Nobelova nagrada za fiziku - 2015. • Igor Ivanov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, fizika

Nobelova nagrada za fiziku – 2015

Nobelovu nagradu za fiziku 2015. godine: Arthur Bruce McDonald (Arthur Bruce McDonald) i Takaaki Kadzita (Takaaki Kajita). Foto © Lars Hagberg / Reuters i AFP

Nobelovu nagradu za fiziku je nagrađen Takaaki Kaji (Takaaki Kajita) u 2015. Arthur Macdonald (Arthur B. McDonald) – Čelnici dviju eksperimentalnih skupina, super Kamiokande i SNO, za proučavanje svojstava neutrina – najlakši, najtajanstveniji i nedostižan svih poznatih elementarnih čestica u , Njihova mjerenja na prijelazu stoljeća uvjerljivo su dokazala da neutrini, od kojih su tri vrste poznati, mogu oscilirati – spontano se pretvaraju u letu. Eksperimentalna demonstracija ove činjenice i mjerenje parametara oscilacije postavljaju fiziku neutrina od glave do pete i doveli su do brzog napretka u ovom području fizike.

dramatis personae

Fizički "Nobel" ove godine ima nekoliko glumaca. Prvo, to su objekti istraživanja – neutrino, najlakši i najtajnovitiji od svih poznatih čestica. Neutrini dolaze u tri vrste: elektronički (νe), muon (vμ) i tau neutrini (ντ), Ali samo tri od tih vrsta nisu izolirane, ali uvijek vole „prelijevanja” jedna u drugu u letu. Neutrini mogu biti rođeni u elektronskom inkarnaciji, ali leti kilometar i udaranje detektor, pojaviti tamo kao muon ili tau.To se zove "neutrino oscilacije" – fizički učinak, čiji je dokaz realnosti dodijeljen Nobelovu nagradu u fizici 2015.

Zato neutrini osciliraju. Određena vrsta neutrina, na primjer, elektron, nema fiksnu masu. To je superpozicija neutrino stanja s određenim, a opet različitim masama: ν1, ν2, ν3, Muon neutrino je također kvantna superpozicija istog ν1, ν2i ν3ali to samo drugo superpozicije. Rođeni u reakcijama s elementarnim česticama mogu neutrini određene sorte, a može se distribuirati u prostoru od strane određenog neutrina mase, Kad se rodi čisti elektron neutrino, njegove tri komponente mase vrlo su jasno sinkronizirane jedna s drugom. No, kako se kreće, taj se balans gubi, a čisti elektronski neutrini stječu određenu količinu "muonosti". Sve to je čisti kvantni učinak u cijeloj svojoj slavi, demonstracija kvantne mehanike na skali kilometra.

Gore opisana neravnoteža može se pojaviti samo ako tri stanja ν1, ν2i ν3 imaju različitu prostornu periodičnost, a time i različitu masu (Slika 1).Stoga, eksperimentalno promatranje oscilacija je dokaz da neutrini imaju mase i da su ove mase različite. Pa, mjerenje intenziteta oscilacija i njihova periodičnost omogućuju izdvajanje masenih razlika i parametara miješanja neutrina. Mikroskopska bit ovog fenomena slična je miješanju kvarkova, za koje su dodijelili nagradu za 2008. godinu. Ali samo u kvarkama, oscilacije se događaju na iznimno kratkim udaljenostima i zbog toga se ne mogu promatrati, a u neutrini, zbog svojih nezgrapno malih masa, na velikim kilometrima.

Sl. 1. Ilustracija transformacije klase muona u elektronski neutrino na letu, a zatim natrag u klasu muona. Slika iz fizike.com

Druga skupina glumaca je Sunce, Zemlja i njegova atmosfera, tj. Ona mjesta na kojima se rodaju neutrini. Postoji ogroman tok neutrina koji se emitiraju iz središta Sunca, od područja reakcija termonuklearne fuzije. Tu je i veliki tok neutrina rođenih u atmosferi kada je Zemlja bombardirana kozmičkim zračenjem. Oba strujanja dobro su mjerena u detektorima neutrina, a obje, krajem 20. stoljeća, snažno su se razlikovale od teorijskih predviđanja. Ove dvije neutrinske anomalije, solarne i atmosferske, potom su postale izvor neprestane glavobolje za fizičare.

