanulmányozására neutrínók – a legkönnyebb, legrejtélyesebb és megfoghatatlan összes ismert elemi részecskék . A századfordulón tapasztalt mérések meggyőzően bizonyították, hogy a neutrínók, amelyek közül három típus ismeretes, oszcillálhatnak – spontán változnak egymáson. Ennek a ténynek a kísérleti bemutatása és az oszcillációs paraméterek mérése a neutrínófizikust a fejtől a lábujjaig határozza meg, és gyors fejlődést eredményezett ezen a fizikai területen.

főszereplők

Az év fizikai "Nobelének" több szereplője van. Először is ezek a tárgyak a tanulmány – a neutrínó, a legkönnyebb és legtitokzatosabb az összes ismert részecskék. A neutronok három fajtából állnak: elektronikus (ve), muon (vμ) és tau neutrínók (ντ), De csak három ilyen fajták nem izolált, de mindig szívesen „tovagyűrűző” egymásba menet közben. Neutrínók is született az elektronikus megtestesülése, de a repülő kilométer és üti a detektor, azok ott a müon vagy tau.Ez a "neutrínó oszcilláció" – a fizikai hatás, melynek igazolására a fizika Nobel-díját 2015-ben kapta meg.

Ezért indítanak a neutrínók. Egy bizonyos típusú neutrínó, például egy elektron, nem rendelkezik állandó tömeggel. Ez a neutrínó állapotok szuperpozíciója bizonyos, sőt különféle tömegekkel: ν1, ν2, ν3. A muon neutrínó ugyanazon kvantum szuperpozíciója is1, ν2és ν3de ez csak más szuperpozíció. Az elemi részecskékkel való reakció során született neutrínók lehetnek bizonyosak fajták, és térben elosztható egy bizonyos neutrínó a tömegek. Amikor egy tiszta neutron-elektron keletkezik, három tömegkomponense nagyon jól szinkronizálódik egymással. De ahogy mozog, ez a kiegyenlítés elveszik, és a tiszta neutrínó egy bizonyos mennyiségű "szentséget" kap. Mindez tiszta kvantumhatás minden dicsőségében, kvantummechanika demonstrációja egy kilométeres skálán.

A fent említett egyensúlyhiány csak akkor fordulhat elő, ha a három állapot ν1, ν2és ν3 különböző térbeli periodicitással rendelkeznek, és ezért különböző tömegűek (1.Ezért az oszcilláció kísérletes megfigyelése bizonyítja, hogy a neutrínók tömege van, és ezek a tömegek eltérőek. Nos, az oszcillációk intenzitásának mérése és gyakoriságuk lehetővé teszi a tömegkülönbségek és a neutrínó keverési paraméterek kivonását. Ennek a jelenségnek a mikroszkopikus lényege hasonló a kvarkok keveréséhez, amelyekért a 2008-as díjat adták. De csak a kvarkokban, az oszcillációk nagyon rövid távolságokon fordulnak elő, ezért megfigyelhetők, és a neutrínókban, õrülten kis tömegük miatt, nagy távolságra, kilométereken belül.

Ábra. 1. Illusztráció egy muon osztály átalakításáról egy elektron neutrínóra a repülésre, majd vissza egy muon osztályba. Kép a physicsworld.com-ról

A színészek második csoportja a Nap, a Föld és a légkör, vagyis azok a helyek, ahol a neutrínók születnek. A Nap középpontjától nagy mennyiségű neutrínó áramlik, a termonukleáris fúzió reakciókörülményeitől. A légkörben született neutrínók nagy áramlása is keletkezik, amikor a Földet a kozmikus sugárzás bombázza. Mindkét áramlást jól mérik a neutrínó detektorok, és mindkettő a 20. század végén erősen eltér az elméleti előrejelzésektől. Ez a két neutrínó anomáliája, a napsugárzás és az atmoszférikus, azután állandó fizikai gyulladásforrássá vált.

