Petunjuk pertama kesan Mikheev-Smirnov-Wolfenstein diperoleh apabila neutrinos bergerak melalui Bumi • Igor Ivanov • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik

Petunjuk pertama kesan Mikheev-Smirnov-Wolfenstein diperoleh apabila neutrinos bergerak melalui Bumi.

Rajah. 1. Pengesan neutrino Super-Kamiokande adalah tangki bawah tanah yang besar yang penuh dengan air, di mana neutrinos terbang kadang-kadang mengetuk elektron dan menghasilkan kilatan cahaya. Kelip-kelip ini direkodkan oleh beribu-ribu photomultiplier, yang dipenuhi dengan dinding tangki, dan tenaga dan arah ketibaan neutrino dipulihkan dari respons ini. Imej dari physics.aps.org

Kerjasama Super-Kamiokande, yang bekerja pada pengesan neutrino dengan nama yang sama, melaporkan bahawa kesan Mikheev-Smirnov-Wolfenstein yang disebabkan oleh laluan neutrino melalui ketebalan Bumi mula muncul dalam data yang terkumpul selama 18 tahun kerja. Setakat ini, kesan teori yang diramalkan hanya telah disahkan secara tidak langsung; Hasil baru adalah ujian langsung pertama.

Fizik Neutrino

Fizik Neutrino dalam tahun-tahun kebelakangan ini semakin meningkat. Neutrinos adalah objek yang sangat istimewa, tidak seperti zarah lain. Seseorang juga boleh mengatakan bahawa sifat-sifat neutrinos – mereka yang remeh, tetapi bukan-nol massa, ayunan kuat mereka, dan ciri-ciri lain – melampaui batas Model Fizik zarah standard. Walau bagaimanapun, buat masa ini ia tidak dapat difahami di mana betul-betul mereka keluar untuk apa teori-teori baru yang mereka ingatkan.Oleh itu, dengan berhati-hati mengkaji neutrino, ahli fizik berharap untuk melihat sesuatu yang mereka telah mencari di penjana tenaga yang tinggi untuk masa yang lama dan tanpa hasil.

Rakaman neutrinos sangat sukar. Walau bagaimanapun, ahli fizik mempunyai sumber neutrino yang sangat kuat, kedua-duanya semulajadi (Matahari, sinaran kosmik, radioaktif semula jadi) dan buatan (reaktor nuklear, rasuk zarah yang tidak stabil). Mengalikan kebarangkalian yang diabaikan untuk mendaftarkan setiap neutrino individu oleh fluks neutrino yang besar akhirnya membawa kepada kadar yang kecil, tetapi agak diawasi kadar pendaftaran neutrino. Pengesan neutrino, yang sudah ada puluhan di seluruh dunia, mengumpul statistik selama bertahun-tahun, dan kemudian ahli fizik, selepas memprosesnya, mengukur pelbagai ciri neutrino.

Aktiviti topik ini ditunjukkan oleh fakta bahawa hampir setiap tahun ahli fizik menemui diri mereka sendiri sifat neutrino baru. Hari lain dalam majalah Surat Pemeriksaan Fizikal Terdapat artikel dengan hasil percubaan yang lain. Kerjasama Super-Kamiokande, yang bekerja pada pengesan neutrino Jepun dengan nama yang sama, melaporkan bahawa untuk kali pertama ia dapat secara langsung mendaftarkan kesan bahan pada sifat ayunan neutrino – yang dipanggil kesan Mikheev-Smirnov-Wolfenstein.Sebenarnya, kesan teori yang diramalkan ini sudah dianggap terbukti secara eksperimen. Walau bagaimanapun, pengesahannya setakat ini tidak langsung – melalui kesan kedalaman solar pada sifat neutrinos yang dilahirkan di tengah-tengah matahari. Sekarang Super-Kamiokande melaporkan bahawa kesan ini mula menunjukkan dirinya sebagai neutrinos melalui ketebalan Bumi. Pengesan melihat bahawa fluks neutrino suria yang memasuki pengesan siang dan malam sangat berbeza, yang menunjukkan pengaruh bahan daratan pada gerakan neutrino.