Konačno, glavni glumci su dvije suradnje, Super-Kamiokande u Japanu i SNO (Sudbury Neutrino Observatory) u Kanadi, dvije ekipe eksperimentalnih fizičara koji prvi put pokazuju stvarnost oscilacija neutrina i elegantno su riješili zagonetke s neutrinom. Naglašavamo da je dodjelu nagrade voditeljima i inspiratorima tih skupina, Takaaki Kajita (Takaaki Kajita) i Arthur MacDonald (Arthur B. McDonald), priznanje Nobelovoj tradiciji; stvarna znanstvena zasluga, obilježena ovom nagradom, u potpunosti pripada suradnji.

Akcijska arena

Što se tiče znanstvene scene akcije – fizike neutrina u 90-ima, izgledalo je ovako. Neutrini su već bili poznati već pola stoljeća i postaju "prirodni" čestice fizičara. Čak su im dodijeljene i dvije Nobelove nagrade u fizici: 1988. godine za otkriće muonskih neutrina i 1995. godine za prvo otkriće neutrini, još uvijek elektronskog tipa (da, nemojte se iznenaditi, početno otkriće je zabilježilo Nobelovo povjerenstvo kasnije nego proširenje popisa neutrina) , Nekoliko godina kasnije, 2002. godine, dodijelit će treću nagradu (točnije, polovicu) za otkriće solarnih neutrina, od kojih je kasnije nastala solarna anomalija.

Međutim, sa teoretskog stajališta, situacija je pomalo dvosmislena. Možemo reći da su fizičari znali sve o "društvenim vezama" neutrina i ništa o njihovom "osobnom životu". S jedne strane, o reakcijama neutrina s drugim česticama – i oni se javljaju samo zbog slabe interakcije – fizičari su bili više ili manje svjesni. S druge strane, zahvaljujući ranijem radu teoretičara, fizičari su također bili svjesni da su neutrini u načelu! – može doživjeti oscilacije. Opisane su opće značajke ovog fenomena, no budući da nitko još nije promatrao oscilacije, niti masa neutrina ni parametri oscilacija nisu bili potpuno poznati. Međutim, kada su fizičari raspravljali o neutrinalnim anomalijama, uvijek su imali na umu mogućnost da se mogu objasniti oscilacijama s odgovarajućim parametrima. I iako su u to doba predložene druge mogućnosti objašnjenja, mnogi fizičari vjerovali su da je najvjerojatnije riječ o oscilacijama – sve što je bilo potrebno je dokazati eksperimentalno. Ali ovo je bila veza.

Djelujte jedan: problem s atmosferskim neutrinsima

Zemlja se stalno bombardiraju tokom kozmičkih zraka različitih energija, uglavnom protona (slika 2).Udaranje s jezgrama molekula visoko u atmosferi, oni stvaraju tokove sekundarnih čestica, uključujući pi-mesone. Ako pi-meson na putu nije zaglavljen u drugoj jezgri, onda se, zauzvrat, dijeli u muon i muon antineutrino. Zatim muon propada u elektron, muon neutrino i elektron antineutrino. Kao rezultat ovog lanca propadanja, neutrini dolaze do Zemlje u omjeru νμe = 2: 1. (Da bi se pojasnio: protok atmosferskih neutrina podrazumijeva ukupni protok neutrina i antineutrina).

