Неутринна астрофизика

[nik1]

НЕУТРИННА АСТРОФИЗИКА

Георги Иванов*

1. НЕУТРИНО

При явлението β-разпадане, което е известно при изучаване на естествената радиоактивност, от ядрото се появява електрон или позитрон. Било установено, че при β-разпадане от еднакви ядра излитат електрони с различни енергии, които образуват непрекъснат спектър от енергии. Най-голямата енергия на електроните била равна на енергията на дъщерното ядро, а минималната - на енергията на покой на електрона. Тези експериментални факти можели да бъдат интерпретирани като нарушение на закона за запазване на енергията, който е основен закон във физиката. Изходът от този парадокс изглеждал разрешим, ако се предположело, че от ядрото излита още някаква частица, която не се регистрира от уредите, която отнася част от енергията при разпадане на атомното ядро. Такава хипотеза изказва през 1931 г. известният физик-теоретик Волфгаг Паули. Тя изглеждала толкова невероятна, че той дори не я публикувал.
Ядрото се състои от Z протона и A-Z неутрона. А се нарича масово число и е приблизително равно на масата на ядрото, т.е. на сумата от масите на протоните и неутроните, а Z е сумарният заряд на ядрото, цяло число от елементарния заряд на електрона или протона. Ако атомното ядро не съдържа електрони, то не може да изпуска само един електрон при β-разпад, без да променя принадлежността си към фермионите (частици с полуцял спин, които се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак, например електроните, протоните и неутроните) или бозоните (частици с цял спин, които се подчиняват на статистиката на Бозе-Айнщайн, например фотоните). Правилото за събиране на спиновете е: от четно число фермиони се получава бозон, а от нечетно число фермиони - фермион. Ядрото се състои от А фермиона (масовото число) и Z протона. и Ядрото може да има цял (бозон) или полуцял спин (фермион). Правилото за събиране на спиновете е: от четно число фермиони (т.е. броят на протоните и неутроните) се получава бозон, а от нечетно число фермиони - фермион. Ядрото може да има цял спин (бозон) или полуцял спин (фермион). Обаче при β-разпадането масовото число А не се променя, а само то определя дали ядрото е бозон или фермион, т.е. спинът на ядрото не се е променил. Само ако хипотетичната частица, наречена неутрино, е фермион, е възможно при β-разпадането да се отделят два фермиона (електронът и неутриното). По правилото за събиране на спиновете масовото число на ядрото не се променя. Само хипотезата за неутриното може да обясни двата експериментални факта: запазване на масовото число А при β-разпадането и закона за запазването на енергията, който е валиден при всички природни процеси. Хипотезата на Паули дава теоретично решение на двата парадокса, ако при βразпадането се отделят две частици - електрон и друга неизвестна частица. Оставал неясен въпросът къде в ядрото е разположена тази частица. Отговор на този въпрос дава теорията на Енрико Ферми за βразпадането след откриването на неутрона през 1934 г., според която един от неутроните на ядрото се превръща в протон като изпуска още две частици - електрон и антинеутрино:

n → p + e- + ν

Според теорията на Ферми в изходното ядро неутриното не съществува самостоятелно, а е продукт от β-разпадането. Тази теория е била първото потвърждение на хипотезата на Паули, но не e била достатъчна, за да се признае откриването на неутриното. Първите експериментални опити за откриване на неутриното били неуспешни. Горната граница в спектъра на електроните, изпуснати при β-разпадането съвпадала (в границите на точността на измерванията) с отделената от ядрото енергия, което води до извода, че масата на неутриното е приблизително равна на нула. Ферми определя β-разпадането като процес на превръщане на един нуклон в друг с пораждане на две частици със спин h/2. Този процес е предизвикан от т. нар. слабо взаимодействие и се осъществява с една от следните реакции:

n → p + e- + ν

p → n + e+ + ν, (1)

където n и p са символите на неутрона и позитрона, e- - на електрона и e + - на позитрона . Неутриното може да бъде два вида: неутрино (ν) и ν - антинеутрино . По какво се различава неутриното от антинеутриното? Те се различават по лептонното число (лептонен означава лек), което за неутриното е L = 1, а за антинеутриното L = -1. Същите лептонни числа се преписват на електрона (L = 1) и на позитрона (L = -1). Според закона за запазване на лептонното число едновременно се раждат електрона и антинеутриното или позитрона и неутриното. Той е подобен на закона за запазване на барионното число (барионен означава тежък). Протонът е тежък (В = 1), антипротонът е също тежък, но с отрицателен барионен заряд (В = -1), електронът е лек (В = 0) и т.н. В двете записани по-горе реакции отляво и отдясно В = 1, а L = 0; освен това и зарядът от двете страни е еднакъв.

Първата реакция предполага разпадане на един от нуклоните в ядрото. Втората не може да се извършва извън ядрото, тъй като протонът е по-лек от неутрона с 2,5 електронни маси, поради което е устойчив. Неутронът е неустойчив с експериментално установено средно време на живот 15,5 min., поради което първата реакция може да се осъществява и извън ядрото на атома. През 1934 г. Ханс Бете и Рудолф Пиърс доказват, че ако съществува неутриното, то е практически неуловимо. Например, за да се регистрира едно неутрино е необходим воден стълб с дебелина 1000 светлинни години. Най-близката звезда е на разстояние 4,3 св. г. Поради ниската вероятност за взаимодействие на неутриното с веществото, огромният поток от неутрино, излъчван от Слънцето, преминава безпрепятствено през Земята. Вероятността за взаимодействие на неутриното с други елементарни частици се оказва много малка. Неутрино с енергия 3-10 MeV трябвало да премине разстояние 1000 св. г. във вещество с плътността на водата, за да се осъществи едно взаимодействие. Регистрацията на такова събитие е много трудна. За откриването на неутриното най-важни са реакциите:

