Neytrino elektrona çox bənzəyən, lakin elektrik yükü olmayan elementar hissəcikdir. Çox kiçik bir kütləyə malikdir, hətta sıfır ola bilər. Neytrinonun sürəti də kütlədən asılıdır. Hissəciyin və işığın çatma müddətindəki fərq 0,0006% (± 0,0012%) təşkil edir. 2011-ci ildə OPERA eksperimenti zamanı neytrinoların sürətinin işıq sürətini üstələdiyi məlum oldu, lakin müstəqil təcrübə bunu təsdiq etmədi.
Əldə Edilməyən Hissəcik
Bu, kainatda ən çox yayılmış hissəciklərdən biridir. Materiya ilə çox az qarşılıqlı əlaqədə olduğundan onu aşkar etmək inanılmaz dərəcədə çətindir. Elektronlar və neytrinolar güclü nüvə qarşılıqlı təsirlərində iştirak etmirlər, lakin zəif olanlarda eyni dərəcədə iştirak edirlər. Bu xüsusiyyətlərə malik hissəciklərə leptonlar deyilir. Yüklü leptonlara elektrondan (və onun antihissəciklərindən, pozitronundan) əlavə, muon (200 elektron kütləsi), tau (3500 elektron kütləsi) və onların antihissəcikləri daxildir. Onlara belə deyilir: elektron-, muon- və tau-neytrinolar. Onların hər birinin antineytrino adlı anti-maddi komponenti var.
Muon və tau, elektron kimi, onları müşayiət edən hissəciklərə malikdir. Bunlar muon və tau neytrinolardır. Üç növ hissəcik bir-birindən fərqlidir. Məsələn, muon neytrinoları bir hədəflə qarşılıqlı əlaqədə olduqda, həmişə müon istehsal edirlər, heç vaxt tau və ya elektron deyillər. Hissəciklərin qarşılıqlı təsirində elektronlar və elektron-neytrinolar yaradılıb məhv edilsə də, onların cəmi dəyişməz qalır. Bu fakt leptonların üç növə bölünməsinə gətirib çıxarır ki, onların hər birində yüklü lepton və onu müşayiət edən neytrino var.
Bu hissəciyi aşkar etmək üçün çox böyük və son dərəcə həssas detektorlara ehtiyac var. Tipik olaraq, aşağı enerjili neytrinolar maddə ilə qarşılıqlı əlaqəyə girməzdən əvvəl bir çox işıq ili səyahət edəcəklər. Nəticə etibarilə, onlarla aparılan bütün yer əsaslı təcrübələr ağlabatan ölçülü qeyd cihazları ilə qarşılıqlı əlaqədə olan kiçik hissəsinin ölçülməsinə əsaslanır. Məsələn, 1000 ton ağır su olan Sudbury Neytrino Rəsədxanasında saniyədə təxminən 1012 günəş neytrinosu detektordan keçir. Və gündə yalnız 30 tapılır.
Kəşf tarixçəsi
Volfqanq Pauli ilk dəfə 1930-cu ildə bir hissəciyin varlığını irəli sürdü. O zaman problem yarandı, çünki beta parçalanmada enerji və bucaq impulsunun saxlanmadığı görünürdü. Lakin Pauli qeyd etdi ki, əgər qarşılıqlı təsirə malik olmayan neytral neytrino hissəcik buraxılarsa, o zaman enerjinin saxlanması qanunu müşahidə olunacaq. İtalyan fiziki Enriko Fermi 1934-cü ildə beta parçalanma nəzəriyyəsini inkişaf etdirdi və hissəciyi adını verdi.
Bütün proqnozlara baxmayaraq, 20 il ərzində neytrinoların maddə ilə zəif qarşılıqlı əlaqəsi səbəbindən eksperimental olaraq aşkar edilə bilmədi. Hissəciklər elektrik olmadığı üçünyüklü olduqda, onlar elektromaqnit qüvvələrinin təsirinə məruz qalmırlar və buna görə də maddənin ionlaşmasına səbəb olmurlar. Bundan əlavə, onlar maddə ilə yalnız cüzi gücdə olan zəif qarşılıqlı təsirlər vasitəsilə reaksiya verirlər. Buna görə də, onlar heç bir reaksiya vermədən çox sayda atomdan keçə bilən ən nüfuz edən atom altı hissəciklərdir. Bu hissəciklərin yalnız 10 milyarddan 1-i maddənin diametrinə bərabər olan məsafəni qət edərək proton və ya neytronla reaksiya verir.