Ayunan Neutrino dan kesan MSW

Kisah tentang kerja ini harus bermula dengan penjelasan mengenai apa yang dinamakan ayunan neutrino (lihat juga pemilihan bahan pengantar fisika neutrino). Tiga macam neutrinos diketahui oleh ahli fizik – elektron, muon, dan tau neutrinos. Mereka semua bersikap neutral dan mempunyai sifat-sifat serupa lain, jadi mereka boleh untuk bercampur dengan satu sama lain. Setiap neutrino tertentu tidak perlu secara elektronik atau tegas muonik, tetapi boleh wujud dalam bentuk gabungannya: sebahagian elektronik, sebahagiannya muonic. Kemungkinan ini adalah akibat yang tidak dapat dielakkan dari mekanik kuantum.Ternyata ini bukan sekadar kemungkinan hipotesis; neutrinos benar-benar berkelakuan seperti itu. Selain itu, pecahan elektron atau muon neutrino tidak tetap, tetapi perubahan semasa pergerakan. Apa yang dilahirkan di dalam pembusukan zarah tidak stabil sebagai neutrino muon tulen, memperoleh sebahagian kecil daripada "elektron" dalam arah gerak, dan pada jarak yang lebih jauh lagi dapat menjadi muonik, dll. Perubahan berkala dalam jenis neutrino semasa pergerakan mereka disebut neutrino ayunan (Rajah 2).

Rajah. 2 Ilustrasi idea tentang ayunan neutrino. Dua gelombang dengan frekuensi yang berbeza mewakili dua jenis neutrino daripada massa yang berbeza. Bergantung kepada sama ada mereka berada dalam fasa atau keluar fasa, kesan keseluruhan dianggap sebagai elektron atau muon neutrino. Imej dari physicsworld.com

Ayunan Neutrino adalah fakta yang eksperimen disahkan pada banyak pengesan neutrino. Penyebab utama ayunan adalah ketidakseimbangan massa dan jenis neutrino. Neutrino jisim tertentu tidak mempunyai jenis tertentu. Sebaliknya, sejenis neutrino (contohnya, elektron) tidak mempunyai jisim tertentu.Tetapi di mana ketidakseimbangan ini berasal daripada sifat neutrino – ia tidak diketahui dengan pasti, ini adalah salah satu misteri neutrino utama.

Artikel baru oleh kolaborasi Super-Kamiokande bukan hanya tentang osilasi neutrino, tetapi tentang bagaimana mereka dipengaruhi oleh ketebalan Bumi. Fenomena ini sudah lebih halus, dan ia dipanggil Efek Mikheev-Smirnov-Wolfenstein (MRV). Kesan MSV ialah tambahan ayunan yang mengalami neutrino ketika mereka bergerak melalui bahan yang padat. Ia agak serupa dengan apa yang berlaku kepada cahaya apabila ia terbang dalam persekitaran yang telus. Cahaya berinteraksi dengan atom sederhana, dan interaksi ini mengubah sifat gelombang cahaya – ia bergerak lebih perlahan. Neutrino dalam bahan berperilaku dengan cara yang sama: ia berinteraksi dengan elektron bahan, dan ini sedikit mengubah kelajuannya. Kesan ini berfungsi dengan berbeza untuk elektron dan neutrinos muon (selepas semua, kita mempunyai elektron dalam bahan itu, bukan muons!), Yang bermaksud ia memodifikasi ayunan antara jenis neutrinos yang berbeza: panjang ayunan dan perubahan intensiti.

