Нейтрино нь электронтой маш төстэй боловч цахилгаан цэнэггүй энгийн бөөмс юм. Энэ нь маш бага масстай, тэр ч байтугай тэг ч байж болно. Нейтриногийн хурд нь мөн массаас хамаарна. Бөөм ба гэрлийн ирэх хугацааны ялгаа нь 0.0006% (± 0.0012%) байна. 2011 онд ОПЕРА туршилтын үеэр нейтриногийн хурд гэрлийн хурдаас хэтэрдэг нь тогтоогдсон ч бие даасан туршлага үүнийг батлаагүй.
Бөөмсөг
Энэ бол орчлон ертөнцийн хамгийн түгээмэл бөөмсүүдийн нэг юм. Энэ нь бодистой маш бага харьцдаг тул илрүүлэхэд үнэхээр хэцүү байдаг. Электрон ба нейтрино нь цөмийн хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй, харин сул харилцан үйлчлэлд адилхан оролцдог. Ийм шинж чанартай бөөмсийг лептон гэж нэрлэдэг. Цэнэглэгдсэн лептонуудад электрон (мөн түүний эсрэг бөөмс, позитрон) -аас гадна мюон (200 электрон масс), тау (3500 электрон масс), тэдгээрийн эсрэг бөөмс орно. Тэдгээрийг электрон-, муон-, тау-нейтрино гэж нэрлэдэг. Тэд тус бүр нь антинейтрино гэж нэрлэгддэг материалын эсрэг бүрэлдэхүүнтэй байдаг.
Мюон ба тау нь электрон шиг бөөмстэй байдаг. Эдгээр нь мюон ба тау нейтрино юм. Гурван төрлийн бөөмс нь бие биенээсээ ялгаатай. Жишээлбэл, мюоны нейтрино нь байтай харилцан үйлчлэхэд тэд үргэлж мюон үүсгэдэг, хэзээ ч тау эсвэл электрон үүсгэдэггүй. Бөөмүүдийн харилцан үйлчлэлийн явцад электрон ба электрон-нейтрино үүсгэж, устгаж болох боловч тэдгээрийн нийлбэр өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Энэ баримт нь лептонуудыг гурван төрөлд хуваахад хүргэдэг бөгөөд тус бүр нь цэнэгтэй лептон ба дагалдах нейтринотой.
Энэ бөөмсийг илрүүлэхийн тулд маш том бөгөөд маш мэдрэмтгий мэдрэгч хэрэгтэй. Ер нь бага энергитэй нейтрино нь бодистой харьцахаас өмнө олон гэрлийн жилийг туулах болно. Иймээс тэдэнтэй хийсэн бүх газар дээр суурилсан туршилтууд нь боломжийн хэмжээтэй бичигчтэй харьцах жижиг фракцыг хэмжихэд тулгуурладаг. Жишээлбэл, 1000 тонн хүнд ус агуулсан Садбери Нейтрино ажиглалтын төвд секундэд ойролцоогоор 1012 нарны нейтрино детектороор дамждаг. Өдөрт ердөө 30 ширхэг л олддог.
Нээлтийн түүх
Вольфганг Паули анх 1930 онд бөөмс байдаг гэж таамаглаж байсан. Тэр үед бета задралд энерги болон өнцгийн импульс хадгалагдахгүй мэт санагдсан тул асуудал үүссэн. Гэвч хэрэв харилцан үйлчлэлгүй саармаг нейтрино бөөмс ялгарвал энерги хадгалагдах хууль хэрэгжинэ гэж Паули тэмдэглэв. Италийн физикч Энрико Ферми 1934 онд бета задралын онолыг боловсруулж, бөөмсийг нэрлэжээ.
