Nobelov nagrajenec za fiziko namerava izmeriti maso nevtrinov. Teorija nevtrinskih oscilacij, za potrditev katere je bila podeljena Nobelova nagrada za fiziko, je bila predstavljena v ZSSR Mali nevtralni delec

Fiziki, nagrajenci Nobelova nagrada 2015, odkrili pojav, nezdružljivo s splošno sprejetim Standardni model elementarnih delcev. Neodvisno drug od drugega so to eksperimentalno potrdili nevtrini imajo maso. Higgsov mehanizem nastanka mase osnovnih delcev tega pojava ne more pojasniti. Po standardnem modelu nevtrini ne bi smeli imeti mase.

Poraja se veliko vprašanj, odpira se široko polje za nove raziskave.

Tudi v 60. leta prejšnje stoletje Bruno Pontecorvo, slavni italijanski in sovjetski(priseljen v ZSSR leta 1950) fizik, ki je delal v Skupni inštitut za jedrske raziskave V Dubna, je predlagal, da imajo nevtrini maso, in predlagal zamisel o poskusu za preverjanje te hipoteze. Dokaz prisotnosti mase v nevtrinih je lahko opazovanje njihovega nihanja. Nihanja so ponavljajoči se procesi v stanju sistema.

Za nevtrine je to ponavljajoča se transformacija treh vrst nevtrinov(elektronov, mionov in tau nevtrinov) drug v drugega. Iz teorije je sledilo, da je trajanje nihajnih dob določeno z razliko v kvadratih mas nevtrinov, ki prehajajo iz ene vrste v drugo. Veljalo je, da ima elektronski nevtrino najmanjšo maso, mionski nevtrino malo večjo, tau nevtrino pa še večjo. Z opazovanjem nihanj je mogoče oceniti razliko v kvadratih mas in s tem dokazati, da mase nevtrinov obstajajo, v tem poskusu pa ni mogoče oceniti vrednosti mase vsake vrste nevtrinov posebej.

Nobelov nagrajenec Arthur MacDonald proučevali tok sončnih nevtrinov na nevtrinskem observatoriju Sudbury v Kanadi. Nevtrinske tokove iz Sonca so že večkrat preučevali na različnih podzemnih observatorijih po svetu in vedno se je izkazalo, da opazovani tok nevtrinov je trikrat manjši od pričakovanega. Pričakovani tok je bil ocenjen v skladu z izkoristkom nevtrinov iz termonuklearnih reakcij, ki potekajo v sončnem jedru. Zaradi teh reakcij iz Sonca teče tok elektronskih nevtrinov. Prav to vrsto nevtrina so detektorji lahko zaznali. Dolgo se domneva, da se lahko nevtrini na poti od Sonca preobrazijo iz elektronov v druge vrste. Arthur MacDonald je lahko opazoval tokove vseh treh vrst nevtrinov in pokazal, da v celoti ustrezajo pričakovanemu. Pokazalo se je, da je obdobje oscilacij krajše od časa, v katerem nevtrinski tok potuje od Sonca do Zemlje, v tem času pa se veliko število elektronskih nevtrinov uspe spremeniti v mione in tau. Tako je bil proces oscilacij eksperimentalno odkrit in posledično potrjeno, da ima nevtrino maso.

Nobelov nagrajenec Takaaki Khajiit izvedel opazovanja visokoenergijskih nevtrinov na nevtrinskem teleskopu Super-Kamiokande. Visokoenergijski nevtrini nastanejo v zemeljski atmosferi kot posledica delovanja kozmičnih žarkov. Poskus je obsegal primerjavo tokov mionskih netrinov, ki prihajajo na detektor neposredno iz atmosfere, s tokom nevtrinov z nasprotne strani Zemlje, ki gredo skozi celotno debelino Zemlje do detektorja. Izkazalo se je, da se je v drugem toku nekaj mionskih nevtrinov spremenilo v elektrone. Tako je bilo neodvisno dokazano, da v nevtrinskih tokovih prihaja do oscilacij, zato imajo nevtrini maso.