Ini adalah bentuk paling mudah kesan MSW, yang berkaitan dengan gerakan neutrino melalui medium kepadatan malar; Ia adalah seorang yang digambarkan oleh Wolfenstein dalam kerja tahun 1978.Untuk menggambarkan gerakan neutrino melalui bumi, kesan ini cukup. Versi kedua, lebih penasaran dan lebih penting dari kesan ini adalah peningkatan mendadak dalam ayunan dalam persekitaran dengan kepadatan yang berbeza-beza. Keadaan sedemikian wujud di dalam Matahari: neutrino, yang dilahirkan di kedalaman matahari, keluar dan melewati seluruh ketebalan bahan solar dengan kepadatan berkurang secara beransur-ansur. Kesan ini diterangkan pada tahun 1986 oleh Mikheyev dan Smirnov, dan ia adalah yang menjadi momen utama dalam menyelesaikan teka-teki neutrino surya.

Versi "solar" kesan MSV sebenarnya telah disahkan pada awal tahun 2000an. Pada masa itu, ahli fizik akhirnya dapat mengukur fluks dari semua jenis neutrino yang terbang dari Matahari, dan yakin bahawa hasilnya bersatu dengan teori itu. Bagaimanapun, pengesahan ini, tentu saja, tidak langsung. Matahari diberikan kepada kita dalam satu salinan; kita tidak boleh membuat percubaan kawalan – keluarkan semua lapisan Matahari, kecuali yang paling tengah, dan periksa bagaimana perubahan fluks neutrino.

Pemeriksaan langsung kesan MSW boleh diberikan oleh Bumi – ia cukup untuk membandingkan aliran neutrino solar yang memasuki hari dan malam pemasangan.Neutrinos siang hari memasuki pengesan dengan serta-merta dari ruang antara planet (atmosfera bumi nipis tidak dikira), dan neutrinos malam perjalanan pertama beribu-ribu kilometer melalui ketebalan bumi sebelum mencapai pengesan (Rajah 3). Bilangan neutrino yang jatuh di Bumi adalah sama dalam kedua-dua kes, tetapi neutrino malam mempunyai peluang tambahan untuk beralih dari muon ke elektronik. Dan sejak pengesan Super-Kamiokande mendaftarkan neutrinos elektronik, ia harus melihat peningkatan dalam fluks neutrino malam berbanding fluks hari.

Rajah. 3 Fluks neutrino yang direkodkan oleh pengesan mungkin berbeza siang dan malam kerana fakta bahawa apabila neutrinos bergerak melalui Bumi, jenis mereka berubah akibat kesan MWE. Di sini panah berwarna jenis neutrino yang ditunjukkan; kecerahan Anak panah menunjukkan intensiti fluks neutrino yang sepadan. Perubahan yang ditunjukkan di sini dipertingkatkan untuk kejelasan.

Teori ini meramalkan bahawa untuk neutrinos dengan tenaga beberapa MeV, kesannya harus kecil, untuk keadaan yang digambarkan, ia adalah kira-kira 3.3%. Oleh itu, bagi pengesanannya, ia perlu untuk mengumpul statistik hit neutrino yang agak besar, jika tidak, perbezaan kecil hanya akan tidak dapat dilihat daripada latar belakang turun naik statistik.Dan kerana neutrinos adalah zarah sukar difahami, tidak menghairankan bahawa setakat ini kesan ini tidak dapat dikesan.

Keputusan Super-Kamiokande

Kerjasama Super-Kamiokande mula mengukur perbezaan antara aliran siang dan malam untuk beberapa waktu. Oleh itu, dalam artikel 2004 mereka, keputusan berikut diberikan: aliran malam melebihi aliran hari dengan (1.8 ± 1.6 ± 1.2)%, di mana kedua ketidakpastian yang ditentukan sepadan dengan ralat statistik dan sistematik. Sudah jelas bahawa keputusan sedemikian bukanlah bukti yang menyokong realiti kesan yang diinginkan – keputusan sifar juga sepenuhnya bersetuju dengan nombor ini.