ν + p → n + e+

ν + n → p + e- , (2)

които са предсказани теоретично и са известни като обратно βразпадане. Първата от последните две реакции е доказана експериментално от Райнс и Коуен през 1956 г. Антинеутриното от реактор на протони е реагирало с воден разтвор от CdCl2. Регистрирани са и двата продукта от първата реакция - позитрона и неутрона. Позитронът почти мигновено е анихилирал с електроните на разтвора, като е давалпървата сцинтилация, която се регистрира от детектор. Неутронът се е разсейвал от Н, като се е забавял в продължение на 5-10 µs, след което се е захващал от ядрото на Cd.  Възбуденото ядро на Cd излъчва γ-квант с енергия 3-10 MeV, който се регистрира като втора сцинтилация от детектора.

 

2. СЛЪНЧЕВО НЕУТРИНО

При температурата в централната област на една звезда се определя с уравнението:

Tc = 14.106 M/R

където M и R са съответно масата и радиусът на звездата в слънчеви единици. При температура в центъра на Слънцето 14.106 K в една област от около 1/3 от радиуса на Слънцето протича p-p цикъл

p + p → 2 D + e+ + ν (3)

Неутриното ν е елементарна частица без електричен заряд и маса около 10-5 от масата на електрона или mν =10-5mе.

Втората част от p-p цикъла в:

2D + p → 3 He + foton (4)

Крайната реакция е:

3He + 3 He → 4 He +p + p (5)

Отделеното при реакциите (3) ÷ (5) неутрино се нарича р-р неутрино.

Възможна е и друга верига на p-p цикъл:

3He + 4 He → 7 Be + foton,

7Be + e+ → 7 Li + ν.

Отделеното при тази реакция неутрино се нарича берилиево. При реакцията

8B → 8 Be + e+ + ν (6)

се отделя т. нар. борно неутрино. Веригата от реакции (3) ÷ (5) дава енергия, която осигурява около 83% от слънчевата светимост, а (6) ÷ (7) около 15% или общо 98%. Останалите два процента се осигуряват от въглеродо-азотния цикъл (CNO):

12C + p → 13N + e+ + γ

13N → 13C + e+ + ν

13C + p → 14N + γ

14N + p → 15O + γ (7)

15O → 15N + e+ + ν

15N + p → 12C + 4 He.

За CNO-цикъла 12C е т. нар. ядрен катализатор, защото се възстановява при последната реакция. Гама-квантите от термоядрената реакция се разпространяват от ядрото към фотосферата (наблюдаемия слой от Слънцето) чрез лъчиста дифузия, като всеки фотон се поглъща и преизлъчва от йоните вътре в Слънцето или разсейва от свободните електрони. Моделът за вътрешния строеж на Слънцето се базира на три основни физични закона: хидростатично равновесие, термодинамично равновесие и закона за пренос на енергията. Преносът на енергията от ядрото към фотосферата може да бъде лъчист или конвективен. От тези основни закони следва, че температурата в ядрото на Слънцето е Tс = 15.106 K, налягането е Pс =3,4.1011 atm и плътността е ρ = 150 000 kg/m3 . При тези физически условия най-вероятна е термоядрената реакция наречена р-р цикъл. Потокът от неутрино се определя с уравнението:

Nν = 2LΧ/∆ε

където ∆ε е енергоотделянето при еднократно протичане на р-р цикъл, т.е. за образуването на едно хелиево ядро от четири протона. До Земята достига поток

Fν = Nν/4πao 2 = 10 15 m 2 /s,

където ao = 1 Ua е астрономическата единица за дължина. Поради слабото си взаимодействие с веществото неутриното преминава през Земята без почти никакво взаимодействие. С малка вероятност неутриното взаимодействува с веществото, като се осъществява една от реакциите (1).

Звездите с маса по-голяма от тази на Слънцето имат температури Tс = 16.106 K, при която протича CNO-цикъл. Енергиите на неутриното, получено от различните вериги на термоядрената реакция, силно се различават една от друга. Например, р-р неутриното има максимална енергия 0,42 MeV, докато берилиевото - 0,86 MeV. Борното неутрино има широк спектър от енергии: 0 ÷ 14 MeV. Американският физик Раймонд Дейвис построява първия детектор за регистрация на слънчевите неутрина. Той се счита за основател на неутринната астрофизика. Започва първите опити за регистрация на неутриното в Националната лаборатория Брукхейвън в близост до Ню Йорк през 1948 г. Неговият детектор е представлявал варел с вместимост 250 l, напълнен с въглероден тетрахлорид CCl4 (перилен препарат). На ръчна количка той отнася своя подвижен детектор на една ливада, която се намира на около 500 m от ядрения реактор. След като решава, че достатъчно количество неутрино от ядрения реактор е облъчило течността, той я отнася в специална барака, оборудвана като химическа лаборатория, за да установи дали в течността не се е появил очаквания химичен елемент аргон вследствие на облъчването на CCl4 с неутрино, което се предполагало, че се отделя в голямо количество от намиращия се в съседство ядрен реактор. Дейвис предполага протичането на следната ядрена реакция в неговия самоделен детектор.