Sl. 2. Rođenje muonskih i elektronskih neutrina u Zemljinoj atmosferi. Slika T. Kajita, 2006. Otkriće oscilacija neutrina

To je neznatno idealizirana situacija; ona pretpostavlja da muoni imaju vremena da se raspadnu prije sudara s Zemljom. To je tako za muone dovoljno niske energije, ispod 1 GeV. U višim energetskim muonima, propadanje je toliko sporo da imaju vremena doći do Zemlje i stupiti u interakciju s tim. Tada neće proizvesti paru neutrina, što znači da je omjer νμe u prosjeku će rasti još više. Međutim, od 1980-ih, eksperimenti su pokazali omjer znatno manje drago dijete – i to je bio tajnovitost.

Sl. 3. Flukovi neutrona elektrona i muona u funkciji zamaha mjereno eksperimentom Kamiokande 1991. godine. Crna crta – početna teorijska očekivanja, siva linija – verzija opisa, uzimajući u obzir oscilacije. Grafikoni iz članka K. S. Hirata i dr., 1992. Promatranje male atmosferske νμe omjer u Kamiokandeu

Godine 1983., eksperiment Kamiokande pokrenut je u Japanu, čiji je izvorni cilj traženje propadanja protona. Detektor je velika podzemna cisterna smještena u starom rudniku unutar planine i napunjena ultrapornom vodom. Unutarnji zidovi detektora potpuno su prekriveni osjetljivim fotomultiplerima koji snimaju svjetlosnu bljeskalicu iz nekog događaja unutar radne tvari. Dovoljno energičan neutrino elektronske ili muonske raznolikosti, koji se sudaraju s atomskom jezgrom, pretvara se u elektron ili muon, koji leti naprijed velikom brzinom i emitira svjetlost kroz Vavilov-Cherenkov efekt. Zbog toga detektor ne samo da detektira neutrino, nego određuje i vrstu, energiju i smjer dolaska – i to ga povoljno odlikuje od jednostavnijih eksperimenata akumulacije, koji jednostavno broje neutrina.Istina, ova metoda prijave djeluje samo na energijama iznad stotinu MeV, ali za atmosferske neutrino, dostizanje takvih energija nije problem.

Moram također reći da budući da je Zemlja transparentna prema neutrinu, mogu letjeti iz svuda, uključujući i s druge strane Zemlje, a ne samo iz atmosfere neposredno iznad detektora. Mjerenjem smjera dolaska neutrina, možete saznati gdje se rodio. Zato istraživači mogu graditi distribucije ne samo u smislu energije, već iu smislu kuteva dolaska neutrina.

Godine 1988., Kamiokande, već u moderniziranom obliku, izmjerio je tokove elektrona i muonskih neutrina i vidio da muon neutrini dolaze znatno manje nego što se očekivalo. Podaci su akumulirani još nekoliko godina, a 1991. godine točniji rezultati pokazali su da omjer νμe samo prosjeci (60 ± 8)% očekivanih. Atmosferska anomalija porasla je u punom rastu, ali ono što je bio njezin uzrok nije bilo jasno.

Jedna od objašnjenih varijanti je oscilacije zbog kojih se protok muonskih neutrina smanjuje na putu do detektora. Već je u članku iz 1992. prikazan grafikon koji dokazuje da takvo objašnjenje stvarno funkcionira (Slika 3).No, bilo je i drugih mogućnosti, poput nekih novih procesa koji su doveli do povećanja elektroničke komponente ili čak egzotičnijih mogućnosti. Stoga, za potpunu vjerodostojnost, nije bilo dovoljno ključnih dokaza da se oscilacije događaju.

Sredinom devedesetih, radni volumen detektora je dramatično povećao, a instalacija je dobila zvučni superprefix. To nam je omogućilo dramatično povećanje brzine registracije neutrina i smanjenje pogrešaka. Godine 1998., na konferenciji o fizici i astrofizici neutrina, Takaaki Kadzita, u ime suradnje, izradio je izvješće u kojem je predstavio nove podatke o Super-Kamiokandeu ne samo u smislu strujanja već iu njihovoj kutnoj distribuciji. Takvi su podaci bili prije, ali pogreška nije dopustila primijetiti nešto neobično. Iz izvještaja Takaake Kajite postalo je sasvim očito da mnogo manje muon neutrina dolaze s suprotne strane Zemlje nego odozgo (Slika 4).