Бүх таамаглалыг үл харгалзан 20 жилийн турш нейтрино нь бодистой харьцах харьцаа сул байсан тул туршилтаар илрүүлж чадаагүй юм. Учир нь бөөмс нь цахилгаан биш юмцэнэглэгдсэн тул тэдгээр нь цахилгаан соронзон хүчний нөлөөнд автдаггүй тул бодисын ионжилтыг үүсгэдэггүй. Нэмж дурдахад, тэдгээр нь үл тоомсорлох хүч чадлын сул харилцан үйлчлэлээр л бодистой урвалд ордог. Иймээс тэдгээр нь асар их тооны атомыг ямар ч урвал үүсгэхгүйгээр дамжих чадвартай, хамгийн их нэвтэрдэг субатомын тоосонцор юм. Эдгээр бөөмсийн 10 тэрбум тутмын 1 нь л дэлхийн диаметртэй тэнцэх зайд бодисоор дамжин өнгөрөхдөө протон эсвэл нейтронтой урвалд ордог.
Эцэст нь 1956 онд Фредерик Рейнс тэргүүтэй Америкийн хэсэг физикчид электрон-антинейтрино-г нээснээ зарлав. Түүний туршилтаар цөмийн реактороос ялгарах антинейтрино нь протонтой харилцан үйлчилж, нейтрон, позитрон үүсгэдэг. Эдгээр хамгийн сүүлийн үеийн дайвар бүтээгдэхүүний өвөрмөц (болон ховор) энергийн шинж тэмдэг нь бөөмс байгааг нотолж байна.
Цэнэглэгдсэн мюон лептонуудыг нээсэн нь хоёр дахь төрлийн нейтрино-мюоныг тодорхойлох эхлэл болсон. Тэднийг 1962 онд бөөмийн хурдасгуурт хийсэн туршилтын үр дүнд үндэслэн тодорхойлжээ. Өндөр энергитэй муон нейтрино нь пи-мезонуудын задралаар үүссэн бөгөөд тэдгээрийн бодистой үзүүлэх урвалыг судлах боломжтой байдлаар детектор руу илгээгдсэн. Эдгээр бөөмсийн бусад төрлийн нэгэн адил реактив бус боловч протон эсвэл нейтронтой урвалд ороход ховор тохиолдолд мюон-нейтрино нь мюон үүсгэдэг боловч хэзээ ч электрон үүсгэдэггүй нь тогтоогджээ. 1998 онд Америкийн физикч Леон Ледерман, Мелвин Шварц, Жек Стейнбергер нармуон-нейтрино-г илрүүлснийхээ төлөө физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртсэн.
1970-аад оны дундуур нейтрино физикийг өөр төрлийн цэнэглэгдсэн лептонууд - таугаар дүүргэсэн. Тау нейтрино ба тау антинейтрино нь энэхүү гурав дахь цэнэгтэй лептонтой холбоотой болох нь тогтоогдсон. 2000 онд Үндэсний хурдасгуурын лабораторийн физикчид. Энрико Ферми ийм төрлийн бөөмс байдгийн анхны туршилтын нотолгоог мэдээлэв.
Масс
Бүх төрлийн нейтрино нь цэнэгтэй нөхдөөсөө хамаагүй бага масстай. Жишээлбэл, туршилтаар электрон нейтрино масс нь электрон массын 0.002% -иас бага байх ёстой бөгөөд гурван зүйлийн массын нийлбэр нь 0.48 эВ-ээс бага байх ёстой. Олон жилийн турш бөөмийн масс тэг юм шиг санагдаж байсан ч яагаад ийм байх ёстойг баттай онолын нотолгоо байхгүй байсан. Дараа нь 2002 онд Садбери Нейтрино ажиглалтын төв нарны цөм дэх цөмийн урвалаас ялгарах электрон-нейтрино нарны цөмөөр дамжин өнгөрөхдөө төрөл нь өөрчлөгддөг анхны шууд нотолгоог гаргажээ. Хэрэв нэг буюу хэд хэдэн төрлийн бөөмс бага зэрэг масстай бол нейтриногийн ийм "хэлбэлзэл" боломжтой. Тэдний дэлхийн агаар мандалд сансрын цацрагуудын харилцан үйлчлэлийн талаарх судалгаа нь мөн масс байгааг харуулж байгаа ч үүнийг илүү нарийвчлалтай тодорхойлохын тулд нэмэлт туршилт хийх шаардлагатай байна.