37Cl + ν → 37Ar + e- (8)

където 37Ar е изотоп на аргона и може да се отдели от въглеродния тетрахлорид чрез химичен анализ. Този експеримент бележи началото на серия от неуспешни опити за откриване на неутриното като елементарна частица и е известен в науката като хлор-аргонен метод. Регистрацията на неутриното се оказва една от най-трудните експериментални задачи във физиката. Вторият си опит за регистрацията на неутриното Дейвис провежда през 1954 г., като увеличава обема на течността на 450 l и я поставя на дълбочина 6 m под земята, за да екранира мюоните от космическия фон. След това увеличава дълбочината на 20 m., но не открива нито един атом аргон. През 1956 г. повтаря опита с два резервоара с по 2270 l, но резултатът отново е нулев. През същата година Ф. Рейнс и К. Коуен експериментално регистрират антинеутриното при обратното β-разпадане, изразени с първата реакция от (2). Те използват друга експериментална идея - взаимодействието на антинеутриното с протона от воден разтвор на кадмиев хлорид, при което протича реакцията (2). Следва анихилация:

е - + e+ → foton + foton

при която се излъчват два фотона в обратна посока. Фотоните се регистрират от брояч на гама-фотони. Този опит е признат като откритие на теоретично предсказаното неутрино.

През 1995 г. на единия от откривателите Фредерик Рейнс е присъдена Нобеловата награда за физика, която той разделя с Рудолф Пайерлс за откритието на тау-лептона. Ентусиазиран от откритието на своите колеги Дейвис пренася резервоар от 4540 l във варовикова мина на 700 m дълбочина, за да екранира мюоните с високи енергии от космичните лъчи, но и този път опита е неуспешен. Едва през 1958 г. се появяват теоретични разработки, които дават обяснение на нулевите резултати от експериментите на Дейвис. Слънчевата светимост почти изцяло се получава от фотоните, образувани в р-р цикъл, при който се отделят 98% от общия поток слънчево неутрино. Поради ниската си енергия това неутрино не може да се регистрира чрез хлор-аргонния метод, докато борното, берилиевото и CNO-неутриното имат достатъчна енергия, за да се регистрират от хлор-аргонния метод. Като има предвид този теоретичен резултат Дейвис поставя нов опит. Той увеличава обема на течността 100 пъти. Резервоар с обем 454 000 l, пълен с перхлоретилен C2Cl4 е поставен в златна мина на дълбочина 1,5 km, което осигурява почти пълно екраниране на високоенергетичните мюони от космичните лъчи. На тази дълбочина може да проникне един мюон за 3 седмици. Един от най-добрите теоретици по ядрена физика пресмята, че в детектора на Дейвис от 2 до 6 хлорни атома дневно ще се превръщат в аргон при ядрената реакция (8) вследствие потока слънчево неутрино. В продължение на 30 години Дейвис регистрира средно по един атом на аргона за 3 дни, което е 3 пъти по-малко от теоретично пресметнатия поток. Тази голяма разлика между теорията и експеримента доведе до поставянето на нови експерименти за регистриране на слънчевото неутрино. Тъй като хлораргонният метод не детектира неутриното с ниска енергия от р-р цикъл, бяха създадени нови галиеви детектори за неутрино с ниска енергия. Такива са експериментите GALEX (Италия) и SAGE (Русия), при които се използват огромни резервоари от галий - 30 тона в Италия и 60 тона в Русия. Тези експерименти се основават на реакцията:

71Ga + ν → 71Ge + e- (9)

Резултатът от тези опити потвърждават резултата на Дейвис. Регистрираният поток е около 50% от теоретично очаквания. Потокът от слънчево неутрино е по-малък от теоретично пресметнатия. Има две възможни обяснения на този неочакван резултат: 1) Не познаваме напълно свойствата на неутриното като елементарна частица или 2) Теоретичният модел не е адекватен. Съвременната физика познава три вида неутрино: електронно νе, мюонно νµ и тау неутрино ντ. Някои физици-теоретици смятат, че неутриното има маса mν ≠ 0. Възможно е неутриното да осцилира, т.е. да се превръща от един вид в друг, докато изминава разстоянието от Слънцето до Земята за около 8 минути. Последният вид не може да се открие. Втората възможност е Слънцето да е с около 10% по-студено от теоретично пресметнатото. От това предположение следва, че температурата и радиусът на Слънцето са по-ниски от наблюдаваните, което е неприемливо ако се имат предвид наблюдателните данни. Една друга хипотеза е, че Вселената съдържа много масивни слабо взаимодействащи частици (WIMPS), които имат маса като неутрона или протона, но подобно на неутриното слабо взаимодействат с веществото. Тези частици са гравитационно свързани със Слънцето и са дълбоко в неговото ядро. Те пренасят достатъчно енергия, за да понижат температурата в центъра на Слънцето с около 10%. Същата хипотеза допуска 90% от материята във Вселената да е в такава форма, което е известно като тъмна материя във Вселената.