V resnici so tako procesi sami kot njihova opazovanja za veliko redov velikosti bolj zapleteni od tistih, ki so opisani v tem besedilu.

MOSKVA, 6. oktober - RIA Novosti. Kanadski fizik Arthur MacDonald, ki je skupaj z Japoncem Takaakijem Kajito leta 2015 prejel Nobelovo nagrado za odkritje oscilacij nevtrinov, sanja o meritvah natančne mase nevtrinov, kar bi znanstvenikom omogočilo odkriti skrivnost rojstva vesolja, ki jo je napovedal. na novinarski konferenci v Stockholmu.

»Da, res imamo še veliko vprašanj o tem, kaj so nevtrini in kako se njihove transformacije ujemajo s standardnim modelom fizike. Ne vemo še, kakšna je masa nevtrinov, zdaj pa v naših laboratorijih potekajo poskusi. v katerem Poskušamo ga izračunati in razumeti, ali obstajajo druge vrste teh delcev,« je dejal znanstvenik.

Nobelova nagrada za fiziko 2015 podeljena za oscilacije nevtrinovNagrado sta prejela znanstvenika Arthur B. MacDonald (Kanada) in Takaaki Kaita (Japonska) za odkritje, ki bi lahko odločilno spremenilo razumevanje vesolja, je sporočil Nobelov odbor.

McDonald in Khajita sta leta 2015 prejela Nobelovo nagrado za fiziko za njuno odkritje leta 1998 pojava nevtrinskih oscilacij – sposobnosti teh izmuzljivih delcev, da »preklapljajo« med tremi vrstami: elektronskimi, mionskimi in tau nevtrini.

Nevtrini so električno nevtralni osnovni delci, ki nastanejo kot posledica različnih vrst jedrskih reakcij, zlasti v jedrskih reaktorjih, ali pa se rodijo na Soncu in padejo na Zemljo s kozmičnimi žarki. Odlikuje jih izjemno visoka prodorna sposobnost. Nevtrino lahko leti skozi stotine metrov betona in "ne opazi" ovire.

Sposobnost različnih vrst nevtrinov, da se transformirajo drug v drugega, lahko obstaja le, če ima ta delec maso, ki je različna od nič. Ocene mase vesolja in s tem ideje o njegovi prihodnji usodi so odvisne od prisotnosti mase v nevtrinih. Poleg tega lahko neničelna masa nevtrinov pojasni dejstvo, da je vesolje sestavljeno iz materije in v njem praktično ni antimaterije, čeprav bi se morale v trenutku velikega poka pojaviti enake količine obeh.

Odkritje Macdonalda in Khajite je bilo dokončno potrjeno šele poleti 2015, ko so fiziki CERN-a zaznali peti nevtrino tau v toku mionskih nevtrinov, ki se premikajo iz Švice v Italijo, kjer se nahaja znameniti detektor OPERA, ki je povzročil "superluminalni nevtrino " senzacija leta 2011, ki pa je bila kmalu ovržena.

Zdaj je nemogoče napovedati, kako bodo uporabljeni rezultati študij nevtrinov, pravijo strokovnjaki. Vendar te študije že imajo nekatere praktične rezultate ali pa jih je mogoče pričakovati v bližnji prihodnosti.

Kot so ruski znanstveniki povedali za RIA Novosti v okviru "znanstvenega ponedeljka", je z uporabo nevtrinoskopije Zemlje mogoče preslikati kamnine v notranjosti Zemlje, preučiti zgodovino vulkanskih izbruhov in taljenja ledu na Antarktiki ter spremljati delovanje jedrskih elektrarn in spremljanje poskusov jedrskega orožja.

Fizika

Nobelova nagrada 2015 je bila podeljena za "odkritje nevtrinskih nihanj, ki dokazujejo, da imajo nevtrini maso".