Végül a főszereplők két együttműködnek, a japán Super-Kamiokande és a SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Kanadában, két kísérleti fizikus csapata, akik először bizonyították a neutrínó oszcillációk valóságát, és elegánsan megoldották mind a neutrínó rejtvényeket. Hangsúlyozzuk, hogy a díj odaítélése a csoport vezetőinek és inspirálóinak, Takaaki Kajita (Takaaki Kajita) és Arthur MacDonald (Arthur B. McDonald), a Nobel hagyomány tiszteletére; a tényleges tudományos érdem, amelyet ez a díj jellemez, teljes mértékben az együttműködéshez tartozik.

Akció aréna

A cselekvés tudományos jelenete – a neutrínófizika a kilencvenes években – így nézett ki. A neutinók fél évszázadon keresztül ismertek, és a fizikusok számára elég "natív" részecskékké váltak. Még két fizikai Nobel-díjat is kaptak: 1988-ban a muon neutrínók felfedezésére és 1995-ben a neutrínók első felfedezésére, még mindig elektronikus típusúak (igen, ne lepődjék meg, a kezdeti felfedezést a Nobel-bizottság később, mint a neutrínók listájának bővítése) . Néhány évvel később, 2002-ben a harmadik díjat (pontosabban a felét) a napsemleges neutronok felfedezéséért adták el, amelyből később nőtt a napelem.

Elméleti szempontból azonban a helyzet kissé kétértelmű volt. Azt mondhatjuk, hogy a fizikusok mindent tudtak a neutrínók "társadalmi kapcsolatairól" és semmi "személyes életükről". Egyrészt a neutrínók más részecskékkel való reakciója – és csak a gyenge kölcsönhatás miatt fordulnak elő – a fizikusok többé-kevésbé tudatában voltak. Másrészt, a teoretikusok korai munkájának köszönhetően, a fizikusok is tudatában voltak annak, hogy a neutrínók elvben! – oszcillációkat tapasztalhatnak. A jelenség általános jellemzőit leírták, de mivel senki még nem figyelt meg rezgéseket, sem a neutrínó tömegek, sem az oszcillációs paraméterek nem ismertek teljesen. Amikor azonban a fizikusok megtárgyalták a neutrínó anomáliákat, mindig szem előtt tartották azt a lehetőséget, hogy megfelelő paraméterekkel oszcillációval magyarázhatók. És bár az évek során a magyarázat más lehetőségeit javasolták, sok fizikus úgy gondolta, hogy valószínűleg oszcillációról van szó – mindössze annyit kellett kísérletesen igazolni. De ez nehézség volt.

Az egyik: a légköri neutrínók problémája

A Földet folyamatosan bombázzák különböző energiák, főleg protonok kozmikus sugarai (2. ábra).A légkörben magas molekulákkal való ütközés során másodlagos részecskék, köztük pi-mezonok áramlását generálják. Ha az úton lévő pi-meson nem ragad meg egy másik magban, akkor viszont egy muonba és egy muon antineutrino-ba bomlik. Ezután a muon bomlik egy elektronba, egy muon neutrínóba és egy elektron antineutrino-ba. Ennek a láncolatnak a következtében a neutrínók elérik a Földet a νμe = 2: 1. (A tisztázás érdekében a légköri neutrínóáram teljes neutrínó és antineutrino áramlást jelent)

Ábra. 2. Muon és elektron neutrínusok születése a Föld légkörében. T. Kajita képe, 2006. A neutrínó oszcillációjának felfedezése

Ez egy kissé idealizált helyzet; azt feltételezi, hogy a muonoknak ideje felbomlani a Földvel való ütközés előtt. Ez olyan mértékű energiaigényű, 1 GeV alatt van. A magasabb energiájú muonokban a bomlás olyan lassú, hogy ideje elérni a Földet, és ott kölcsönhatásba lépni. Ezután nem termelnek neutrínópárt, ami azt jelenti, hogy a νμe átlagosan tovább növekszik. Az 1980-as évektől azonban a kísérletek kimutatták az arányt lényegesen kevesebb kedves kisasszony – és ez volt a rejtély.