Sl. 4. Klizite iz predstavljanja Takaqi Kajita s jasnim naznakama da neutrino oscilira. Slika od symmetrymagazine.org

Za elektronske neutrinacije ovaj uzorak nije bio promatran (sl.5). Ako nije bilo oscilacija, tokovi odozdo i odozgo bili bi približno jednaki. "Nestajanje" udaljenih muonskih neutrina znači da je na njihovom tisućljetnom putu prema detektoru značajan dio njih uspio pretvoriti u druge neutrino. Štoviše, čak je jasno koji od njih: to nisu elektronski neutrini, budući da njihov tok nije mnogo promijenio; pa su tau neutrini koji detektor nije pratio.

Sl. 5. Flukovi neutrona niskih i visokih energija elektrona i muona koji dolaze iz različitih smjerova. Kolo Θ broji od zenita; vrijednost cos Θ = 1 odgovara neutrinu, od vrha do dna, cos = -1 – odozdo prema gore, cos Θ = 0 – do horizonta. Plave pruge pokazuju očekivani tok uz pretpostavku da neutrini ne osciliraju, crveni histogram – protok koji uzima u obzir oscilacije. Raspored iz članka Neutrino oscilacije, pripremljene po nalogu Nobelovog odbora od strane Odjela za fiziku švedske akademije znanosti

Iste godine, suradnja objavljuje članak Dokazi o oscilaciji atmosferskih neutrina, u kojima se oscilacije prikazuju kao otvorene činjenice. Prve procjene razlike između masa neutrina i parametara oscilacije također su tamo dane. Nekoliko mjeseci kasnije, još dva detektora neutrina, Soudan-2 i MACRO, također su mjerili ovisnost fluida na kut zenita i potpuno potvrdili rezultat japanske skupine.Ono što su teoretičari dugo sanjali počeli su se suočavati s konturama stvarnosti, počelo je odgovarati našem svijetu. Pregled situacije iz 2000. godine može se naći u notu Neutrino, njegovoj masi i oscilacijama

Treba dodati da su svi ovi početni dokazi u prilog oscilacija neutrina dobiveni u "ekstincijskim eksperimentima". To su eksperimenti ove vrste, kada mjerimo tok, vidimo da je slabiji od očekivanog, a pretpostavljamo da su željeni neutrini pretvorili u drugu razinu. Za veću uvjerljivost, isti proces mora se vidjeti izravno, kroz "eksperiment na podrijetlu" neutrina. Takvi eksperimenti su također u tijeku, a njihovi su rezultati u skladu s eksperimentima izumiranja. Na CERN-u, na primjer, postoji posebna linija akceleratora koja "snima" snažnu zraku muon neutrina u smjeru talijanskog Gran Sasso laboratorija koji se nalazi 732 km. Instaliran u Italiji, detektor OPERA traži tau neutrino u ovom streamu. U pet godina rada, OPERA je već uhvatila pet tau neutrina, pa to konačno dokazuje stvarnost oscilacija koje su ranije pronađene.

Drugo: Solarna anomalija

Druga tajna fizike neutrina, koja je zahtijevala rješenje, odnosila se na solarne neutrone. Neutrini se rađaju u središtu sunca tijekom termonuklearne fuzije, prate one reakcije zbog kojih sunce sja. Zahvaljujući modernoj astrofizici, dobro znamo što bi se trebalo dogoditi u središtu sunca, što znači da možemo izračunati brzinu proizvodnje neutrina i njihov tok do Zemlje. Mjerenjem ovog protoka u eksperimentu (slika 6) moći ćemo prvi put gledati izravno u središte Sunca i provjeriti koliko dobro razumijemo njegovu strukturu i rad.