Leta 1998 je Takaaki Kajita, takratni član kolaboracije Super-Kamiokande, predstavil podatke, ki dokazujejo izginotje atmosferskih mu-nevtrinov, to je nevtrinov, ki jih proizvajajo kozmični žarki, ki prehajajo skozi atmosfero, na poti do detektorja. Leta 2001 je Arthur B. McDonald, direktor Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Collaboration, objavil dokaze o pretvorbi sončnih elektronskih nevtrinov v mu in tau nevtrine. Ta odkritja so bila velikega pomena in so pomenila preboj v fiziki delcev. Nevtrinske oscilacije in medsebojno povezana vprašanja narave nevtrinov, mase nevtrinov in možnosti prekinitve simetrije nabojnega razmerja leptonov so danes najpomembnejša vprašanja kozmologije in fizike osnovnih delcev.

Živimo v svetu nevtrinov. Skozi naše telo vsako sekundo »preteče« na tisoče milijard nevtrinov. Ni jih mogoče videti in ne čutiti. Nevtrini drvijo skozi vesolje s skoraj svetlobno hitrostjo in praktično ne interagirajo s snovjo. Tako v vesolju kot na Zemlji obstaja ogromno virov nevtrinov. Nekateri nevtrini so se rodili kot posledica velikega poka. In zdaj so viri nevtrinov eksplozije supernov in razpad super velikank, pa tudi radioaktivne reakcije v jedrskih elektrarnah in procesi naravnega radioaktivnega razpada v naravi. Tako so nevtrini drugi najštevilčnejši osnovni delci za fotoni, delci svetlobe. Toda kljub temu njihov obstoj dolgo ni bil določen.

Možnost obstoja nevtrinov je predlagal avstrijski fizik Wolfgang Pauli kot poskus razlage transformacije energije med beta razpadom (vrsta radioaktivnega razpada atoma z emisijo elektronov). Decembra 1930 je predlagal, da nekaj energije odvzame električno nevtralen delec s šibko interakcijo z zelo majhno maso (po možnosti brez mase). Pauli je sam verjel v obstoj takega delca, hkrati pa je razumel, kako težko je zaznati delec s takšnimi parametri z metodami eksperimentalne fizike. O tem je zapisal: "Naredil sem grozno stvar, postuliral sem obstoj delca, ki ga ni mogoče zaznati." Kmalu po odkritju leta 1932 masivnega, močno medsebojno delujočega delca, podobnega protonu, a le nevtralnega (del atoma je nevtron), je italijanski fizik Enrico Fermi predlagal, naj Pauli poimenuje izmuzljivi osnovni delec nevtrino.

Priložnost za odkrivanje nevtrinov se je pojavila šele v poznih 50. letih, ko je bilo zgrajenih veliko število jedrskih elektrarn in se je tok nevtrinov močno povečal. Leta 1956 je F. Rhines (prav tako kasneje Nobelov nagrajenec leta 1995) izvedel poskus, da bi uresničil idejo sovjetskega fizika B.M. Pontecorvo o odkrivanju nevtrinov in antinevtrinov v jedrskem reaktorju v Južni Karolini. Zato je poslal telegram Wolfgangu Pauliju (le leto pred smrtjo), v katerem ga je obvestil, da so nevtrini pustili sledi v njihovem detektorju. In že leta 1957 je B.M. Pontecorvo je objavil še eno pionirsko delo o nevtrinih, v katerem je uvedel idejo o oscilacijah nevtrinov.
Od 60. let prejšnjega stoletja so znanstveniki aktivno začeli razvijati novo znanstveno smer - nevtrinsko astronomijo. Ena od nalog je bila prešteti število nevtrinov, ki nastanejo kot posledica jedrskih reakcij na Soncu. Toda poskusi registracije ocenjenega števila nevtrinov na Zemlji so pokazali, da manjkata približno dve tretjini nevtrinov! Seveda lahko pride do napak v opravljenih izračunih. Toda ena od možnih rešitev je bila, da so nekateri nevtrini spremenili svoj tip. V skladu s standardnim modelom, ki trenutno velja v fiziki delcev (slika 1), obstajajo tri vrste nevtrinov - elektronski nevtrini, mu-nevtrini in tau nevtrini.