Ábra. 3. Az elektron- és muon neutrínók áramlása a lendület függvényében, amelyet a Kamiokande-kísérlet 1991-ben mért. Fekete vonal – kezdeti elméleti elvárások, szürke vonal – a leírás változata, figyelembe véve az oszcillációkat. Grafikonok K. S. Hirata és mtsai, 1992. évi cikkéből. Kis atmoszférikus νμe arány Kamiokande-ban

1983-ban a Kamiokande-kísérlet Japánban indult, amelynek eredeti célja egy proton bomlása. Az érzékelő egy nagy földalatti ciszterna, amely egy régi bányában helyezkedik el a hegyen belül, és tele van az ultrapure vízzel. Az érzékelő belső falai teljesen érzékeny fotomultiplikátorokkal vannak lefedve, amelyek rögzítik a fény villanását a munkadarab belsejében lévő bizonyos eseményektől. Egy elektron vagy muon variáció eléggé energikus neutrínója, amely egy atommaggal ütközik, elektronba vagy muonba fordul, amely nagy sebességgel repül és fényt bocsát ki a Vavilov-Cherenkov-effektuson keresztül. Emiatt az érzékelő nem csak neutrínót észlel, hanem meghatározza az érkezés típusát, energiáját és irányát – ez pedig kedvezően különbözteti meg a egyszerűbb felhalmozási kísérletektől, amelyek egyszerűen számítottak a neutrínóknak.Igaz, ez a regisztrációs módszer csak több mint száz MeV energiával működik, de a légköri neutrínók esetében az ilyen energiák elérése nem jelent problémát.

Azt is meg kell mondanom, hogy mivel a Föld a neutrínók számára átlátható, mindenfelé bejuthatnak a Föld másik oldaláról, és nem csak a detektor felett levő légkörből. A neutrínó érkezésének mérésével megtudhatja, hol született. Ezért a kutatók nem csak az energiával, hanem a neutrínó érkezési szögével is megoszthatják a terjesztéseket.

1988-ban a Kamiokande már korszerűsített formában mérte meg az elektron- és muon neutrínók áramlását, és látta, hogy a muon neutrínók a vártnál lényegesen kevesebbet érkeztek. Az adatok több évig felhalmozódtak, 1991-ben pedig pontosabb eredmények azt mutatták, hogy a νμe csak az átlagok (60 ± 8)% -a várható. A légköri anomália teljes növekedést mutatott, de az okok nem voltak tiszták.

Az egyik magyarázó változat az oszcilláció, amelynek következtében a muon neutrínók áramlása az érzékelő felé vezető úton gyengül. Már az 1992-es cikkben egy grafikon áll rendelkezésre, amely igazolja, hogy egy ilyen magyarázat valóban működik (3.De vannak más lehetőségek is, például olyan új folyamatok, amelyek az elektronikus komponens növeléséhez vagy még egzotikusabb lehetőségekhez vezetnek. Ezért a teljes hitelesség érdekében nem volt elegendő bizonyíték arra, hogy az oszcilláció bekövetkezne.

Az 1990-es évek közepén drámai mértékben megnőtt az érzékelő munkamérete, és a telepítés hangos szuper előtagot kapott. Ez lehetővé tette számunkra, hogy drasztikusan növeljék a neutrínók regisztrációját és csökkentsék a hibákat. 1998-ban a neutrínó fizikájával és asztrofizikájával foglalkozó konferencián Takaka Kadzita az együttműködés nevében jelentést készített, amelyben új adatokat szolgáltatott a Super-Kamiokande-ról, nem csak az áramlásokról, hanem a szögeltérésükről is. Az ilyen adatok már korábban voltak, de a hiba nem engedett észre semmit szokatlanul. Takaaki Kajita jelentése alapján nyilvánvalóvá vált, hogy sokkal kevesebb muon neutrínó érkezik a Föld ellenkező oldaláról, mint felülről (4.