Nəhayət, 1956-cı ildə Frederik Reynsin başçılıq etdiyi bir qrup amerikalı fizik elektron-antineutrinonun kəşfini elan etdi. Təcrübələrində nüvə reaktorundan buraxılan antineytrinolar neytron və pozitron əmələ gətirmək üçün protonlarla qarşılıqlı əlaqədə oldu. Bu son əlavə məhsulların unikal (və nadir) enerji imzaları hissəciyin mövcudluğuna sübut təqdim edir.
Yüklənmiş muon leptonlarının kəşfi ikinci növ neytrino - muonun sonrakı identifikasiyası üçün başlanğıc nöqtəsi oldu. Onların identifikasiyası 1962-ci ildə hissəcik sürətləndiricisində aparılan təcrübənin nəticələrinə əsasən həyata keçirilib. Yüksək enerjili muonik neytrinolar pi-mezonların parçalanması nəticəsində əmələ gəlir və detektora elə göndərilirdi ki, onların maddə ilə reaksiyaları öyrənilə bilsin. Bu hissəciklərin digər növləri kimi qeyri-reaktiv olmalarına baxmayaraq, nadir hallarda proton və ya neytronlarla reaksiyaya girdikdə, muon-neytrinoların müon əmələ gətirdiyi, lakin heç vaxt elektron olmadığı aşkar edilmişdir. 1998-ci ildə amerikalı fiziklər Leon Lederman, Melvin Schwartz və Jack Steinbergermuon-neytrino identifikasiyasına görə fizika üzrə Nobel mükafatı aldı.
1970-ci illərin ortalarında neytrino fizikası başqa bir yüklü lepton növü - tau ilə tamamlandı. Tau neytrino və tau antineytrino bu üçüncü yüklü leptonla əlaqəli olduğu ortaya çıxdı. 2000-ci ildə Milli Sürətləndirici Laboratoriyada fiziklər. Enriko Fermi bu növ hissəciyin varlığına dair ilk eksperimental sübutu bildirdi.
Kütləvi
Bütün növ neytrinoların kütləsi yüklü həmkarlarının kütləsindən çox azdır. Məsələn, təcrübələr göstərir ki, elektron-neytrino kütləsi elektron kütləsinin 0,002%-dən az olmalıdır və üç növün kütlələrinin cəmi 0,48 eV-dən az olmalıdır. Uzun illər zərrəciyin kütləsinin sıfır olduğu görünürdü, baxmayaraq ki, bunun niyə belə olması lazım olduğuna inandırıcı nəzəri sübut yox idi. Daha sonra, 2002-ci ildə, Sudbury Neytrino Rəsədxanası Günəşin nüvəsində nüvə reaksiyaları nəticəsində yayılan elektron-neytrinoların nüvədən keçərkən növünü dəyişdirdiyinə dair ilk birbaşa sübut təqdim etdi. Bir və ya bir neçə növ hissəcik bir qədər kiçik kütləyə malik olduqda neytrinoların bu cür "rəhmətləri" mümkündür. Onların Yer atmosferində kosmik şüaların qarşılıqlı təsirinə dair araşdırmaları da kütlənin olduğunu göstərir, lakin onu daha dəqiq müəyyən etmək üçün əlavə təcrübələr tələb olunur.
Mənbələr
Neytrinoların təbii mənbələri Yerin bağırsaqlarında olan elementlərin radioaktiv parçalanmasıdır.aşağı enerjili elektronların-antineytrinoların böyük bir axını buraxılır. Fövqəlnovalar da əsasən neytrino hadisəsidir, çünki çökən ulduzda əmələ gələn super sıx materiala yalnız bu hissəciklər nüfuz edə bilir; enerjinin yalnız kiçik bir hissəsi işığa çevrilir. Hesablamalar göstərir ki, Günəş enerjisinin təxminən 2%-i termonüvə sintezi reaksiyalarında əmələ gələn neytrinoların enerjisidir. Çox güman ki, kainatdakı qaranlıq maddənin böyük hissəsi Böyük Partlayış zamanı əmələ gələn neytrinolardan ibarətdir.
Fizika problemləri
Neytrinolar və astrofizika ilə əlaqəli sahələr müxtəlifdir və sürətlə inkişaf edir. Çoxlu sayda eksperimental və nəzəri səyləri cəlb edən cari suallar aşağıdakılardır:
- Fərqli neytrinoların kütlələri nə qədərdir?
- Onlar Big Bang kosmologiyasına necə təsir edir?