 

3. СВРЪХНОВАТА ЗВЕЗДА

Тази звезда избухна на 23.02.1987 г. в Големия Магеланов Облак, който е галактика-спътник на Млечния път. Свръхновата избухна в огромна емисионна мъглявина, известна като Тарантула, поради подобната на паяк форма или известна още като 30 Doradus. В максимумът на своята светимост тя е била толкова ярка, че се е наблюдавала с просто око. Тази свръхнова бе необикновена за астрономите. Първата особеност бе, че в максимума тя има светимост 10% от средната за свръхновите звезди. Второ, Прародителят на свръхновата бе син свръхгигант, докато на другите свръхнови обикновено е червен свръхгигант. Масивните звезди с маса M = 20MΧ описват на диаграмата на Херцшпрунг-Ръсел еволюционен трек, така че преди избухването като свръхнова звездата се превръща в син свръхгигант, който има радиус R = 10RΧ и температура T = 3000 K. Ядрото на свръхновата се състои от He, С и незначително количество от други елементи с по-висока атомна маса. Масата на ядрото е Mс = 6 MΧ. Непосредствено преди взрива на свръхновата ядрото се е състояло от желязо с маса Mс =1,5MΧ и температура Tс ≈ 109 K. Във Fe ядро не могат да протичат термоядрени реакции, които да поддържат хидростатичното равновесие на звездата. Има два възможни физически механизма, които могат да поддържат равновесието в едно Fe ядро:

1) Ако масата на ядрото е по-малка от Mс ≤ 1,4 MΧ, налягането на изродения електронен газ спира колапса. Образува се бяло джудже.

2) Тъй като масата на ядрото на свръхновата е Mс = 1,5 MΧ, при колапса ядрото се превръща в релативистки изроден газ. Скоростта на електроните vе ≈ c. Електроните преодоляват ядрения бариер на ядрото, при което протичат реакциите:

p + e- → n + ν

Колапсиращото ядро се превръща в неутронен газ с висока плътност. Разстоянието между неутроните е ≈ 10-14 m. Появяват се ядрените сили на привличане и отблъскване между неутроните. Ядрените сили на отблъскване могат да противостоят на гравитацията. Появява се нова устойчива звезда, наречена неутронна звезда, което означава, че на мястото на свръхновата 1987А трябва да е останала неутронна звезда, но такава не е открита.
По-голямата част от енергията на свръхновата се отнася от неутриното, което се образува в изобилие при колапса на Fe ядро през първите 10 s. Пълната енергия, отнесена от неутриното по време на колапса, е Eν = 1046 W. Тази огромна енергия е само 10 пъти по-малка от оптическото излъчване на всички звезди във Вселената, а тя е излъчена за секунди. Неутринните детектори в САЩ и Япония откриват неутринен взрив три часа преди визуалния взрив на свръхновата. Свръхновата се оказва от типа SN II. Астрономите класифицират свръхновите в два типа в зависимост от техните спектри: SN II имат ярки линии на водорода, а SN I нямат спектрални линии на водорода. Свръхновите SN II се получават от взрив на масивни звезди, които имат изобилие от Н в атмосферата си преди взрива, докато SN I преди взрива са загубили богатите на Н външни слоеве. Последният тип се дели на два подтипа: SN Ia, SN Ib.

Първият подтип SN Ia е взрив от звезда, която е преминала стадия на червения свръхгигант и се е превърнала в бяло джудже, което се състои от С и О и е компонента на полуразделена двойна система. Другата компонента е червен свръхгигант, който е препълнил граничната повърхнина на Рош. От червения свръхгигант протича газ, който се натрупва върху бялото джудже. Когато общата маса на бялото джудже стане Mс ≈ 1,4 MΧ започва термоядрената реакция на горене на С. С нарастването на температурата налягането не расте, защото газът е изроден. Когато температурата премине определена граница, газът в бялото джудже престава да бъде изроден, поради което налягането нараства и звездата избухва като свръхнова, която в своя спектър няма Н и Не. Ако термоядрената реакция на С се разпространява в бялото джудже по-бързо от скоростта на звука, получава се топлинна експлозия. Ако термоядрената реакция на С се разпространява в бялото джудже по-бавно от скоростта на звука, получава се термоядрена експлозия. По време на взрива се образува Ni, който чрез радиоактивно разпадане преминава в Со, който от своя страна се превръща в стабилен изотоп на Fe. По времето на взрива светимостта на свръхновата се поддържа от бета-разпадането на тежки елементи. Този процес поддържа сравнително дълго време постоянна светимост около максимума на свръхновата. При бета-разпадането в изхвърлената обвивна на звездата се образуват химични елементи с атомна маса по-висока от масата на Fe.

Вторият подтип SN Ib е избухване от звезда, която е преминала през стадия на WR звезда или е била в тясна двойна система. И в двата случая звездата при своята еволюция губи външните си слоеве. Поради това свръхновата SN Ib няма в своя спектър Н, а е богата на Не.

Свръхновите SN II експлодират поради колапс на Fe ядро. Тъй като ядрото е прозрачно за неутриното, при взрива на свръхнова звезда се излъчва огромен поток от неутрино. За регистрирането на това неутрино се строят специални детектори. Те се основават на взаимодействието на неутриното с водата, която е богата на Н, а следователно и на протони. В редките случаи, когато неутриното взаимодействува с веществото, протича реакцията (2). Получава се откатен електрон или позитрон. Ако скоростта на тези частици е поголяма от скоростта на светлината за съответната среда, наблюдава се къса светлинна траектория, т нар. светлинно избухване, известно във физиката като ефект на Черенков. На 23 февруари 1987 г. на неутринния детектор в Япония са наблюдавани 12 следи от Черенковия ефект, а в САЩ - 8 следи. Ако неутриното има нулева маса, неговата скорост е равна на тази на светлината (v = c). В такъв случай всички неутрина ще пристигнат до детектора едновременно. Неутрината с различни енергии и маси ще достигнат до детектора за някакъв интервал от време. Интервалът от време, за който са пристигнали регистрираните неутрина от SN 1987A, предполага маса на неутриното между 0 и 16 eV, която съответства на горна граница на масата на неутриното mν ≈ 10-5 mе. Освен неутриното, информация за колапса на свръхновите звезди могат да бъдат гравитационните вълни, които са по-трудни за детектиране от неутриното.