Slika 1 – Standardni model je teoretični konstrukt v fiziki delcev, ki opisuje elektromagnetne, šibke in močne interakcije vseh osnovnih delcev. Standardni model ni teorija vsega, ker ne opisuje temne snovi, temne energije in ne vključuje gravitacije. Vsebuje 6 leptonov (elektron, mion, tau lepton, elektronski nevtrino, mionski nevtrino in tau nevtrino), 6 kvarkov (u, d, s, c, b, t) in 12 ustreznih antidelcev. (http://elementy.ru/LHC/HEP/SM)

Vsaka vrsta nevtrina ustreza svojemu nabitemu partnerju - elektronu, in dvema drugim težjim delcem s krajšo življenjsko dobo - mionu in leptonu tau. Zaradi jedrskih reakcij na Soncu se rodijo le elektronski nevtrini, manjkajoče nevtrine pa bi lahko našli, če bi se elektronski nevtrini na poti do Zemlje spremenili v mu-nevtrine in tau-nevtrine.

Iskanje nevtrinov globoko pod zemljo

Iskanje nevtrinov se izvaja nenehno, podnevi in ​​ponoči, v ogromnih napravah, zgrajenih globoko pod zemljo, da bi preprečili zunanji hrup, ki ga povzročajo kozmično sevanje in spontane radioaktivne reakcije v okolju. Zelo težko je ločiti signale nekaj pravih sončnih nevtrinov od milijard lažnih.

Nevtronski observatorij Super-Kamiokande je bil zgrajen leta 1996 pod goro Kamioka, 250 km severozahodno od Tokia. Drugi observatorij, Sudbury Neutrino Observatory (SNO), je bil zgrajen leta 1999 v rudniku niklja blizu Ontaria.

Slika 2 – Super-Kamiokande je detektor atmosferskih nevtrinov. Pri interakciji nevtrina z vodo nastane električno nabit delec. To vodi do pojava sevanja Čerenkova-Vavilova, ki ga zabeležijo detektorji svetlobe. Oblika in intenzivnost spektra sevanja Čerenkova-Vavilova omogočata določitev vrste delca in od kod prihaja.

Super-Kamiokande je velikanski detektor, zgrajen na globini 1000 metrov. Sestavljen je iz rezervoarja velikosti 40 krat 40 metrov, napolnjenega s 50.000 tonami vode. Voda v rezervoarju je tako čista, da lahko svetloba potuje 70 metrov, preden se njena intenzivnost prepolovi. V navadnem bazenu je ta razdalja le nekaj metrov. Na straneh rezervoarja, na njegovem vrhu in dnu, je 11.000 detektorjev svetlobe, ki vam omogočajo, da zaznate najmanjši blisk svetlobe v vodi. Veliko število nevtrinov gre skozi rezervoar z vodo, vendar le nekaj od njih sodeluje z atomi in/ali elektroni, da tvorijo električno nabite delce. Iz mu-nevtrinov nastanejo mioni, iz elektronskih nevtrinov pa elektroni. Okoli nabitih delcev se oblikujejo bliski modre svetlobe. To je tako imenovano sevanje Čerenkova-Vavilova, ki nastane, ko se nabiti delci gibljejo s hitrostjo, ki presega hitrost svetlobe v danem mediju. In to ni v nasprotju z Einsteinovo teorijo, ki trdi, da se v vakuumu nič ne more premikati hitreje od svetlobne hitrosti. V vodi je hitrost svetlobe le 70 % hitrosti svetlobe v vakuumu in jo zato lahko blokira hitrost nabitega delca.

