Nötrino, elektrona çok benzeyen, ancak elektrik yükü olmayan temel bir parçacıktır. Çok küçük bir kütleye sahiptir, hatta sıfır olabilir. Nötrinonun hızı da kütleye bağlıdır. Parçacığın ve ışığın varış süresindeki fark %0,0006 (± %0,0012)'dir. 2011 yılında OPERA deneyi sırasında nötrinoların hızının ışık hızını aştığı bulundu, ancak bağımsız deneyim bunu doğrulamadı.
Zor Parçacık
Bu, evrendeki en yaygın parçacıklardan biridir. Madde ile çok az etkileşime girdiği için tespit edilmesi inanılmaz derecede zordur. Elektronlar ve nötrinolar güçlü nükleer etkileşimlere katılmazlar, ancak zayıf olanlara eşit olarak katılırlar. Bu özelliklere sahip parçacıklara lepton denir. Yüklü leptonlar elektrona (ve onun antiparçacığı olan pozitrona) ek olarak müon (200 elektron kütlesi), tau (3500 elektron kütlesi) ve onların karşıtparçacıklarını içerir. Bunlar şöyle adlandırılır: elektron-, müon- ve tau-nötrinolar. Her birinin antineutrino adı verilen bir anti-materyal bileşeni vardır.
Muon ve tau, bir elektron gibi onlara eşlik eden parçacıklara sahiptir. Bunlar müon ve tau nötrinolarıdır. Üç tür parçacık birbirinden farklıdır. Örneğin, müon nötrinoları bir hedefle etkileşime girdiğinde, her zaman müon üretirler, asla tau veya elektron üretmezler. Parçacıkların etkileşiminde, elektronlar ve elektron-nötrinolar yaratılıp yok edilebilmesine rağmen, toplamları değişmeden kalır. Bu gerçek, leptonların, her biri yüklü bir lepton ve beraberinde bir nötrino bulunan üç türe bölünmesine yol açar.
Bu parçacığı tespit etmek için çok büyük ve son derece hassas dedektörler gereklidir. Tipik olarak, düşük enerjili nötrinolar, madde ile etkileşime girmeden önce birçok ışık yılı seyahat edeceklerdir. Sonuç olarak, onlarla yapılan tüm zemin tabanlı deneyler, makul boyuttaki kaydedicilerle etkileşime giren küçük kesirlerinin ölçülmesine dayanır. Örneğin, 1000 ton ağır su içeren Sudbury Nötrino Gözlemevi'nde, dedektörden saniyede yaklaşık 1012 güneş nötrinosu geçmektedir. Ve günde sadece 30 tane bulunur.
Keşif geçmişi
Wolfgang Pauli ilk olarak 1930'da bir parçacığın varlığını öne sürdü. O sırada bir sorun ortaya çıktı çünkü beta bozunmasında enerjinin ve açısal momentumun korunmadığı görülüyordu. Ancak Pauli, etkileşime girmeyen nötr bir nötrino parçacığı yayılırsa, enerjinin korunumu yasasının gözlemleneceğini kaydetti. İtalyan fizikçi Enrico Fermi 1934'te beta bozunması teorisini geliştirdi ve parçacığa adını verdi.
Tüm tahminlere rağmen, nötrinolar madde ile zayıf etkileşimi nedeniyle 20 yıl boyunca deneysel olarak tespit edilemedi. Parçacıklar elektriksel olmadığı içinyüklüdürler, elektromanyetik kuvvetlerden etkilenmezler ve bu nedenle maddenin iyonlaşmasına neden olmazlar. Ek olarak, madde ile sadece ihmal edilebilir kuvvette zayıf etkileşimler yoluyla reaksiyona girerler. Bu nedenle, herhangi bir reaksiyona neden olmadan çok sayıda atomdan geçebilen en nüfuzlu atom altı parçacıklardır. Maddede Dünya'nın çapına eşit mesafede seyahat eden bu parçacıkların sadece 10 milyarda 1'i bir proton veya nötron ile reaksiyona girer.