 

4. РЕЛИКТОВО НЕУТРИНО

След Големия взрив в ранната Вселена са протичали реакциите на анихилация и раждане на неутрони и протони. Енергията на елементарните частици, които анихилират, се дава с известната формула на Айнщайн E = mc 2 . Тази енергия съответства на температура E = kT. Температурата на ранната Вселена, при която протичат процеси на раждане и анихилация на неутроните е Т = 1,093.1013 K:

n + n → foton + foton

foton + foton → n + n и (10)

С разширяването на Вселената температурата намалява. При Т < 1,093.1013 K не протича втората част от реакцията, поради което неутроните повече не се образуват. Неутронът е нестабилна частица, поради което протича бета-разпадане:

n → p + e+ + ν

Времето за полуразпадане е 15,5 min, поради което тези неутрони от ранната Вселена, наречени реликтови, не са се запазили, но са напълнили Вселената с реликтово антинеутрино. Малко по-късно температурата на Вселената е спаднала до Т = 1,088.1013 K, при която започват да протичат реакциите на образуване и анихилация на протоните:

p + p → foton + foton и

foton + foton → p + p . (11) При възраст на Вселената t ≈ 2 s броят на протоните и неутроните е приблизително равен на Np ≈ Nn. В този момент Вселената става прозрачна за неутриното и антинеутриното. По-нататък Np > Nn. Въпреки че от този момент нататък неутроните намаляват поради бетаразпадането, Вселената не може да остане без неутрони, защото започват термоядрени реакции на сливане между протоните и неутроните в деутериеви ядра и обратното разпадане на деутериевите ядра на протони и неутрони.

P + n ↔ 2 D + e+ + ν.

Деутериевите ядра се разрушават от високоенергетичните гамафотони. Това явление е известно като деутериева тапа, което пречи за образуването на Не ядра. Когато възрастта на ранната Вселена t ≈ 3 min, енергията на фотоните намалява и деутериевите ядра вече не се разрушават от фотоните. Започва р-р цикъл. В този момент, поради бета-разпадането на неутроните, само част от тях могат да участват в р-р цикъл. Броят на протоните е много по-голям: Np = 6Nn. При протичането на първата стъпка от реакцията (3), във фона на Вселената към антинеутриното от бета-разпадането на неутроните се добавя още неутрино. Тази термоядрена реакция продължава от 2 s до 3 min. Поради това, че Вселената става прозрачна за неутриното в първите 2 s от разширяването, т.е. много по-рано, отколкото за фотоните, за които t ≈ 106 г., фонът от неутрино и антинеутрино вследствие разширението на Вселената е по-студен, отколкото фонът на фотоните, които се образуват при р-р цикъл до 3 min и вследствие разширяването температурата е спаднала на 2,7 К. Концентрацията на неутриното, което се е образувало до 2 s e 5,5.108 m -3. Като се има предвид, че броят на протоните е шест пъти по-голям от този на неутроните, Np = 6Nn, оказва се, че от 2 s до 3 min от 12 протона и два неутрона се образуват едно Не ядро и 10 протона, т.е. спазва се съотношението 6:1. След 3 min термоядрените реакции спират, защото температурата става твърде ниска за протичането на термоядрени реакции на синтез на Не. До този момент съотношението на Не ядра към протоните е 1:10. Ранната Вселена се оказва пълна с фотони, неутрино и антинеутрино, които остават като фон на съвременната Вселена, т. нар. реликтов фон.

http://upb.phys.uni-sofia.bg/old/C11.PDF

[nik1]

НАЧАЛО » КОСМИЧЕСКИ НАУКИ

Тайнственото неутрино получава нова оценка на масата

Елена СтрахиловаПУБЛИКУВАНО НА СЕПТЕМВРИ 19, 2019

0

---

 

Космическите изчисления предполагат колко масивна може да бъде най-леката материална частица в природата

 

Неутрино, едни от най-странните фундаментални частици в природата, са почти безмасови – тук акцентът е върху почти. Беше прогнозирано, че са напълно безмасови, но преди около 20 години експериментите изненадващо установиха, че те имат някаква маса. Точно колко е тя, остана загадка. Сега ново изчисление въз основа на космологични наблюдения поставя горна граница на това колко тежко би могло да бъде най-лекото неутрино.

 

Има много странни неща покрай неутриното: неочакваното им тегло от една страна и това, че те рядко си взаимодействат с друга материя и във всеки момент милиарди от тях преминават през телата ни. Може би най-странният аспект на тези частици е тяхната склонност към смяна на идентичността, придвижвайки се между трите възможни вида. Всъщност именно наблюдението на тази способност за промяна на формата на първо място показва на учените, че трите вида неутрино трябва да имат различни маси – което разбира се означава, че всичките техни маси не могат да бъдат нула.

 

Учените отчаяно биха искали да знаят колко всъщност тежат, което би им дало изключително важна представа защо имат маса, имайки предвид, че както изглежда, не я придобиват по начина, по който това се случва при другите частици: чрез полето на Хигс (свързано с бозона на Хигс, открит през 2012 г.). „Разбирането защо частиците имат маса е нещо много фундаментално в начина, по който разбираме физиката“, казва физикът Джоузеф Формаджо от Масачузетския технологичен институт. „Това, което представлява неутрино, е възможността механизмът, който според нас поражда маси за всички частици, да не се прилага по някаква странна причина за неутрино. Намирам това за вълнуващо.“

 

Новата граница на масата идва от изчисление на суперкомпютър, което комбинира данни за разпределението на галактиките в цялата Вселена, остатъците от първата светлина, освободена след Големия взрив и измерванията на свръхнови, които отразяват скоростта на разширение на Космоса. Анализът също използва и лабораторни данни за неутрино, например измерване на скоростите, с които те превключват между видовете, за да се стигне до оценка на максималното тегло на най-малкия: 0,086 електронволта или 0,00000000000000000000000000000000000015 кг – което го прави поне шест милиона пъти по-лек от електрона.