Эх сурвалж
Нейтриногийн байгалийн эх үүсвэр нь дэлхийн гэдэс доторх элементүүдийн цацраг идэвхт задрал юм.бага энергитэй электрон-антинейтриногийн томоохон урсгал ялгардаг. Зөвхөн эдгээр бөөмсүүд нурж буй одонд үүссэн хэт нягт материалд нэвтэрч чаддаг тул суперновагууд нь голчлон нейтрино үзэгдэл юм; энергийн багахан хэсэг нь гэрэлд хувирдаг. Нарны энергийн 2 орчим хувь нь термоядролын нэгдлийн урвалаар үүссэн нейтриногийн энерги гэдгийг тооцоолол харуулж байна. Орчлон ертөнцийн харанхуй материйн ихэнх хэсэг нь Их тэсрэлтийн үед үүссэн нейтринооос бүрддэг байх магадлалтай.
Физикийн асуудлууд
Нейтрино болон астрофизиктэй холбоотой салбарууд олон янз бөгөөд хурдацтай хөгжиж байна. Олон тооны туршилтын болон онолын хүчин чармайлтыг татсан одоогийн асуултууд дараах байдалтай байна:
- Янз бүрийн нейтриногийн масс хэд вэ?
- Тэд Big Bang-ийн сансар судлалд хэрхэн нөлөөлдөг вэ?
- Тэд хэлбэлздэг үү?
- Нэг төрлийн нейтрино бодис болон сансар огторгуйд аялахдаа нөгөө төрөлд хувирч чадах уу?
- Нейтрино нь эсрэг бөөмсөөсөө үндсэндээ ялгаатай юу?
- Одууд хэрхэн нурж хэт шинэ од үүсгэдэг вэ?
- Сансар судлалд нейтрино ямар үүрэг гүйцэтгэдэг вэ?
Онцгой анхаарал татсан удаан хугацааны асуудлуудын нэг бол нарны нейтриногийн асуудал юм. Энэ нэр нь сүүлийн 30 жилийн хугацаанд газар дээр хийсэн хэд хэдэн туршилтын үеэр нарнаас ялгарах эрчим хүчийг үйлдвэрлэхэд шаардагдах хэмжээнээс цөөн тоосонцор тогтмол ажиглагдаж байсныг хэлж байна. Үүний боломжит шийдлүүдийн нэг бол хэлбэлзэл, өөрөөр хэлбэл электрон хувиргалт юмнейтрино нь дэлхий рүү аялж байхдаа мюон эсвэл тау руу ордог. Бага энергитэй мюон эсвэл тау нейтриноыг хэмжих нь илүү хэцүү байдаг тул ийм төрлийн өөрчлөлт нь бид яагаад дэлхий дээрх тоосонцоруудын тоог зөв ажигладаггүйг тайлбарлаж чадна.
Дөрөв дэх Нобелийн шагнал
2015 оны Физикийн Нобелийн шагналыг нейтриногийн массыг нээснийхээ төлөө Такааки Кажита, Артур Макдоналд нар хүртлээ. Энэ нь эдгээр бөөмсийн туршилтын хэмжилттэй холбоотой дөрөв дэх шагнал байв. Зарим хүмүүс бид энгийн зүйлтэй бараг харьцдаггүй зүйлд яагаад тэгтлээ санаа тавих ёстой гэж гайхаж магадгүй.
Бид эдгээр түр зуурын тоосонцорыг илрүүлж чадаж байгаа нь хүн төрөлхтний ур чадварын нотолгоо юм. Квант механикийн дүрмүүд нь магадлалын шинж чанартай байдаг тул бараг бүх нейтрино дэлхийг дайран өнгөрдөг ч тэдгээрийн зарим нь үүнтэй харьцах болно гэдгийг бид мэднэ. Үүнийг илрүүлэх хангалттай том илрүүлэгч.