Ábra. 4. Csúsztassa ki a Takaqi Kajita bemutatását, világosan jelezve, hogy a neutrínó oszcillál. A symmetrymagazine.org nevű kép

Az elektron neutrínók esetében ezt a mintát nem figyelték meg (3.5). Ha nem volt rezgés, az alulról felfelé és a felülről érkező fluxusok megközelítőleg egyenlőek lennének. A távoli muon neutrínók "eltűnése" azt jelenti, hogy az érzékelőjüknek ezer kilométeres pályáján jelentős részük más neutrínókká alakult. Ráadásul még világos, hogy melyik közülük: ezek nem elektronikus neutrínók, mivel azok áramlása nem változott sokat; így ezek a tau neutrínók, amelyeket az érzékelő nem követett.

Ábra. 5. Az alacsony és nagy energiájú elektronok és a muon neutrínók különböző irányú áramlása. Az Θ szög a zenitől számít; a cos Θ = 1 értéke megfelel a neutrínónak, amely felülről lefelé, cos = -1 – az alulról felfelé, cos Θ = 0 – a horizontig. Kék csíkok mutatják a várható fluxust, feltéve, hogy a neutrínók nem ingadoznak, piros hisztogram – áramlás, figyelembe véve a rezgéseket. A Nobel-bizottság által a Svéd Tudományos Akadémia Fizikai Osztálya által készített Neutrino oszcillációk

Ugyanebben az évben az együttműködés közzéteszi az Atmospheric Neutrinos Oscillation bizonyítékát, amelyben az oszcilláció nyílt tényként szerepel. A neutrínó tömegek és az oszcillációs paraméterek közötti különbség első becslései is ott vannak. Néhány hónappal később két másik neutrínás detektor, a Soudan-2 és a MACRO szintén mérte a fluxusok függését a zenitszögtől, és teljes mértékben megerősítette a japán csoport eredményét.Amit a teoretikusok már régóta álmodtak, kezdett elvenni a valóság körvonalait, kezdett megfelelni világunknak. A 2000-es helyzetről szóló áttekintés a Neutrino jegyzetben, annak tömegében és oszcillációjában található

Hozzá kell tenni, hogy mindezen kezdeti bizonyítékokat a neutrínó oszcilláció javára "extinciós kísérletekben" kaptuk. Ezek az ilyen típusú kísérletek, amikor mérjük az áramlást, látjuk, hogy a vártnál gyengébb, és azt hisszük, hogy a kívánt neutrínók más fokozatba kerültek. A nagyobb meggyőződés érdekében ugyanazt a folyamatot kell szemlélni közvetlenül a neutrínók "kísérletezésénél". Ezek a kísérletek most is folyamatban vannak, és eredményeik összhangban vannak a kihalási kísérletekkel. Például a CERN-ben van egy speciális gyorsító vonal, amely a muon-neutrínók erőteljes gerjesztését irányítja a 732 km-re lévő olasz Gran Sasso labor irányába. Telepítve Olaszországban az OPERA detektor keres egy tau neutrínót ebben a folyamatban. A működés öt évében az OPERA már öt tau neutrínót is fogott, így ez végül bizonyítja a korábban kimutatott oszcillációk valóságát.

Második törvény: Solar Anomaly

A második rejtély neutrínó fizika, hogy a szükséges engedélyek kapcsolatos napenergia neutrínók. A neutrínók keletkeznek a központ a nap folyamán a fúzió kísérik azokat a reakciókat, amelyekkel süt a nap. Hála a modern asztrofizika, tudjuk, mit kell történnie a közepén a Nap, ami azt jelenti, hogy ki tudja számítani a termelés ütemének vannak neutrínók és azok áramlását, a földre esett. Mérésével az áramlás a kísérletben (6.), Így képesek leszünk az első alkalom, hogy nézzen közvetlenül a központban, a Sun és a teszt milyen jól megértjük annak felépítését és működését.