Ko kozmično sevanje prehaja skozi plasti atmosfere, se rodi veliko število mu-nevtrinov, ki morajo do detektorja prepotovati le nekaj deset kilometrov. Super-Kamiokande lahko zazna mu-nevtrine, ki prihajajo neposredno iz atmosfere, pa tudi tiste nevtrine, ki vstopijo v detektor z nasprotne strani in gredo skozi celotno debelino globusa. Pričakovati je bilo, da bo število mu-nevtrinov, zaznanih v obe smeri, enako, saj debelina zemlje ne predstavlja nobene ovire za nevtrine. Vendar je bilo število nevtrinov, ki so zadeli Super-Kamiokande neposredno iz ozračja, veliko večje. Število elektronskih nevtrinov, ki so prišli v obe smeri, se ni razlikovalo. Izkazalo se je, da se je tisti del mu-nevtrina, ki je prepotoval daljšo pot skozi debelino zemlje, najverjetneje nekako spremenil v tau-nevtrino. Vendar je bilo nemogoče zabeležiti te transformacije neposredno na observatoriju Super-Kamiokande.

Da bi dobili končni odgovor na vprašanje o možnosti nevtrinskih transformacij oziroma nevtrinskih oscilacij, so izvedli še en poskus na drugem nevtrinskem observatoriju, Sudbury Neutrino Observatory (Slika 3). Zgrajena je bila 2000 metrov pod zemljo in opremljena z 9500 detektorji svetlobe. Observatorij je namenjen zaznavanju sončnih nevtrinov, katerih energija je bistveno nižja od tistih, ki nastanejo v plasteh atmosfere. Rezervoar ni bil napolnjen le s prečiščeno vodo, temveč s težko vodo, v kateri ima vsak atom vodika v molekuli vode dodaten nevtron. Tako je verjetnost interakcije nevtrinov s težkimi atomi vodika veliko večja. Poleg tega prisotnost težkih jeder omogoča interakcijo nevtrinov z drugimi jedrskimi reakcijami, zato bodo opazovani svetlobni bliski drugačne intenzivnosti. Nekatere vrste reakcij omogočajo zaznavanje vseh vrst nevtrinov, vendar na žalost ne omogočajo natančnega razlikovanja ene vrste od druge.

Slika 3 – Sudbury Neutrino Observatory je detektor sončnih nevtrinov. Reakcije med jedri težkega vodika in nevtrini omogočajo zaznavanje samo elektronskih nevtrinov in vseh vrst nevtrinov hkrati. (Ilustraciji 2 in 3 s spletne strani Nobelovega odbora nobelprize.org in Švedske akademije znanosti kva.se)

Po začetku poskusa je observatorij zaznal 3 nevtrine na dan od 60 milijard nevtrinov, ki na Zemljo prispejo s Sonca vsak 1 cm2. In še vedno je bilo 3-krat manjše od izračunanega števila elektronskih sončnih nevtrinov. Skupno število vseh vrst nevtrinov, odkritih na observatoriju, je z visoko natančnostjo ustrezalo pričakovanemu številu nevtrinov, ki jih oddaja Sonce. Posplošitev eksperimentalnih rezultatov dveh nevtrinskih observatorijev, teorija, ki jo je predlagal Pontecorvo o temeljni možnosti nevtrinskih oscilacij, je omogočila dokazati obstoj nevtrinskih transformacij na poti od Sonca do Zemlje. V teh dveh observatorijih, Super-Kamiokande in Sudbury Neutrino Observatory, so bili opisani rezultati prvič pridobljeni in njihova interpretacija je bila predlagana leta 2001. Da bi dokončno preverili pravilnost eksperimentov, se je leto kasneje, leta 2002, začel eksperiment KamLAND (Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector), v katerem je bil kot vir nevtronov uporabljen reaktor. Nekaj ​​let kasneje, ko je bilo zbranih dovolj statističnih podatkov, so bili rezultati o transformaciji nevtrinov potrjeni z visoko natančnostjo.