- Onlar salınırmı?
- Bir növ neytrinolar maddə və kosmosda səyahət edərkən digərinə çevrilə bilərmi?
- Neytrinolar antihissəciklərindən əsaslı şəkildə fərqlənirlər?
- Ulduzlar necə çöküb fövqəlnovaları əmələ gətirir?
- Neytrinoların kosmologiyada rolu nədir?
Xüsusi maraq doğuran uzun müddətdir davam edən problemlərdən biri sözdə günəş neytrino problemidir. Bu ad, son 30 il ərzində aparılan bir neçə yer əsaslı təcrübələr zamanı günəşin yaydığı enerjini istehsal etmək üçün lazım olandan daha az hissəciklərin ardıcıl olaraq müşahidə edildiyinə istinad edir. Onun mümkün həll yollarından biri salınımdır, yəni elektronun çevrilməsiYerə səyahət edərkən neytrinoları muonlara və ya taulara çevirir. Aşağı enerjili muon və ya tau neytrinoları ölçmək daha çətin olduğundan, bu cür transformasiya Yerdəki hissəciklərin düzgün sayını niyə müşahidə etmədiyimizi izah edə bilər.
Dördüncü Nobel Mükafatı
2015-ci il Fizika üzrə Nobel Mükafatı neytrino kütləsini kəşf etdiklərinə görə Takaaki Kajita və Artur McDonalda verildi. Bu, bu hissəciklərin eksperimental ölçülməsi ilə bağlı dördüncü belə mükafat idi. Bəziləri maraqlana bilər ki, adi maddə ilə çətin ki, qarşılıqlı əlaqədə olan bir şeyə niyə bu qədər əhəmiyyət verməliyik.
Bu efemer hissəcikləri aşkar edə bilməyimizin özü insan ixtirasının sübutudur. Kvant mexanikasının qaydaları ehtimal xarakterli olduğu üçün bilirik ki, demək olar ki, bütün neytrinolar Yerdən keçsə də, bəziləri onunla qarşılıqlı təsirə girəcək. Bunu aşkar etmək üçün kifayət qədər böyük detektor.
İlk belə cihaz 60-cı illərin dərinliklərində Cənubi Dakotada bir mədəndə qurulmuşdur. Mədən 400 min litr təmizləyici maye ilə dolduruldu. Orta hesabla, hər gün bir neytrino hissəciyi xlor atomu ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və onu arqona çevirir. İnanılmaz dərəcədə detektora rəhbərlik edən Raymond Davis bu bir neçə arqon atomunu aşkar etmək üçün bir üsul tapdı və bundan qırx il sonra, 2002-ci ildə bu heyrətamiz texniki uğura görə Nobel mükafatına layiq görüldü.
Yeni Astronomiya
Neytrinolar çox zəif qarşılıqlı əlaqədə olduqları üçün böyük məsafələr qət edə bilirlər. Onlar bizə heç vaxt görmədiyimiz yerlərə baxmaq imkanı verir. Davisin kəşf etdiyi neytrinolar Günəşin tam mərkəzində baş verən nüvə reaksiyaları nəticəsində yaranıb və bu inanılmaz sıx və isti yerdən yalnız digər maddələrlə çətin qarşılıqlı əlaqədə olduqları üçün qaça biliblər. Hətta Yerdən yüz min işıq ilindən çox məsafədə partlayan ulduzun mərkəzindən uçan bir neytrino aşkar etmək mümkündür.
Bundan əlavə, bu hissəciklər Kainatı çox kiçik miqyasda, Cenevrədə Hiqqs bozonunu kəşf edən Böyük Adron Kollayderinin baxa biləcəyindən çox kiçik miqyasda müşahidə etməyə imkan verir. Məhz bu səbəbdən Nobel Komitəsi daha bir neytrino növünün kəşfinə görə Nobel mükafatının verilməsinə qərar verdi.
Sirli İtkin
Rey Devis günəş neytrinolarını müşahidə edərkən gözlənilən sayın yalnız üçdə birini tapdı. Əksər fiziklər hesab edirdilər ki, bunun səbəbi Günəşin astrofizikası haqqında zəif məlumatdır: ola bilsin ki, ulduzun daxili hissəsinin modelləri onda yaranan neytrinoların sayını həddindən artıq qiymətləndirib. İllər keçdikcə, günəş modelləri təkmilləşsə də, çatışmazlıqlar davam etdi. Fiziklər başqa bir ehtimala diqqət çəkdilər: problem bu hissəciklər haqqında anlayışımızla bağlı ola bilər. O vaxtlar hakim olan nəzəriyyəyə görə, onların kütləsi yox idi. Ancaq bəzi fiziklər hissəciklərin həqiqətən sonsuz kiçik olduğunu iddia etdilərkütlə idi və bu kütlə onların çatışmazlığına səbəb oldu.