Sonunda, 1956'da Frederick Reines liderliğindeki bir grup Amerikalı fizikçi elektron-antinötrino'nun keşfini duyurdu. Deneylerinde, bir nükleer reaktörden yayılan antinötrinolar, nötronları ve pozitronları oluşturmak için protonlarla etkileşime girdi. Bu en son yan ürünlerin benzersiz (ve nadir) enerji imzaları, parçacığın varlığına dair kanıt sağlar.
Yüklü müon leptonlarının keşfi, ikinci tür nötrino - müon'un daha sonra tanımlanması için başlangıç noktası oldu. Tanımlamaları, 1962'de bir parçacık hızlandırıcıdaki bir deneyin sonuçlarına dayanarak gerçekleştirildi. Pi-mezonların bozunmasıyla yüksek enerjili müonik nötrinolar üretildi ve madde ile tepkimeleri incelenebilecek şekilde dedektöre gönderildi. Reaktif olmamalarına rağmen, bu parçacıkların diğer türleri gibi, nadir durumlarda protonlar veya nötronlarla reaksiyona girdiklerinde müon-nötrinoların müon oluşturduğu, ancak asla elektron oluşturduğu bulunmuştur. 1998'de Amerikalı fizikçiler Leon Lederman, Melvin Schwartz ve Jack Steinbergermuon-nötrino'nun tanımlanması için Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.
70'lerin ortalarında, nötrino fiziği başka bir yüklü lepton türü olan tau ile dolduruldu. Tau nötrino ve tau antineutrino'nun bu üçüncü yüklü leptonla ilişkili olduğu ortaya çıktı. 2000 yılında Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda fizikçiler. Enrico Fermi, bu tür bir parçacığın varlığına dair ilk deneysel kanıtı bildirdi.
Kütle
Tüm nötrino türleri, yüklü meslektaşlarından çok daha az kütleye sahiptir. Örneğin deneyler, elektron-nötrino kütlesinin elektron kütlesinin %0,002'sinden az olması gerektiğini ve üç türün kütlelerinin toplamının 0,48 eV'den az olması gerektiğini göstermektedir. Bunun neden böyle olması gerektiğine dair ikna edici bir teorik kanıt olmamasına rağmen, uzun yıllar boyunca bir parçacığın kütlesi sıfır gibi göründü. Daha sonra, 2002'de Sudbury Nötrino Gözlemevi, Güneş'in çekirdek değişim tipindeki nükleer reaksiyonlar tarafından yayılan elektron-nötrinoların, içinden geçerken elektron-nötrinoların yayıldığına dair ilk doğrudan kanıtı sağladı. Nötrinoların bu tür "salınımları", eğer bir veya daha fazla parçacık türü küçük bir kütleye sahipse mümkündür. Dünya atmosferindeki kozmik ışınların etkileşimiyle ilgili çalışmaları da kütlenin varlığına işaret ediyor, ancak bunu daha doğru bir şekilde belirlemek için daha fazla deney gerekiyor.
Kaynaklar
Nötrinoların doğal kaynakları, Dünya'nın bağırsaklarındaki elementlerin radyoaktif bozunmasıdır.büyük bir düşük enerjili elektron-antinötrino akışı yayılır. Süpernovalar da ağırlıklı olarak bir nötrino fenomenidir, çünkü yalnızca bu parçacıklar çöken bir yıldızda üretilen süper yoğun malzemeye nüfuz edebilir; enerjinin sadece küçük bir kısmı ışığa dönüştürülür. Hesaplamalar, Güneş enerjisinin yaklaşık %2'sinin termonükleer füzyon reaksiyonlarında üretilen nötrinoların enerjisi olduğunu göstermektedir. Evrendeki karanlık maddenin çoğunun Büyük Patlama sırasında üretilen nötrinolardan oluşması muhtemeldir.
Fizik problemleri
Nötrinolar ve astrofizik ile ilgili alanlar çeşitlidir ve hızla gelişmektedir. Çok sayıda deneysel ve teorik çabayı çeken güncel sorular aşağıdaki gibidir:
- Farklı nötrinoların kütleleri nelerdir?
- Big Bang kozmolojisini nasıl etkilerler?
- Salınım yapıyorlar mı?
- Bir türden nötrinolar madde ve uzayda seyahat ederken diğerine dönüşebilir mi?