Sl. 6. Sunčev neutrinski tok, izražen u jedinicama solarnih neutrina, prema rezultatima Homestake eksperimenta. Crvena crtkana crta Prikazuje predviđanja modela solarnog standarda. Slika od lappweb.in2p3.fr

Eksperimenti o registraciji solarnih neutrina vode se od 1960-ih; Dio Nobelove nagrade za fiziku 2002. godine otišao je samo za ta promatranja. Budući da je energija solarnih neutrina mali, reda MeV i manje, detektor neutrina ne može odrediti svoj smjer, već bilježi samo broj događaja nuklearnih transformacija uzrokovanih neutrinsima.I ovdje, također, problem se odmah pojavio i postepeno se ojačao. Na primjer, pokus Homestake, koji je radio oko 25 godina, pokazao je da je, unatoč fluktuacijama, protok koji je zabilježio bio prosječno tri puta manji od onoga koji su predvidjeli astrofizici. Ovi podaci potvrđeni su tijekom 90-ih drugim eksperimentima, posebice Gallex i SAGE.

Pouzdanje da je detektor ispravno radio bio je toliko velik da su mnogi fizičari bili skloni misliti da astrofizička teorijska predviđanja ne uspiju negdje – prekomjerni procesi se događaju u središtu sunca. Međutim, astrofizičari su pročistili model i inzistirali na pouzdanosti predviđanja. Dakle, problem nije nestao i zahtijevao je objašnjenje.

Naravno, ovdje su i teoretičari dugo razmišljali o oscilacijama neutrina. Pretpostavljeno je da na putu iz solarne unutrašnjosti dio elektronskog neutrina pretvori u muon ili tau. A budući da su eksperimenti Homestake i GALLEX tipa, zahvaljujući svom uređaju, uhvatili samo elektronske neutrini, nedostaju im. Štoviše, u 1970. i 1980. godini, teoretičari su predvidjeli da bi propadanje neutrina u Suncu trebalo oscilirati malo drugačije nego u vakuumu (taj je fenomen zvao učinak Mikheev-Smirnov-Wolfenstein), što bi također moglo pomoći kod objašnjenja solarne anomalije ,

Da bi riješio problem solarnih neutrina, bilo je potrebno napraviti jednostavnu, naizgled stvar: izgraditi detektor koji bi mogao uhvatiti puni tok svih vrsta neutrina, kao i odvojeno, tok elektronskog neutrina. Tada će biti moguće osigurati da neutrini proizvedeni unutar Sunca ne nestanu, već jednostavno mijenjaju njihovu ocjenu. Ali zbog malenosti neutrino energije, ovo je bilo problematično: ne mogu se pretvoriti u muon ili tau lepton. Dakle, moramo ih potražiti nekako drugačije.

Super-Kamiokande detektor pokušao se nositi s ovim zadatkom pomoću elastičnog raspršivanja neutrina na elektronima atoma i registracijom povratka kojeg elektron prima. Takav je proces, u načelu, osjetljiv na neutrini svih tipova, ali zbog osobitosti slabe interakcije, elektronski neutrini daju joj velik doprinos. Stoga je osjetljivost na ukupni neutrino protjecaj bila slaba.

A ovdje odlučujuća riječ rekla je još jedan neutrino detektor, SNO. U njemu je, za razliku od Super-Kamiokande, koristila neobičnu, ali tešku vodu koja sadrži deuterij. Deuterijska jezgra – deuteron – je labavo spojeni sustav protona i neutrona.Od štrajka neutrina s energijom od nekoliko MeV, deuteron se može raspasti u proton i neutron: \ (\ nu + d \ to \ nu + p + n \). Takav proces, uzrokovan neutralnom komponentom slabe interakcije (nosač – Z-bozon), ima istu osjetljivost na sve tri vrste neutrina i lako se detektira zahvaćanjem neutrona deuterijevim jezgrama i emisijom gama zračenja. Osim toga, SNO može zasebno registrirati čisto elektronske neutrone dijeljenjem deuterona u dva protona, \ (\ nu_e + d \ to e + p + p \), koja se javlja zbog nabijene komponente slabih interakcija (nosač je W-boson).