Üç üzlü hissəcik
Neytrino salınımları nəzəriyyəsinə görə təbiətdə üç fərqli neytrino növü vardır. Əgər hissəciyin kütləsi varsa, o zaman hərəkət etdikcə bir növdən digərinə dəyişə bilər. Üç növ - elektron, muon və tau - maddə ilə qarşılıqlı əlaqə zamanı müvafiq yüklü hissəciklərə (elektron, muon və ya tau lepton) çevrilə bilər. “Rəsmə” kvant mexanikası sayəsində baş verir. Neytrinonun növü sabit deyil. Zamanla dəyişir. Varlığına bir elektron kimi başlayan neytrino müona çevrilə bilər, sonra da geri dönə bilər. Beləliklə, Günəşin nüvəsində əmələ gələn hissəcik Yerə gedərkən vaxtaşırı müon-neytrinoya və əksinə çevrilə bilər. Davis detektoru yalnız xlorun arqona nüvə çevrilməsinə səbəb ola bilən elektron neytrinoları aşkar edə bildiyindən, itkin neytrinoların başqa növlərə çevrilməsi mümkün görünürdü. (Məlum olduğu kimi, neytrinolar Yerə gedərkən deyil, Günəşin daxilində salınır.)
Kanada təcrübəsi
Bunu sınamağın yeganə yolu hər üç növ neytrino üçün işləyən detektor yaratmaq idi. 1990-cı illərdən bəri Queen's Ontario Universitetinin əməkdaşı Artur McDonald Ontario ştatının Sadberi şəhərindəki mədəndə bunu edən komandaya rəhbərlik edir. Obyektdə Kanada hökumətindən kredit götürülmüş tonlarla ağır su var idi. Ağır su nadir, lakin təbii olaraq meydana gələn su formasıdır ki, tərkibində bir proton olan hidrogenproton və neytron ehtiva edən daha ağır izotop deyteri ilə əvəz edilmişdir. Kanada hökuməti nüvə reaktorlarında soyuducu kimi istifadə edildiyi üçün ağır su ehtiyatı saxladı. Hər üç növ neytrino deyteriumu məhv edərək proton və neytron əmələ gətirə bildi və sonra neytronlar hesablandı. Detektor Devislə müqayisədə hissəciklərin sayını təxminən üç dəfə - Günəşin ən yaxşı modellərinin proqnozlaşdırdığı rəqəmi qeydə aldı. Bu, elektron-neytrinonun digər növlərə salına biləcəyini göstərirdi.
Yapon təcrübəsi
Təxminən eyni vaxtda Tokio Universitetindən Takaaki Kajita daha bir əlamətdar təcrübə edirdi. Yaponiyada mədəndə quraşdırılmış detektor Günəşin bağırsaqlarından deyil, atmosferin yuxarı qatından gələn neytrinoları qeydə alıb. Kosmik şüa protonları atmosferlə toqquşduqda, muon neytrinoları da daxil olmaqla, digər hissəciklərin yağışları əmələ gəlir. Mədəndə hidrogen nüvələrini müonlara çevirdilər. Kajita detektoru iki istiqamətdə gələn hissəcikləri görə bilirdi. Bəziləri atmosferdən gələn yuxarıdan düşdü, bəziləri isə aşağıdan hərəkət etdi. Hissəciklərin sayı fərqli idi, bu da onların fərqli təbiətini göstərirdi - onlar rəqs dövrlərinin müxtəlif nöqtələrində idilər.
Elmdə inqilab
Hamısı ekzotik və heyrətamizdir, lakin niyə salınımlar və neytrino kütlələri bu qədər diqqəti cəlb edir? Səbəbi sadədir. XX əsrin son əlli ilində hazırlanmış hissəciklər fizikasının standart modelində,sürətləndiricilərdə və digər təcrübələrdə bütün digər müşahidələri düzgün təsvir edən neytrinolar kütləsiz olmalı idi. Neytrino kütləsinin kəşfi nəyinsə əskik olduğunu göstərir. Standart Model tam deyil. İtkin elementləri ya Böyük Adron Kollayderi, ya da hələ yaradılmamış başqa bir maşın vasitəsilə tapmaq lazımdır.