- Nötrinolar antiparçacıklarından temel olarak farklı mı?
- Yıldızlar nasıl çöker ve süpernova oluşturur?
- Kozmolojide nötrinoların rolü nedir?
Uzun süredir devam eden ve özellikle ilgi çeken sorunlardan biri, sözde güneş nötrino problemidir. Bu isim, son 30 yılda gerçekleştirilen birkaç yer tabanlı deney sırasında, güneş tarafından yayılan enerjiyi üretmek için gerekenden daha az parçacığın tutarlı bir şekilde gözlemlendiği gerçeğine atıfta bulunur. Olası çözümlerinden biri salınım, yani elektronik dönüşümün dönüşümüdür.nötrinoları Dünya'ya seyahat ederken müonlara veya tau'ya dönüştürür. Düşük enerjili müon veya tau nötrinolarını ölçmek çok daha zor olduğu için, bu tür bir dönüşüm, Dünya'da neden doğru sayıda parçacığı gözlemlemediğimizi açıklayabilir.
Dördüncü Nobel Ödülü
2015 Nobel Fizik Ödülü, nötrino kütlesini keşfettikleri için Takaaki Kajita ve Arthur McDonald'a verildi. Bu, bu parçacıkların deneysel ölçümleriyle ilgili dördüncü ödüldü. Bazıları, sıradan maddeyle zar zor etkileşime giren bir şeyi neden bu kadar önemsememiz gerektiğini merak edebilir.
Bu geçici parçacıkları tespit edebilmemiz gerçeği, insan zekasının bir kanıtıdır. Kuantum mekaniğinin kuralları olasılıklı olduğundan, neredeyse tüm nötrinoların Dünya'dan geçmesine rağmen, bazılarının onunla etkileşime gireceğini biliyoruz. Bunu algılayacak kadar büyük bir dedektör.
Bu tür ilk cihaz altmışlı yıllarda Güney Dakota'daki bir madenin derinliklerinde inşa edildi. Madene 400 bin litre temizleme sıvısı dolduruldu. Ortalama olarak, her gün bir nötrino parçacığı, bir klor atomu ile etkileşime girerek onu argona dönüştürür. İnanılmaz bir şekilde, dedektörden sorumlu olan Raymond Davis, bu birkaç argon atomunu tespit etmenin bir yolunu buldu ve kırk yıl sonra, 2002'de bu inanılmaz teknik başarı için Nobel Ödülü'ne layık görüldü.
Yeni Astronomi
Nötrinolar çok zayıf etkileşime girdiklerinden büyük mesafeler kat edebilirler. Bize aksi takdirde asla göremeyeceğimiz yerlere bakma fırsatı veriyorlar. Davis'in keşfettiği nötrinolar, Güneş'in tam merkezinde meydana gelen nükleer reaksiyonlar tarafından üretildi ve bu inanılmaz derecede yoğun ve sıcak yerden ancak diğer maddelerle neredeyse hiç etkileşime girmedikleri için kaçabildiler. Dünya'dan yüz bin ışıkyılı uzaklıkta patlayan bir yıldızın merkezinden uçan bir nötrinoyu tespit etmek bile mümkündür.
Ayrıca bu parçacıklar, Higgs bozonunu keşfeden Cenevre'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın bakabileceğinden çok daha küçük olan evreni çok küçük bir ölçekte gözlemlemeyi mümkün kılıyor. Bu nedenle Nobel Komitesi, başka bir nötrino türünün keşfi için Nobel Ödülü'nü vermeye karar verdi.
Gizemli Kayıp
Ray Davis güneş nötrinolarını gözlemlediğinde, beklenen sayının yalnızca üçte birini buldu. Çoğu fizikçi, bunun nedeninin Güneş'in astrofiziğine ilişkin yetersiz bilgi olduğuna inanıyordu: belki de yıldızın iç modelleri, içinde üretilen nötrinoların sayısını olduğundan fazla tahmin etti. Ancak yıllar geçtikçe, güneş enerjisi modelleri geliştikçe bile kıtlıklar devam etti. Fizikçiler başka bir olasılığa dikkat çektiler: sorun, bu parçacıkları anlamamızla ilgili olabilir. O zamanlar geçerli olan teoriye göre, kütleleri yoktu. Ancak bazı fizikçiler, parçacıkların aslında sonsuz küçüklüğe sahip olduğunu savundular.kütle ve bu kütle onların kıtlığının sebebiydi.
