Нейтрино

Нейтрино
Московский государственный университет
им. М. В. Ломоносова.
Физический факультет.
Спецкурс:
«Физика фундаментальных взаимодействий».
Лукьяшин Антон Викторович
505 группа.
План доклада
1. Основные свойства нейтрино
2. Эксперименты по обнаружению основных
типов нейтрино
3. Отличия нейтрино разных типов
4. Отличие нейтрино от антинейтрино
5. Спиральность
6. Проблема солнечных нейтрино
7. Нейтринные осцилляции
8. Основы «see-saw» механизма
9. Несохранение лептонных чисел
Нейтрино
Фундаментальные частицы
Стандартной Модели
Эксперименты по обнаружению
основных типов нейтрино
Тау нейтрино
Отличия нейтрино разных типов
Отличие нейтрино от антинейтрино
Отличие нейтрино от антинейтрино
Спиральность
• В зависимости от того, как направлен спин частицы от её
импульса для продольно поляризованных частиц различают
правую и левую поляризации.
• Правополяризованной считается частица, спин которой,
направлен по импульсу, левополяризованной считается частица,
спин которой, направлен против импульса.
• Для характеристики взаимного направления спина и импульса
частицы используют понятие спиральности h.
• Правополяризованная частица имеет положительную
спиральность (h=+l), левополяризованная частица отрицательную спиральность (h=-l).
• Экспериментально показано, что спиральность нейтрино всегда
отрицательна, а спиральность антинейтрино всегда
положительна.
Проблема солнечных нейтрино
Проблема солнечных нейтрино
Проблема солнечных нейтрино
• Основной результат эксперимента Девиса: поток
нейтрино на земле оказался меньше теоретически
предсказанного приблизительно в 3 раза!
• Этот необычный результат - различие
экспериментального и теоретически предсказанного
потоков нейтрино с Солнца получило название
проблемы солнечных нейтрино.
• В качестве её решения в 1969 году Грибов и
Понтекорво (и позднее Вольфштейн) предложили
гипотезу нейтринных осцилляций, которая впоследствии
была развита в работах Михеева и Смирнова и теперь
известна как МСВ-эффект.
• Подтверждением этой гипотезы служит результат
эксперимента SNO (Sudbury Neutrino Observatory).
Проблема солнечных нейтрино
• Sudbury Neutrino Observatory - это нейтринная обсерватория, в
которой проводилась регистрация солнечных нейтрино от 8 В с
помощью черенковского излучения. Детектор SNO расположен
на глубине 2092 м от поверхности земли в шахте Крейгтон около
города Садбери, Онтарио, Канада.
• В 1984 г. Герб Чен из университета Калифорнии в Ирвине
впервые указал на возможность использования тяжелой воды для
регистрации как полного потока нейтрино, так и электронных
нейтрино отдельно. (С помощью дейтрона из состава тяжёлой
воды можно регистрировать все три типа нейтрино).
• Детектор представляет собой сферу диаметром 12 м, сделанную
из акрилового волокна толщиной 5,5 см. Емкость заполнена
тяжёлой водой D^O и окружена 9456 фотоэлектронными
умножителями. Детектор погружён в очищенную воду Н 2 0 .
• Основные реакции, по которым идёт детектирование:
Проблема солнечных нейтрино
• замена детектирующего вещества с ядер хлора на ядра
дейтерия позволила реализовать новую методику
регистрации нейтрино всех типов: регистрируются не
только заряженные токи но и нейтральные!
Проблема солнечных нейтрино и
несохранение лептонных чисел
• Результаты эксперимента SNO
с тяжёлой водой послужили
одним из доказательств
нейтринных осцилляций.
•
Эксперименты по регистрации
нейтрино с детектирующими
веществами: хлор, вода,
галлий-германий, тяжёлая
вода.
•
Тёмный столбец — результаты
теоретического расчёта потока
нейтрино на Земле.