Za razlago mehanizma nevtrinskih transformacij ali nevtrinskih oscilacij so se znanstveniki obrnili na klasično teorijo kvantne mehanike. Učinek transformacije elektronskih nevtrinov v mu- in tau-nevtrine z vidika kvantne mehanike predpostavlja, da imajo nevtrini maso, sicer je ta proces nemogoč tudi teoretično. V kvantni mehaniki delcu določene mase ustreza valovanje določene frekvence. Nevtrini so superpozicija valov, ki ustrezajo nevtrinom različnih vrst z različnimi masami. Ko so valovi v fazi, je nemogoče ločiti eno vrsto nevtrina od druge. Toda v daljšem času gibanja nevtrinov od Sonca do Zemlje lahko pride do defaziranja valov in takrat je možna njihova kasnejša superpozicija na drugačen način. Potem postane mogoče razlikovati eno vrsto nevtrina od druge. Do teh nenavadnih sprememb pride, ker imajo različne vrste nevtrinov različne mase, vendar se razlikujejo za zelo majhno količino. Masa nevtrina naj bi bila milijonkrat manjša od mase elektrona – to je nepomembna količina. Ker pa so nevtrini zelo pogosti delci, je vsota mas vseh nevtrinov približno enaka masi vseh vidnih zvezd.

Kljub takšnim uspehom fizikov ostaja veliko vprašanj še vedno nerešenih. Zakaj so nevtrini tako lahki? Ali obstajajo druge vrste nevtrinov? Zakaj se nevtrini tako razlikujejo od drugih osnovnih delcev? Poskusi potekajo in obstaja upanje, da bodo razkrili nove lastnosti nevtrinov in nas tako približali razumevanju zgodovine, strukture in prihodnosti vesolja.

Pripravljeno iz materialov s spletne strani nobelprize.org.

Poljudna literatura in viri

Takaaki Kajita in Arthur B. McDonald

Nobelovo nagrado za fiziko leta 2015 so prejeli za odkritje oscilacij nevtrinov. Nagrajenca sta bila znanstvenika Arthur B. McDonald iz Kanade in Takaaki Kajita iz Japonske.

Za njihov pomemben prispevek k eksperimentom, ki so pokazali, da lahko nevtrini spremenijo stanje. Ta metamorfoza zahteva, da imajo nevtrini maso. Odkritje znanstvenikov je spremenilo naše razumevanje materije in lahko odločilno spremeni naše razumevanje vesolja, je sporočil Nobelov odbor.

McDonald je profesor na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo (ZDA) in zaslužni profesor na Queen's University (Kanada). Takaaki Kaita vodi Inštitut za raziskovanje kozmičnih žarkov in je profesor na Univerzi v Tokiu.

Lani so Nobelovo nagrado za fiziko prejeli Isamu Akasaki (Japonska), Hiroshi Amano (Japonska) in Shuji Nakamura (ZDA) za izum novega energijsko učinkovitega in okolju prijaznega vira svetlobe - modre svetleče diode ( LED). Izum znanstvenikov je učinkovita alternativa običajnim žarnicam.

Največ nagrad v fiziki so podelili za raziskave osnovnih delcev (34), jedrske fizike (28), fizike kondenzirane snovi (28) in kvantne mehanike (11), poroča BBC. Najbolj znan Nobelov nagrajenec vseh časov, disciplin in ljudstev je bil Albert Einstein. Leta 1921 je prejel Nobelovo nagrado za fiziko – kot rečeno, za zasluge na področju teoretične fizike, zlasti za odkritje fotoelektričnega učinka.

Dodati je treba, da so bili vsi ti začetni dokazi v prid nevtrinskih oscilacij pridobljeni v "eksperimentih izginjanja". To so vrste poskusov, pri katerih izmerimo tok, vidimo, da je šibkejši od pričakovanega, in ugibamo, da so se nevtrini, ki jih iščemo, spremenili v drugo vrsto. Da bi bili bolj prepričljivi, morate videti isti proces neposredno, skozi "eksperiment o nastanku" nevtrinov. Takšni poskusi se izvajajo tudi zdaj in njihovi rezultati so skladni s poskusi izumrtja. Na primer, v CERN-u obstaja posebna pospeševalna linija, ki "izstreli" močan žarek mionskih nevtrinov v smeri italijanskega laboratorija Gran Sasso, ki se nahaja 732 km stran. Detektor OPERA, nameščen v Italiji, išče tau nevtrine v tem toku. V petih letih delovanja je OPERA ujela že pet tau nevtrinov, kar dokončno dokazuje resničnost že odkritih oscilacij.