Sl. 7. Elektroničke struje (vodoravno) i muon plus tau neutrini (vertikala) koji dolaze iz sunca. Siva traka – rezultat Super-Kamiókande, barovi u boji – Rezultati eksperimenta SNO, dobiveni na različite načine. Doted bend, – predviđanja solarnog modela. Legenda: CC je nabijen dio slabih interakcija, NC je neutralni dio, ES je elastično raspršenje elektrona. Raspored iz članka Neutrino oscilacije, pripremljene po nalogu Nobelovog odbora od strane Odjela za fiziku švedske akademije znanosti

SNO suradnja počela je prikupljati statistiku 1998., a kada se prikupilo dovoljno podataka,u dvije publikacije, 2001. i 2002., prezentirala je rezultate mjerenja ukupnog neutrinskog toka i njegove elektroničke komponente (vidi: Mjerenje brzine νe+dp+p+e Interakcije koje proizvodi 8B Solar Neutrino u Observatoriju Sudbury Neutrina i Izravni dokazi za Transformaciju Neutrino arome iz observatorija Sudbury Neutrina). I nekako je sve naglo pala na svoje mjesto. Ukupno neutrino protjecanje stvarno se podudara s onim što je predvidio solarni model. Elektronički dio je zapravo bio samo jedna trećina ovog potoka, u skladu s ranijim brojnim pokusima prošle generacije. Dakle, solarni neutrini nisu bili izgubljeni nigdje – jednostavno, budući da su bili rođeni u središtu Sunca u obliku elektronskih neutrina, zapravo su otišli na drugu vrstu neutrina na putu prema Zemlji.

Tri, u tijeku

Zatim su na prijelazu stoljeća provedeni drugi eksperimenti neutrina. I iako su fizičari dugo sumnjali da neutrini osciliraju, to je bio Super-Kamiokande i SNO koji su predstavljali nepobitne argumente – to je njihova znanstvena zasluga. Nakon njihovih rezultata u fizici neutrina, nekako se dogodila faza tranzicije: problemi koji su mučili sve nestali su, a oscilacije su postale činjenica, predmet eksperimentalnog istraživanja, a ne samo teorijsko razmišljanje.Fizika neutrina prošla je kroz fazu eksplozivnog rasta, a sada je to jedno od najaktivnijih područja fizike čestica. U njemu se redovito stvaraju nova otkrića, u svijetu se pokreću novi eksperimentalni objekti – detektori atmosferskih, kozmičkih, reaktorskih i neutronskih akceleratora – i tisuće teoretičara pokušavaju naći nova fizika u mjerenim neutrino parametrima.

Moguće je da će prije ili kasnije u takvoj potrazi pronaći neku teoriju koja će zamijeniti Standardni model, povezati nekoliko opažanja i omogućiti prirodan način objašnjavanja neutrinoških masa, oscilacija i tamne tvari te podrijetlo asimetrije između materije i antimaterije u naš svijet i ostale zagonetke. Činjenica da je sektor neutrina postao ključni igrač u ovom pretraživanju uglavnom je rezultat Super-Kamiokande i SNO.

izvori:
1) Super-Kamiokande suradnja. Dokazi za oscilaciju atmosferskih neutrina // Phys. Rev. Leti. V. 81. Objavljeno 24. kolovoza 1998. godine.
2) SNO suradnja. Mjerenje brzine νe+dp+p+e Interakcije koje proizvodi 8B Solarni neutrini u Observatoriju Sudbury Neutrina // Phys. Rev. Leti. V. 87. Objavljeno 25. srpnja 2001.
3) SNO suradnja. Izravni dokazi za transformaciju neutrinske arome iz observatorija Sudbury Neutrina // Phys. Rev. Leti. V. 89. Objavljeno 13. lipnja 2002.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

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