Ábra. 6. A fluxus napenergia neutrínók kifejezve napenergia neutrínó egységek, az eredmények a Homestake kísérlet. Piros pontozott vonal Megmutatja a napkollektoros modell előrejelzéseit. A fényképek a helyszínen lappweb.in2p3.fr

napenergia neutrínó kísérletekhez, mivel az 1960-as években; része a Nobel-díjat 2002-ben csak kevéssel ment fölé felügyelet. Mivel az energia napenergia neutrínók kicsi, nagyságrendileg MeV kevesebb neutrínó detektor nem érzékeli az irányt, de csak akkor rögzíti az események számát a nukleáris átalakulások okozta neutrínók.És itt is a probléma azonnal felmerült és fokozatosan erősebbé vált. Például a mintegy 25 évig tartó Homestake-kísérlet azt mutatta, hogy az ingadozások ellenére az általa rögzített áramlás átlagosan háromszor kisebb az asztrofizikusok által előrejelzett értéknél. Ezeket az adatokat a kilencvenes években megerősítették más kísérletek, különösen a Gallex és a SAGE.

Az a bizalom, hogy az érzékelő helyesen működött, olyan nagy volt, hogy sok fizikus hajlamos volt arra gondolni, hogy az asztrofizikai elméleti előrejelzések valahol elbuknak – túlságosan bonyolult folyamatok fordulnak elő a nap közepén. Az asztrofizikusok azonban finomították a modellt, és ragaszkodtak a jóslatok megbízhatóságához. Így a probléma nem tűnt el, és magyarázatot kért.

Természetesen itt is a teoretikusok már régóta gondolkodtak a neutrínó rezgéseiről. Feltételezték, hogy a napelem belsejéből az elektron neutrínók egy része muon vagy tau alakul át. És mivel a Homestake és a GALLEX-típus kísérletei, az eszközüknek köszönhetően, csak elektron neutrínókat kapnak, ezek hiányoznak. Ráadásul az 1970-es és 1980-as években a teoretikusok azt jósolták, hogy a Nap belsejében elterjedt neutrínónak kissé másnak kell lennie, mint vákuumban (ezt a jelenséget Mikheev-Smirnov-Wolfenstein-effektusnak nevezik), ami szintén segíthet a napelem anomáliájának magyarázatával .

A napsemleges neutrínók problémájának megoldásához egy egyszerű, látszólag fontos dolgot kellett készíteni: egy olyan detektor létrehozása, amely képes elkapni minden típusú neutrínó teljes áramlását, valamint külön-külön az elektron neutrínók áramlását. Ezután meg lehet győződni arról, hogy a Nap belsejében termelt neutrínók nem tűnnek el, hanem egyszerűen megváltoztatják a besorolásukat. De a neutrínó energiájának kicsi volta miatt ez problémás volt: nem alakulhatnak át muonok vagy tau leptonok. Tehát meg kell keresnünk őket valahogy másképp.

A Super-Kamiokande detektor megpróbálta megbirkózni ezzel a feladattal a neutrínok elasztikus szórásával az atom elektronjaiban, és regisztrálta az elektron visszajutását. Ez a folyamat elvileg érzékeny minden típusú neutrínóznak, de a gyenge kölcsönhatás sajátosságai miatt az elektron neutrínók nagymértékben hozzájárulnak ehhez. Ezért a teljes neutrínóáram érzékenysége gyenge volt.

És itt a döntő szó egy másik neutrínó detektor, SNO. Ebben a Super-Kamiokande-tól eltérően nem deutériumot tartalmazó, de nehéz vizet használt. A deutériummag – deuteron – laza kapcsolású proton- és neutronrendszer.Egy több MeV energiával rendelkező neutrínó-sztrájkból a deuteron proton és neutron széteshet: \ (\ nu + d \ to \ nu + p + n \). A gyenge kölcsönhatás (hordozó – Z-bozon) semleges összetevője által okozott ilyen folyamat ugyanolyan érzékenységet mutat mindhárom típus neutrínóinak, és könnyen detektálható a deutériummagok és a gamma-sugárzás kibocsátásával végzett neutron befogás révén. Ezenkívül az SNO külön-külön regisztrálhat tisztán elektron neutrínokat, ha a deuteron két protonra osztódik, a \ (\ nu_e + d \ e + p + p \), ami a gyenge kölcsönhatások (hordozó – W-bozon) feltöltött összetevője miatt következik be.