 

„Това е наистина чудесно свършена работа“, казва Олга Мена от Института по корпускулярна физика в Испания, която е работила върху подобни изчисления. Андре де Гувея (André de Gouvêa), теоретичен физик от Северозападния университет, твърди: „Това е малко по-детайлен анализ на космологичните данни, отколкото са правени преди.“ Резултатите, предварително качени в arXiv.org, бяха публикувани на 22 август в Physical Review Letters (PRL). Друга граница, изчислена чрез подобни методи от физиците Шувик Рой Чудхури и Стив Ханестад, също беше наскоро публикувана на arXiv.org и сега е под партньорска проверка в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

 

Защо далечните измервания на галактики и свръхнови имат някакво отношение към масата на най-леката частица от материята във Вселената?

 

Тъй като неутриното, макар и с малки размери, има гравитационен ефект върху всичко останало, дори чрез малката си маса. Докато пътуват през космоса почти с бързината на светлината, те са склонни да изтеглят и други частици със себе си все така леко, което от своя страна води до цялостно замъгляване при разпространението на галактики в целия Космос. „Все едно, ако сте късогледи и свалите очилата си“, казва Артур Лурейро от University College London, първи автор на проучването PRL. „Те правят нещата неясни.“ И степента на тази неяснота може да ни каже каква маса има неутриното.

 

Оценката допълва други усилия за претегляне на неутрино, които са фокусирани върху лабораторни експерименти. Например, проект наречен Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), експеримент в Германия, има за цел да измери масата на неутрино чрез наблюдение на бета разпадания, при които неутронът се трансформира в протон чрез освобождаване на неутрино и електрон. Чрез внимателно измерване на енергията на електрона, учените могат да изведат масата на неутрино. За разлика от оценките, базирани на космологията, които включват несигурност от предположения за неизвестни като тъмната материя и тъмната енергия, този вид експеримент е по-директен. „Той прави най-малко предположения, но за съжаление, в момента е най-чувствителният“, казва Формаджо, който работи по KATRIN и подобни експерименти.

 

Трети клас проучвания търсят митичен процес на разпад, известен като „неутрино двоен бета-разпад“, при който два неутрона се трансформират в два протона, освобождавайки очакваните електрони, но не и съответните неутрино. Това явление би могло да се случи, ако неутрино се окажат собствени частици на техни партньори античастици – теоретична възможност, но все още далеч от фактите. Ако е така, излъчените два неутрино биха анихилирали взаимно, както правят всички двойки частици материя и антиматерия, когато се срещнат. Ако може да се измери двоен бета разпад без неутрино, силата на разпадането ще бъде пропорционална на най-леката маса на неутрино. Засега обаче в нито един експеримент това не е наблюдавано.

 

Липсващата част на теорията

 

В крайна сметка учените трябва да сравняват резултатите от всички тези различни методи. „Само чрез комбиниране на всички възможни начини за измерване на неутрино масата ще имаме краен и стабилен отговор“, казва Мена. Но ако оценките се различават, казват някои учени, още по-добре. „Вълнуващо е: Какво ще стане, ако направим измерване от космологията и получим отговор, който не е в съгласие с измерванията на физиката на частиците?“, казва де Гувея. „Това би било показателно за факта, че в тази картина има нещо, което просто не е наред. Може би има нещо нередно в нашето разбиране за ранната Вселена. Или може би има нещо необичайно в механизма за неутрино масите, като това масата да зависи от това къде се намирате или кога правите измерването. Звучи лудо, но е възможно.“

 

Дори и без доказателства за подобни чужди сценарии, намирането на надеждна оценка на масата на неутрино би тласнало физиката в нова посока. В стандартния модел на физиката на частиците, най-добрите изследователи на теорията, чиято задача е да опишат частиците и силите във Вселената, прогнозирали, че неутрино са безтегловни. Факт е, че те не дават възможност за разширяване на теорията. „Стандартният модел е една от най-прецизните теории, които човечеството е изграждало някога, но му липсва нещо. Намирането на липсващото парче за неутрино определено може да бъде ключът към разбирането какво е тъмна енергия и тъмна материя, защото те също не присъстват в стандартния модел“, казва Лурейро.

 

Космологичната част от отговора се очаква да е по-прецизна през следващото десетилетие, поради очакването за появата на нови телескопи. Европейският телескоп Евклид, например, ще подобри драстично точността на триизмерните космически карти след пускането му през 2022 г. А спектроскопичният инструмент за тъмна енергия (Dark Energy Spectroscopic Instrument – DESI) в Аризона скоро ще започне да изследва разстояния от 30 милиона галактики. И накрая, Големият синоптичен обзорен телескоп за изследвания (Large Synoptic Survey Telescope – LSST), който се строи в Чили, е проектиран да получава изображения от голяма площ на небето наведнъж. Той ще изобразява цялото небе на всеки няколко нощи, започвайки от 2022 г. „Всички са много развълнувани“, казва де Гувея, „защото в следващите близо пет години те би трябвало да имат чувствителност да открият нещо, т.е. те ще бъдат в състояние да направят наблюдение, а не просто определяне на граници.“