Üç yüzlü parçacık
Nötrino salınımları teorisine göre, doğada üç farklı nötrino türü vardır. Bir parçacığın kütlesi varsa, hareket ettikçe bir türden diğerine değişebilir. Üç tip - elektron, müon ve tau - madde ile etkileşime girdiğinde karşılık gelen yüklü parçacığa (elektron, müon veya tau lepton) dönüştürülebilir. Kuantum mekaniği nedeniyle "salınım" meydana gelir. Nötrino türü sabit değildir. Zamanla değişir. Bir elektron olarak varlığına başlayan bir nötrino, bir müona dönüşebilir ve sonra geri dönebilir. Böylece, Dünya'ya giderken Güneş'in çekirdeğinde oluşan bir parçacık, periyodik olarak bir müon-nötrinoya dönüşebilir veya bunun tersi de olabilir. Davis dedektörü yalnızca klorun argona nükleer dönüşümüne yol açabilen elektron nötrinolarını algılayabildiğinden, eksik nötrinoların başka türlere dönüşmesi mümkün görünüyordu. (Görünüşe göre, nötrinolar Dünya'ya giderken değil, Güneş'in içinde salınır.)
Kanada deneyi
Bunu test etmenin tek yolu, üç tür nötrino için çalışan bir dedektör yapmaktı. 1990'lardan beri, Queen's Ontario Üniversitesi'nden Arthur McDonald, Sudbury, Ontario'daki bir madende bunu yapan ekibe liderlik ediyor. Tesis, Kanada hükümetinden ödünç alınan tonlarca ağır su içeriyordu. Ağır su, içinde bir proton içeren hidrojenin bulunduğu, nadir fakat doğal olarak oluşan bir su şeklidir.bir proton ve bir nötron içeren daha ağır izotop döteryum ile değiştirilir. Kanada hükümeti, nükleer reaktörlerde soğutucu olarak kullanıldığı için ağır su stokladı. Her üç nötrino türü de bir proton ve bir nötron oluşturmak için döteryumu yok edebilir ve daha sonra nötronlar sayılır. Dedektör, Davis'e kıyasla yaklaşık üç kat daha fazla parçacık kaydetti - tam olarak Güneş'in en iyi modelleri tarafından tahmin edilen sayı. Bu, elektron-nötrinonun diğer türlerine salınım yapabileceğini gösterdi.
Japon deneyi
Aynı sıralarda, Tokyo Üniversitesi'nden Takaaki Kajita başka bir dikkate değer deney yapıyordu. Japonya'da bir madene yerleştirilmiş bir dedektör, Güneş'in bağırsaklarından değil, üst atmosferden gelen nötrinoları kaydetti. Kozmik ışın protonları atmosferle çarpıştığında, müon nötrinoları da dahil olmak üzere diğer parçacıkların duşları oluşur. Madende hidrojen çekirdeklerini müonlara dönüştürdüler. Kajita dedektörü iki yönden gelen parçacıkları görebiliyordu. Bazıları atmosferden gelerek yukarıdan düştü, bazıları ise aşağıdan hareket etti. Parçacıkların sayısı farklıydı, bu da onların farklı doğasını gösteriyordu - salınım döngülerinin farklı noktalarındaydılar.
Bilimde devrim
Hepsi egzotik ve şaşırtıcı ama salınımlar ve nötrino kütleleri neden bu kadar dikkat çekiyor? Nedeni basit. Yirminci yüzyılın son elli yılında geliştirilen standart parçacık fiziği modelinde,Hızlandırıcılardaki ve diğer deneylerdeki diğer tüm gözlemleri doğru bir şekilde tanımlayan nötrinoların kütlesiz olması gerekirdi. Nötrino kütlesinin keşfi, bir şeylerin eksik olduğunu gösteriyor. Standart Model tamamlanmamıştır. Eksik elementler, ya Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ya da henüz oluşturulmamış başka bir makine aracılığıyla henüz keşfedilmedi.
