Neutrino

Skocz do: nawigacji, szukaj


Neutrino – cząstka elementarna, należąca do leptonów (fermionów o spinie 1/2). Ma zerowy ładunek elektryczny. Neutrina występują jako cząstki podstawowe w Modelu Standardowym. Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, że neutrina mają niewielką, bliską (ale nie równą) zeru masę spoczynkową. Powstają między innymi w wyniku rozpadu (beta plus), przykładowo:

Nazwa jest włoskim zdrobnieniem neutronu. Została zaproponowana przez włoskiego fizyka Enrico Fermiego[1].

Rodzaje neutrin

Istnieją 3 stany zapachowe neutrin:

  • neutrino elektronowe
  • neutrino mionowe
  • neutrino taonowe

Prawdopodobnie każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik (antyneutrino) w antymaterii. Antyneutrino elektronowe powstanie w trakcie rozpadu (beta minus), przykładowo:

lub

Neutrina, podczas propagacji w przestrzeni, mogą zmieniać swój rodzaj (zapach) – zjawisko to nazywane jest oscylacją neutrin.

Historia

Neutrina, jako cząstki bardzo słabo oddziałujące z materią, były trudne do bezpośredniego zarejestrowania. Ich istnienie najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego 1930 r. Pauli wyciągnął wniosek o istnieniu tej cząstki na podstawie analizy rozkładu energii elektronów powstających w rozpadzie beta. Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin nastąpiło dopiero w roku 1956 (Frederick Reines i Clyde Cowan).

Neutrino mionowe dawniej nazywano neutretto.

Oddziaływania neutrin

Neutrina nie oddziałują za pomocą oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. Oddziałują jedynie za pośrednictwem oddziaływań słabych (i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, że obiekt wielkości planety nie stanowi dla nich prawie żadnej przeszkody – przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócowy prostopadle do Słońca co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin[2].

Neutrina są wychwytywane przez jądro atomowe (przekrój czynny na ten proces jest bardzo mały), inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina wychwytuje się w gigantycznych basenach z destylowaną wodą (bądź innymi substancjami) umieszczonych głęboko pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.

Ostatnimi laty nastąpił olbrzymi rozwój fizyki neutrin dzięki takim eksperymentom jak KamLand, Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, DONUT i MINOS.

Problem masy neutrin

Wiadomo obecnie, że uważane kiedyś za cząstki bezmasowe, neutrina mają niezerową masę spoczynkową, chociaż dokładne masy neutrin nie są znane.

Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande[3] określono różnicę między zapachami neutrin na około 0,04 eV. Masa ta może być więc najniższą możliwą masą jednego z rodzajów (zapachów) neutrin (przy założeniu, iż drugi składnik ma niemierzalną masę). Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych (np. promieniowanie tła, ucieczkę galaktyk) na 0,28 eV.

W latach 2011-2015 prowadzony jest eksperyment KATRIN, który wykorzystując rozpad beta trytu, będzie w stanie ograniczyć górną granicę masy najcięższego neutrina do 200 meV (z dokładnością do 2 odchyleń standardowych).

Powstawanie neutrin w cyklu protonowym

Źródła neutrin

Głównym źródłem neutrin na Ziemi są oddziaływania promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery (powstające w ten sposób neutrina nazywamy atmosferycznymi). Neutrina emitowane są także przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne źródła kosmiczne. Ze źródeł sztucznych najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.

Doniesienia o przekroczeniu prędkości światła

Według badaczy pracujących w eksperymencie OPERA, polegającego na pomiarze prędkości wiązki neutrin wysyłanych do odległego o 730 km włoskiego laboratorium INFN Gran Sasso, cząstki te przekroczyły prędkość światła w próżni. Prędkość zmierzono ponad 15 000 razy, stwierdzając że była ona większa o 20 milionowych niż prędkość światła. Ustalono, że cząstki docierały do włoskiego laboratorium o 50-70 nanosekund szybciej, niż gdyby się poruszały z prędkością światła[4]. CERN ogłosiło 22 września 2011 roku apel do świata nauki o weryfikację ich odkrycia i ewentualne powtórzenie w drodze niezależnych eksperymentów, mających potwierdzić lub obalić te niezgodne ze szczególną teorią względności wyniki.

Wyniki tych niepotwierdzonych eksperymentów stały w sprzeczności z innymi znanymi danymi obserwacyjnymi. Na przykład neutrina powstałe w wybuchu supernowej SN 1987A dotarły na Ziemię trzy godziny wcześniej w stosunku do fotonów (co jest spowodowane tym, że neutrina wydostały się z eksplodującej gwiazdy wcześniej niż fotony). Gdyby neutrina poruszały się z prędkością większą od prędkości światła, a różnica w prędkości byłaby taka, jaką uzyskano w eksperymencie OPERA, to neutrina z tego wybuchu dotarłyby na Ziemię ponad cztery lata wcześniej zanim dotarłoby światło[5].

Po ogłoszeniu wyników eksperymentu wielu skrytykowało sposób jego przeprowadzenia[6], kilku z naukowców uczestniczących w eksperymencie odmówiło użycia ich nazwisk w ogłoszonych wynikach uważając, że opublikowana analiza danych jest przedwczesna[7], sugerowano różne możliwe błędy metodologiczne[8]. Ostatecznie wynik eksperymentu został wytłumaczony przez błędne podłączenie odbiornika GPS do komputera mierzącego czas przelotu cząstek[9].

Przypisy

  1. ↑ Symmetry, volume 8, issue 1, february 2011, ISSN 1931-8367
  2. ↑ New solar opacities, abundances, helioseismology, and neutrino fluxes
  3. ↑ Ann Finkbeiner: Looking for Neutrinos, Nature's Ghost Particles (ang.). Smithsonian magazine, 2020-10. [dostęp 2010-11-15].
  4. ↑ Przełomowe odkrycie w CERN otwiera możliwość podróży w czasie? (pol.). Wiadomości24. [dostęp 2012-02-22].
  5. ↑ Mariusz Błoński: Próby wyjaśnienia fenomenu neutrino szybszego od światła (pol.). kopalniawiedzy.pl. [dostęp 2011-10-18].
  6. ↑ Astronomy Without A Telescope – FTL Neutrinos (Or Not) (ang.). universetoday.com. [dostęp 2012-02-22].
  7. ↑ Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about (ang.). guardian.co.uk. [dostęp 2012-02-22].
  8. ↑ Times of Flight between a Source and a Detector observed from a GPS satelite (ang.). arXiv. [dostęp 2012-02-22].
  9. ↑ Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results (ang.). sciencemag.org, 2012-02-22. [dostęp 2012-02-22].

Zobacz też

  W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Fizyka neutrin
Zobacz hasło neutrino w Wikisłowniku

Linki zewnętrzne