Превод: Светослава Петкова-Дишкова

Източник: Scientific American

https://nauka.bg/tainstvenoto-neutrino-poluchava-nova-ocenka-masata/

[Малоум 2]

(Мое мнение - нуетриното няма "собствена" маса. Но, като обвивка (балон) на слой от масова частица, участва в общия баланс на маса при действие "поглъщане-разпад" на частици с маса. Наличието на Видове неутрино показват, че са част от действие)

Разкриването на същността на неутриното е важно и заради възможно разкриване на други отговори на първостепенни въпроси:

https://megavselena.bg/stapka-po-blizo-do-reshavane-na-naj-golyamata-misteriya-vav-vselenata/

Стъпка по-близо до решаване на най-голямата мистерия във Вселената

Звезди, галактики, планети, почти всичко, което съставлява нашето ежедневие, дължи съществуването си на космическо … хрумване. Същността на тази странност, която позволява на материята да доминира във Вселената за сметка на антиматерията, си остава загадка.

Сега резултатите от експеримент в Япония могат да помогнат на изследователите да разрешат пъзела – един от най-големите в науката.

Много вероятно всичко зависи от разликата в начина на поведение и частиците на антиматерията.

Светът, който ни е познат – включително всички предмети от ежедневието, до които можем да се докоснем – е съставен от материя. Основните градивни елементи на материята са субатомните частици, като електрони, кварки и неутрино.

Но материята има сенчест близнак, наречен антиматерия. Всяка субатомна частица от обикновената материя има съответна „античастица“. И въпреки това днес във Вселената има много повече материя от антиматерията. Но не винаги е било така.

Големият взрив трябва да е създал материята и антиматерията в равни количества.

„Когато физиците изучаващи частиците получават нови частици в ускорители, те винаги откриват, че те произвеждат двойки частици-античастици: на всеки отрицателен електрон, има положително зареден позитрон (антиматериалният колега на електрона)“, казва проф. Лий Томпсън от Университета в Шефилд, член на групата T2K, колаборация, която включва сравнително голям брой учени от британските университети.

„Въпросът е защо Вселената не е 50% материя и 50% антиматерия? Това е отдавнашен проблем в космологията – какво се е случило с антиматерията?“

Когато материална частица се срещне със своята античастица, те се „унищожават“ – изчезват в миг като енергия.

По време на първите части от секундата на Големия взрив, горещата, плътна Вселена е пълна с двойки частици-античастици, изскачащи, блъскащи се и излизащи от съществуване. Ако няма някакъв друг, неизвестен механизъм при тази ситуация, Вселената не трябва да съдържа нищо друго, освен остатъчна енергия.

„Ако това е така обаче, би било доста скучно и ние нямаше да сме тук“, заявява пред BBC News проф. Стефан Солднер-Ремболд, ръководител на групата по физика на частиците в Манчестърския университет.

Оттук идва и експериментът T2K. T2K е базиран в обсерваторията за неутрино Super-Kamiokande, базирана под земята в района на Камиока в Хида, Япония.

Изследователите използват детектора на съоръжението, за да наблюдават неутрино и техните антиматериални колеги, антинеутрино, генерирани на разстояние от 295 км в Японския протонно-ускорителен изследователски комплекс (J-Parc) в Токай. T2K означава от Токай до Камиока.

Докато пътуват през Земята, частиците и античастиците се колебаят между различни физични състояния, известни като аромати.

Физиците смятат, че намирането на разлика – или асиметрия – във физическите свойства на неутрино и антинеутрино може да помогне да се разбере защо материята е толкова разпространена в сравнение с антиматерията. Тази асиметрия е известна като нарушение на конюгиране на заряда и отмяна на паритета (CP).

Това е едно от трите необходими условия, предложени от руския физик Андрей Сахаров през 1967 г., което трябва да бъде изпълнено, за да се произвежда материя и антиматерия с различна скорост.

След анализиране на данните цели девет години, изследователите откриват несъответствие в начина, по който неутрино и антинеутрино се колебаят, записвайки числата, достигнали до Super Kamiokande с аромат, различен от този, с който са създадени.

Резултатът също е достигнал ниво на статистическа значимост – наречено три сигма – това е достатъчно високо, за да покаже, че при тези частици се наблюдава нарушение на СР.

„Докато нарушението на CP, включващо кварки, е експериментално установено, нарушение на CP никога не е наблюдавано при неутрино“, казва Стефан Зелднер-Ремболд.

„Нарушаването на симетрията на СР е едно от (по Сахаров) условията за съществуване на доминирана от материя Вселена, но ефектът, задвижван от кварки, е за съжаление твърде малък, за да обясни защо нашата Вселена е изпълнена главно с материя.

„Откриването на нарушение на СР с неутрино би било голям скок напред в разбирането как се е образувала Вселената.“

Теория, наречена лептогенеза, свързва господството на материята с нарушение на СР, включващо неутрино.

„Тези модели за лептогенеза прогнозират, че доминирането на материята всъщност се дължи на неутрино сектора. Ако наблюдавате нарушение на неутрино СР, това би ни дало категорична индикация, че моделът на лептогенезата е пътят напред“, каза проф. Зелднер-Ремболд.

Резултатите от T2K „дават силни намеци“, че ефектът на нарушение на СР може да бъде голям при неутрино.

Това би означавало, че експериментът с неутрино от ново поколение – DUNE, който в момента се изгражда в мина в Южна Дакота, може да открие ефекта по-бързо от очакваното. Международният проект е домакин на Националната ускорителна лаборатория на Ферми в САЩ (Fermilab).