Анхны ийм төхөөрөмжийг 60-аад онд Өмнөд Дакота дахь уурхайн гүнд бүтээжээ. Уурхайг 400 мянган литр цэвэрлэх шингэнээр дүүргэсэн. Өдөр бүр дунджаар нэг нейтрино бөөмс хлорын атомтай харилцан үйлчилж, түүнийг аргон болгон хувиргадаг. Гайхалтай нь детекторыг хариуцаж байсан Рэймонд Дэвис эдгээр хэдэн аргон атомыг илрүүлэх аргыг олсон бөгөөд 40 жилийн дараа буюу 2002 онд тэрээр энэхүү гайхалтай техникийн амжилтынхаа төлөө Нобелийн шагнал хүртжээ.
Шинэ одон орон
Нейтрино маш сул харилцан үйлчлэлцдэг тул тэд маш хол зайг туулж чаддаг. Тэд бидэнд хэзээ ч харж чадахгүй газруудыг үзэх боломжийг олгодог. Дэвисийн нээсэн нейтрино нь нарны яг төвд явагдсан цөмийн урвалын үр дүнд үүссэн бөгөөд бусад бодистой бараг харьцдаггүй учраас л энэ гайхалтай нягт, халуун газраас зугтаж чадсан юм. Дэлхийгээс зуун мянган гэрлийн жилийн зайд дэлбэрч буй одны төвөөс нисч буй нейтрино ч илрүүлэх боломжтой.
Үүнээс гадна эдгээр бөөмс нь Хиггс бозоныг нээсэн Женев дэх Том Адрон Коллайдерын үзэж чадах хэмжээнээс хамаагүй бага хэмжээгээр орчлон ертөнцийг маш жижиг хэмжээнд ажиглах боломжтой болгодог. Чухам ийм шалтгаанаар Нобелийн хороо өөр төрлийн нейтрино нээсэнд Нобелийн шагнал олгохоор шийдвэрлэсэн.
Нууцлаг алга
Рэй Дэвис нарны нейтриныг ажиглахдаа хүлээгдэж буй тооны гуравны нэгийг л олсон. Ихэнх физикчид үүний шалтгаан нь нарны астрофизикийн талаар муу мэдлэгтэй байсан гэж үздэг: магадгүй одны дотоод хэсгийн загварууд түүн дээр үүссэн нейтриногийн тоог хэтрүүлсэн байж магадгүй юм. Гэсэн хэдий ч олон жилийн туршид нарны загварууд сайжирч байсан ч хомсдол байсаар байв. Физикчид өөр нэг боломжид анхаарлаа хандуулав: асуудал нь эдгээр бөөмсийн талаарх бидний ойлголттой холбоотой байж болох юм. Тухайн үеийн зонхилох онолын дагуу тэд массгүй байв. Гэвч зарим физикчид бөөмс нь үнэхээр хязгааргүй жижиг хэмжээтэй байсан гэж маргадагмасс байсан бөгөөд энэ масс нь тэдний хомсдолд хүргэсэн.
Гурван нүүрт бөөмс
Нейтрино хэлбэлзлийн онолоор байгальд гурван өөр төрлийн нейтрино байдаг. Хэрэв бөөмс нь масстай бол хөдөлж байхдаа нэг төрлөөс нөгөөд шилжиж болно. Гурван төрөл - электрон, мюон, тау - бодистой харьцахдаа харгалзах цэнэгтэй бөөмс (электрон, мюон эсвэл тау лептон) болж хувирдаг. Квант механикийн улмаас "хэлбэлзэл" үүсдэг. Нейтриногийн төрөл тогтмол биш. Энэ нь цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөг. Электрон хэлбэрээр оршин тогтнож эхэлсэн нейтрино нь мюон болж хувирч, дараа нь буцаж болно. Ийнхүү нарны цөмд үүссэн бөөмс нь дэлхий рүү ирэх замдаа үе үе муон-нейтрино болон эсрэгээрээ хувирдаг. Дэвисийн детектор нь хлорыг аргон болгон цөмийн хувиргах чадвартай электрон нейтриноуудыг л илрүүлж чаддаг байсан тул алга болсон нейтрино өөр төрөл болж хувирсан байх магадлалтай юм шиг санагдсан. (Үүнээс харахад нейтрино дэлхий рүү явах замдаа биш харин нарны дотор хэлбэлздэг.)