Drugo dejanje: Sončna anomalija

Druga skrivnost fizike nevtrinov, ki je zahtevala razrešitev, je zadevala sončne nevtrine. Nevtrini se rodijo v središču Sonca med termonuklearno fuzijo; spremljajo reakcije, zaradi katerih Sonce sije. Zahvaljujoč sodobni astrofiziki dobro vemo, kaj bi se moralo zgoditi v središču Sonca, kar pomeni, da lahko izračunamo hitrost proizvodnje nevtrinov tam in njihov tok, ki doseže Zemljo. Z eksperimentalnim merjenjem tega toka (slika 6) bomo lahko prvič pogledali neposredno v središče Sonca in preverili, kako dobro razumemo njegovo zgradbo in delovanje.

Poskusi za odkrivanje sončnih nevtrinov se izvajajo od šestdesetih let prejšnjega stoletja; del Nobelove nagrade za fiziko za leto 2002 je šel prav za ta opažanja. Ker je energija sončnih nevtrinov majhna, reda MeV ali manj, detektor nevtrinov ne more določiti njihove smeri, temveč zabeleži le število jedrskih transformacijskih dogodkov, ki jih povzročijo nevtrini. In tudi tu se je takoj pojavila težava, ki se je postopoma krepila. Na primer, eksperiment Homestake, ki je deloval približno 25 let, je pokazal, da je bil kljub nihanjem zabeleženi tok v povprečju trikrat manjši od tistega, ki so ga predvidevali astrofiziki. Te podatke so v 90. letih prejšnjega stoletja potrdili drugi poskusi, zlasti Gallex in SAGE.

Zaupanje, da detektor deluje pravilno, je bilo tako veliko, da so bili številni fiziki nagnjeni k prepričanju, da astrofizikalne teoretične napovedi nekje ne uspejo – v središču Sonca so bili procesi preveč zapleteni. Vendar so astrofiziki model izpopolnili in vztrajali pri zanesljivosti napovedi. Tako je problem še vedno obstajal in zahteval je pojasnilo.

Seveda tudi pri nas teoretiki že dolgo razmišljajo o oscilacijah nevtrinov. Predpostavljeno je bilo, da se na poti iz sončne notranjosti nekateri elektronski nevtrini spremenijo v mion ali tau. In ker poskusi, kot sta Homestake in GALLEX, zaradi svoje zasnove lovijo izključno elektronske nevtrine, so podcenjeni. Poleg tega so v 70-ih in 80-ih letih prejšnjega stoletja teoretiki predvidevali, da bi morali nevtrini, ki se širijo znotraj Sonca, nihati nekoliko drugače kot v vakuumu (ta pojav so poimenovali učinek Mikheev-Smirnov-Wolfenstein), kar bi lahko tudi pomagalo razložiti sončno anomalijo.

Da bi rešili problem sončnih nevtrinov, je bilo treba narediti na videz preprosto stvar: zgraditi detektor, ki bi lahko zajel celoten tok vseh vrst nevtrinov, pa tudi ločeno tok elektronskih nevtrinov. Takrat bo mogoče zagotoviti, da nevtrini, ki nastajajo znotraj Sonca, ne izginejo, ampak preprosto spremenijo svojo vrsto. Toda zaradi nizke energije nevtrinov je bilo to problematično: navsezadnje se ne morejo spremeniti v mion ali tau lepton. To pomeni, da jih moramo iskati na drug način.

Detektor Super-Kamiokande se je poskušal spopasti s to težavo z uporabo elastičnega sipanja nevtrinov na elektronih atoma in beleženjem odboja, ki ga elektron prejme. Takšen proces je načeloma občutljiv na nevtrine vseh vrst, vendar zaradi posebnosti šibke interakcije k njemu pretežni prispevek prispevajo elektronski nevtrini. Zato se je izkazalo, da je občutljivost na skupni tok nevtrinov šibka.