Dengan pengumpulan data dan peningkatan metodologi, kesalahan itu berkurang, dan kesannya tidak hilang. Dalam artikel baru-baru ini, hasil kolaborasi dalam hasil yang diperoleh dari data untuk tempoh kerja selama 18 tahun. Perbezaan antara arus malam dan hari kini (3.2 ± 1.1 ± 0.5)%. Apabila menggabungkan hasil ini dengan data dari pengesan neutrino lain, SNO, perbezaan fluks menjadi lebih jelas: (2,9 ± 1,0)%. Nombor ini sudah hampir setakat tiga penyimpangan piawai – batas di mana ahli fizik sudah sungguh-sungguh bercakap tentang menunjukkan kehadiran kesan.

Oleh itu, kesan MSV, nampaknya, akhirnya dapat dilihat secara langsung, dan bukan sahaja secara tidak langsung. Walau bagaimanapun, penemuan akhir akan diumumkan hanya apabila kepentingan statistik kesan mencapai 5 sisihan piawai. Ini memerlukan satu dekad lagi set data atau peningkatan ketara dalam saiz pengesan. Kumpulan Jepun sudah mempunyai rancangan sedemikian. Pada tahun-tahun akan datang, pelaksanaan projek Hyper-Kamiokande akan bermula, yang sepatutnya sekurang-kurangnya suatu magnitud magnitud meningkatkan sensitiviti pengesan ke proses yang jarang berlaku, termasuk pendaftaran neutrino. Apabila ia dibina, ia akan melepasi hasil semasa dalam masa beberapa bulan.

Titik terakhir yang berguna untuk menekankan adalah: mengapa ahli fizik berusaha untuk mengukur perbezaan dalam fluks neutrino siang dan malam, jika semuanya agak konsisten dengan teori. Hakikatnya adalah perbezaan ini bergantung kepada sifat-sifat neutrino, dan sifat-sifat itu sendiri diketahui jauh lebih buruk daripada sifat zarah-zarah lain. Ini disebabkan kedua-dua kesukaran untuk mendaftar neutrino, dan perbezaannya terhadap zarah-zarah lain. Neutrinos adalah berbilion kali lebih ringan daripada zarah lain, dan tiada siapa tahu mengapa; Walau bagaimanapun, kebanyakan ahli fizik mengesyaki bahawa mekanisme pengambilalihan massa neutrino adalah sama sekali berbeza, bukan Higgs.Neutrinos bercampur-campur satu sama lain, tetapi parameter pencampuran mereka diketahui dengan kesilapan besar. Akhirnya, tidak diketahui sama ada simetri CP dilanggar dalam proses neutrino – nilai yang sama belum dapat diukur. Pakar fizikal merasakan bahawa neutrino boleh memberitahu mereka banyak perkara yang menarik, dan oleh itu mereka cuba dengan segala cara untuk memperjelas parameter mereka. Pengukuran tepat perbezaan antara hari dan malam matahari fluks neutrino adalah salah satu cara untuk melakukan ini.

Sumber: Kerjasama Super-Kamiokande. Petunjuk Pertama mengenai Terrestrial Matter Effects on Solar Neutrino Oscillation // Fiz. Wahyu Lett. 112, 091805 (2014); Artikel ini tersedia secara bebas di arsip e-print sebagai arXiv: 1312.5176 [hep-ex].

Lihat juga:
1) M. Schirber. Fokus: Neutrinos Lebih Cerah di Malam // Fizik 7, 24 (2014) – cerita yang ada mengenai kajian ini.
2) S.P. Mikheev, A.Yu. Smirnov. Urut resonans Neutrino dalam perkara // UFN 153, 3 (1987).
3) Gershtein S.S.. Misteri Solar Neutrinos // Soros Educational Journal, vol. 8 (1997).
4) R. Davis (Jr.). Setengah abad dengan neutrino solar // UFN 174, 408 (2004) dan M. Koshiba. Kelahiran astrofizik neutrino // UFN 174, 418 (2004) – Ceramah Nobel.
5) L. A. Kuz'michev. Astrofizik Neutrino, seksyen buku teks elektronik INP MSU.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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