Канадын туршилт
Үүнийг шалгах цорын ганц арга бол бүх гурван төрлийн нейтринотой ажиллах детектор бүтээх явдал байв. 1990-ээд оноос хойш Хатан хааны Онтариогийн их сургуулийн Артур Макдоналд Онтарио мужийн Садбери дахь уурхайд энэ ажлыг хийсэн багийг удирдаж байжээ. Уг байгууламжид Канадын засгийн газраас зээлсэн олон тонн хүнд ус байсан. Хүнд ус нь ховор боловч байгалийн гаралтай ус бөгөөд нэг протон агуулсан устөрөгч,протон ба нейтрон агуулсан илүү хүнд дейтерий изотопоор солигдсон. Канадын засгийн газар хүнд усыг цөмийн реакторуудад хөргөлтийн бодис болгон ашигладаг тул нөөцөлжээ. Бүх гурван төрлийн нейтрино нь дейтерийг устгаж, протон, нейтрон үүсгэх боломжтой байсан бөгөөд дараа нь нейтроныг тоолжээ. Детектор нь Дэвистэй харьцуулахад бөөмсийн тоог гурав дахин их буюу нарны шилдэг загваруудын таамаглаж байсан тоотой яг ижил тоогоор бүртгэсэн. Энэ нь электрон-нейтрино бусад төрөлдөө хэлбэлзэж болохыг харуулж байна.
Япон туршилт
Тэр үед Токиогийн их сургуулийн Такааки Кажита бас нэгэн гайхалтай туршилт хийж байв. Японы нэгэн уурхайд суурилуулсан детектор нь нарны гэдэснээс биш харин агаар мандлын дээд давхаргаас ирж буй нейтриноыг бүртгэжээ. Сансар огторгуйн протонууд агаар мандалтай мөргөлдөхөд мюон нейтрино зэрэг бусад бөөмсийн бороо үүсдэг. Уурхайд тэд устөрөгчийн цөмийг мюон болгон хувиргасан. Кажита детектор нь хоёр чиглэлд ирж буй бөөмсийг харж байв. Зарим нь дээрээс унасан, агаар мандлаас ирсэн бол зарим нь доороос хөдөлсөн. Бөөмийн тоо өөр байсан нь тэдний өөр өөр шинж чанарыг харуулсан - тэдгээр нь хэлбэлзлийн мөчлөгийн өөр өөр цэгүүдэд байсан.
Шинжлэх ухаанд гарсан хувьсгал
Энэ бүхэн чамин бөгөөд гайхалтай, гэхдээ яагаад хэлбэлзэл болон нейтрино масс нь олны анхаарлыг татдаг вэ? Шалтгаан нь энгийн. Хорьдугаар зууны сүүлийн тавин жилд боловсруулсан бөөмийн физикийн стандарт загварт,хурдасгуур болон бусад туршилтуудын бусад бүх ажиглалтыг зөв тайлбарласан бол нейтрино массгүй байх ёстой. Нейтрино массыг нээсэн нь ямар нэг зүйл дутуу байгааг харуулж байна. Стандарт загвар бүрэн дуусаагүй байна. Алга болсон элементүүдийг Том Адрон Коллайдер эсвэл хараахан бүтээгдээгүй өөр машинаар олж илрүүлээгүй байна.