Проф. Солднер-Ремболд е член на научния екип на DUNE и говорител на колектива. Детекторът на експеримента ще съдържа 70 000 тона течен аргон, погребан на една миля под земята. Той ще се използва за откриване и измерване на нарушение на CP с висока точност.

Той добави, че резултатът от T2K „ни доближава стъпка по-близо до това да имаме модел, който обяснява как Вселената се е развила до доминираната днес от материя Вселена“.

Публикувано в списание Nature.

...

...

[Малоум 2]

https://megavselena.bg/neutrino-predveshtava-nova-glava-vav-fizikata/

Неутрино предвещава нова глава във физиката

Нова глава във физиката е открита, според учени, които търсят жизненоважен градивен елемент на Вселената. Голям експеримент е използван за търсене на неуловимата субатомна частица: ключов компонент на материята, която съставя нашето ежедневие. Търсенето не успя да намери частицата, известна като стерилното неутрино.

Това обаче, сега ще насочи физиците към още по-интересни теории, за да им помогне да обяснят как е възникнала Вселената.

Проф. Марк Томсън, изпълнителен председател на Съвета за научни и технологични съоръжения (STFC), който финансира приноса на Обединеното кралство към експеримента Microboone, описа резултата като „доста вълнуващ“.

Това е така, защото значителна част от физиците развиват своите теории въз основа на това, че съществуването на стерилно неутрино е било възможно.

„Теорията съществува от доста време и предизвиква голям интерес“, каза проф. Томсън пред BBC News. „Резултатът е наистина интересен, защото оказва влияние върху нововъзникващите теории във физиката на елементарните частици и космологията.“

Експериментът Microboone е базиран в американската национална ускорителна лаборатория Fermi (Fermilab) в Батавия, Илинойс – точно извън Чикаго. Но в проекта участват физици от много страни.

Неутрино са призрачни субатомни частици, които проникват във Вселената, но почти не взаимодействат с ежедневния свят около нас. Всяка секунда милиарди от тях преминават през Земята – и всички, които живеят на нея.

Неутрино съществува в три известни вида – електрон, мюон и тау. През 1998 г. японски изследователи откриха, че неутрино се променят от един вид в друг, докато пътуват.

Това преобръщане на вида не може да бъде напълно обяснено от настоящата „голяма теория“ на субатомната физика – наречена Стандартен модел. Някои физици смятат, че откриването защо неутриното има толкова малка маса – което им позволява да променят вида си – ще им даде по-задълбочено разбиране за това как работи Вселената и по-специално как е възникнала.

Текущите теории предполагат, че малко след Големия взрив е имало равни количества материя и антиматерия, в огледален образ. Въпреки това, когато материята се сблъска с антиматерията, те се унищожават насилствено, освобождавайки енергия. Ако е имало равни количества в ранната Вселена, те би трябвало да се унищожат взаимно.

Вместо това по-голямата част от Вселената днес е направена от материя, с много по-малки количества антиматерия. Някои учени смятат, че в промяната на вида на неутриното се съдържа космическата ловкост, която позволява на някои материи да оцелеят след Големия взрив и да създадат планетите, звездите и галактиките, които съставляват Вселената.

През 90-те години на миналия век експеримент, наречен експеримент с течен сцинтилатор на неутрино детектор в Националната лаборатория в Лос Аламос на Министерството на енергетиката на САЩ, показва производството на повече електронни неутрино, отколкото може да се обясни с теорията за промяна на вида на трите типа неутрино. Този резултат беше потвърден от отделен експеримент и през 2002 г.

Физиците предположиха съществуването на четвърти вид, наречен стерилно неутрино. Те вярват, че тази форма на частицата може да обясни свръхпроизводството на електронни неутрино и, което е от решаващо значение, да даде представа защо частиците променят вида си.

Те бяха наречени стерилни неутрино, защото се предполага, че изобщо не взаимодействат с материята, докато други неутрино могат – макар и много рядко. Откриването на стерилно неутрино би било по-голямо откритие в субатомната физика от бозона на Хигс, защото за разлика от други форми на неутрино и частицата на Хигс, то не е част от настоящия Стандартен модел на физиката.

Екип, включващ близо 200 учени от пет страни, разработи и изгради експеримента за микро бустер неутрино, или Microboone, за да го открие. Microboone се състои от 150 тона хардуер в пространство с размерите на камион. Неговите детектори са много чувствителни: наблюденията му на субатомния свят са оприличени на гледане в ултра-висока разделителна способност.

Екипът вече обяви, че четири отделни анализа на данните, събрани от експеримента, не показват „никакъв намек“ за стерилното неутрино. Но този резултат всъщност не е краят на историята, а началото на нова глава.

Д-р Сам Зелър от Fermilab казва, че това, че не са открили стерилно неутрино не трябва да противоречи на предишни открития. „По-ранните данни не лъжат“, каза тя.

„Случва се нещо наистина интересно, което все още трябва да обясним. Данните ни отдалечават от вероятните обяснения и насочват към нещо по-сложно и интересно, което е наистина вълнуващо.“

Проф. Джъстин Евънс от университета в Манчестър вярва, че пъзелът, поставен от последните открития, бележи повратна точка в изследванията на неутрино.

„Всеки път, когато гледаме неутрино, сякаш откриваме нещо ново или неочаквано“, казва той.

„Резултатите на Microboone ни отвеждат в нова посока и нашата програма за неутрино рано или късно ще стигне до дъното на някои от тези мистерии.“

...