• Поток от всех типов нейтрино
оказался почти в 3 раза выше,
чем поток от электронных
нейтрино.
• Нейтринные осцилляции,
пожалуй, единственный
процесс в котором не
выполняется закон сохранения
лептонного квантового числа.
Нейтринные осцилляции
• Осцилляциями нейтрино называется процесс периодического
изменения свойств нейтринного пучка - превращение одного
типа нейтрино в другой.
• Гипотеза об осцилляциях нейтрино была выдвинута в 1957 г.
Понтекорво в связи с возможностью несохранения лептонного
числа и по аналогии с осцилляциями К°-мезонов.
• Выделяют два основных типа осцилляций - осцилляции по
аромату (типу) и осцилляции в стерильные состояния
• В первом случае, с расстоянием изменяются взаимодействия
пучка нейтрино, обусловленные заряженными токами, и не
меняются, согласно теории Вайнберга-Глэшоу-Салама,
взаимодействия, обусловленные нейтральными токами.
Нейтринные осцилляции
• Поиски осцилляций осуществляются в экспериментах на
«исчезновение» и на «появление». Измеряется полное число и
спектр заряженных лептонов, рождаемых пучком нейтрино на
разных расстояниях от источника.
• В первом случае (на «исчезновение») — это лептоны того же
• Во втором случае - это лептоны, не соответствующие типу
исходного нейтрино.
• Результаты экспериментов носят отрицательный характер, и это
означает в предельных случаях либо малость величины угла
смешивания, при которой глубина осцилляций меньше
чувствительности установки, либо когда длина осцилляций
много больше расстояния источник - детектор, и осцилляции не
успевают развиться.
Нейтринные осцилляции
Основы «see-saw» механизма
Основы «see-saw» механизма
Несохранение лептонных чисел
• Нейтринные осцилляции - пример процесса в котором
не выполняется закон сохранения лептонного
квантового числа. Точнее, закон не выполняется в его
стандартной краткой формулировке.
• Ситуацию можно попытаться выправить составив для
совокупности лептонных чисел что-то в роде интеграла
движения. В полной системе всех существующих
лептонов в каждый момент времени суммы всех
лептонных чисел (3 суммы, каждая по своему сорту)
равны одному и тому же числу. (То есть, примитивно
можно сформулировать так: лептонные числа не уходят
в никуда и не рождаются из неоткуда).
• Однако, даже такое изощрение не даёт полной и
адаптированной версии осцилляций нейтрино!
Выводы
• Фундаментальные взаимодействия являются «стартовой
площадкой» для объяснения процессов функционирования и
эволюции сложных систем, таких как звёзды (звёздный
нуклеосинтез) и вселенная (эволюция вселенной).
• Подчас психологический аспект развития физики важен ни чуть
не меньше чем технический. Вся история исследований нейтрино
показывает, что основой всех успешных экспериментов были
идеи гениев: Паули и Понтекорво.
• Не стоит оставлять в стороне заслуги технических разработчиков
и экспериментаторов, особенно методику выделения
радиоактивного изотопа аргона из огромного количества хлорной
мишени (по сути удалось найти «иголку в стоге сена»).
• Современные положение дел говорит, что исследования
нейтрино ещё не закончены. Остались неразрешённые вопросы:
нейтринные осцилляции (эксперименты), точные массы
нейтрино, и т.д.
Используемая литература
1. Физическая энциклопедия под ред. A.M. Прохорова, в
5 томах (1992 г.)
2. Курс лекций по физике атомного ядра и частиц, Б.С.
Ишханов (2013 г.)
3. Курс лекций по физике атомного ядра и частиц, И.М.
Капитонов (2013 г.)
4. Интернет-ресурс: nuclphys.sinp.msu.rn
5.
www.lepp.comell.edu/~vk/Work/PDF/phd.pdf
6.
http://nuclphys.sinp.msu.m/neutrino/r978b.pdf