In tu je odločilno besedo rekel drug detektor nevtrinov, SNO. V njem, za razliko od Super-Kamiokande, ni uporabil navadne, ampak težke vode, ki vsebuje devterij. Jedro devterija, devteron, je šibko vezan sistem protona in nevtrona. Od udarca nevtrina z energijo več MeV lahko devteron razpade na proton in nevtron: \(\nu + d \to \nu + p + n\). Ta proces, ki ga povzroča nevtralna komponenta šibke interakcije (nosilec je Z-bozon), ima enako občutljivost na nevtrine vseh treh vrst, zlahka pa ga zaznamo z ujetjem nevtrona v devterijeva jedra in emisijo kvanta gama. Poleg tega lahko SNO ločeno zazna povsem elektronske nevtrine z delitvijo devtrona na dva protona, \(\nu_e + d \to e + p + p\), do česar pride zaradi nabite komponente šibkih interakcij (nosilec je W bozon).

Kolaboracija SNO je začela zbirati statistične podatke leta 1998 in ko se je nabralo dovolj podatkov, je v dveh publikacijah, 2001 in 2002, predstavila rezultate merjenja celotnega nevtrinskega toka in njegove elektronske komponente (glej: Merjenje stopnje ν e +d→str+str+e B In ). In nekako se je naenkrat vse postavilo na svoje mesto. Skupni tok nevtrinov se je dejansko ujemal s predvidevanjem sončnega modela. Elektronski del je bil dejansko le tretjina tega toka, kar se ujema s številnimi prejšnjimi poskusi prejšnje generacije. Tako se sončni nevtrini niso nikamor izgubili - preprosto, ko so se rodili v središču Sonca v obliki elektronskih nevtrinov, so se na poti do Zemlje dejansko spremenili v nevtrine drugačne vrste.

Tretje dejanje, nadaljevanje

Nato so bili na prelomu stoletja izvedeni drugi eksperimenti z nevtrini. In čeprav so fiziki že dolgo sumili, da nevtrini nihajo, sta bila Super-Kamiokande in SNO tista, ki sta predstavila neizpodbitne argumente - to je njihova znanstvena zasluga. Po njihovih rezultatih se je v fiziki nevtrinov nenadoma zgodil fazni prehod: težave, ki so mučile vse, so izginile, oscilacije so postale dejstvo, predmet eksperimentalnih raziskav in ne le teoretičnega razmišljanja. Fizika nevtrinov je doživela eksplozivno rast in je zdaj eno najbolj aktivnih področij fizike delcev. Tam redno prihaja do novih odkritij, po vsem svetu se začenjajo nove eksperimentalne naprave - detektorji atmosferskih, vesoljskih, reaktorskih, pospeševalnih nevtrinov - in na tisoče teoretikov poskuša najti namige Nove fizike v izmerjenih parametrih nevtrinov.

Možno je, da bo prej ali slej v takšnem iskanju mogoče najti določeno teorijo, ki bo nadomestila standardni model, povezala več opazovanj in nam omogočila naravno razlago mase in oscilacij nevtrinov, temne snovi in ​​izvora o asimetriji med materijo in antimaterijo v našem svetu in drugih skrivnostih. Da je sektor nevtrinov postal ključni akter v tem iskanju, je v veliki meri posledica Super-Kamiokande in SNO.

Viri:
1) Sodelovanje Super-Kamiokande. Dokazi za nihanje atmosferskih nevtrinov // Phys. Rev. Lett. V. 81. Objavljeno 24. avgusta 1998.
2) Sodelovanje SNO. Merjenje stopnje ν e +d→str+str+e− Interakcije, ki jih proizvaja 8 B Sončni nevtrini na nevtrinskem observatoriju Sudbury // Phys. Rev. Lett. V. 87. Objavljeno 25. julija 2001.
3) Sodelovanje SNO. Neposredni dokazi za transformacijo arome nevtrina iz interakcij nevtralnega toka v nevtrinskem observatoriju Sudbury // Phys. Rev. Lett. V. 89. Objavljeno 13. junija 2002.