Ábra. 7. Elektronikus áramok (vízszintesen) és a muon plus tau neutrínók (függőleges) a napból. Szürke szalag – a Super-Kamiókande, színes rudak – Az SNO kísérlet eredményei, különböző módon. Pontozott zenekar, – a szoláris modell előrejelzései. Jelmagyarázat: A CC a gyenge kölcsönhatások töltött része, az NC a semleges rész, az ES elektronok elasztikus szóródása. A Nobel-bizottság által a Svéd Tudományos Akadémia Fizikai Osztálya által készített Neutrino oszcillációk

Az SNO együttműködés 1998-ban kezdte meg a statisztikák gyűjtését, és amikor elegendő adat gyűlt össze,két kiadványban, 2001-ben és 2002-ben bemutatta a teljes neutrínóáramlás és annak elektronikai összetevőinek mérési eredményeit (lásd: νe+dp+p+e Interakciók által készített 8B Solar Neutrino a Sudbury Neutrino Obszervatóriumban és közvetlen bizonyíték a Neutrino Neutrino Obszervatórium Neutrin Flavor Transformációjára). És valahogy minden hirtelen helyére került. A teljes neutrínóáram valóban egybeesett azzal, amit a szoláris modell előre jelzett. Az elektronikus rész valójában csak egyharmada volt ennek a pataknak, összhangban a korábbi generációk számtalan kísérletével. Így a nap neutrínók nem vesztek el bárhol – egyszerűen, mivel a Nap közepén születettek elektronikus neutrínók formájában, valójában egy másikfajta neutrínóba mentek a Föld felé vezető úton.

A harmadik törvény, folyamatban van

Ezután a század fordulóján további neutrínói kísérleteket végeztünk. És bár a fizikusok régóta gyanították, hogy a neutrínók oszcillálnak, a Super-Kamiokande és az SNO olyan vitathatatlan érveket mutatott be – ez a tudományos érdem. A neutrínó-fizikában elért eredmények után valahogy történt valamiféle fázisátalakulás: a problémák mindannyiukkal eltorzultak, és a rezgések tényt, kísérleti kutatás tárgyát képezték, és nem csak elméleti érvelést.A neutronfizika a robbanásszerű növekedés szakaszán halad át, és most a részecskefizika egyik legaktívabb területe. Új felfedezéseket rendszerint csinálnak benne, új kísérleti létesítményeket indítanak el világszerte – a légköri, kozmikus, reaktoros, gyorsító neutrínók detektorai – és ezrei teoretikusok próbálnak megtalálni az új fizikát a mért neutrínó paraméterekben.

Előfordulhat, hogy előbb-utóbb lehetséges egy olyan elmélet, amely a Standard Modell helyébe lép, összeköti több megfigyelést, és lehetővé teszi a neutrínó tömegek és oszcillációk, a sötét anyagok és az anyag és az antimatter aszimmetria eredetének magyarázatát. a mi világunk, és más rejtvények. Az a tény, hogy a neutrínó szektor kulcsszerepet játszott ebben a kutatásban, nagyrészt a Super-Kamiokande és az SNO miatt következett be.

forrás:
1) Super-Kamiokande Együttműködés. Bizonyítékok a légköri neutrinok oszcillációjához // Phys. Rev. Lett. V. 81. Megjelent 1998. augusztus 24..
2) SNO Együttműködés. A νe+dp+p+e Interakciók által készített 8B A Solar Neutrinos a Sudbury Neutrino Obszervatóriumban // Phys. Rev. Lett. V. 87. Megjelent 2001. július 25.
3) SNO Együttműködés. Közvetlen bizonyíték a neutrínó ízes átalakulásra a Sudbury Neutrino Obszervatóriumban // Phys. Rev. Lett. V. 89. Megjelent 2002. június 13.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: