Нейтрино – электронға өте ұқсас, бірақ электр заряды жоқ элементар бөлшек. Оның өте кішкентай массасы бар, ол тіпті нөлге тең болуы мүмкін. Нейтриноның жылдамдығы да массаға байланысты. Бөлшек пен жарықтың келу уақытындағы айырмашылық 0,0006% (± 0,0012%). 2011 жылы OPERA эксперименті кезінде нейтринолардың жылдамдығы жарық жылдамдығынан асып түсетіні анықталды, бірақ тәуелсіз тәжірибе мұны растамады.
Қолданбайтын бөлшек
Бұл ғаламдағы ең көп таралған бөлшектердің бірі. Ол затпен өте аз әрекеттесетіндіктен, оны анықтау өте қиын. Электрондар мен нейтринолар күшті ядролық әсерлесуге қатыспайды, бірақ әлсіздерге бірдей қатысады. Осындай қасиеттерге ие бөлшектер лептондар деп аталады. Зарядталған лептондарға электроннан (және оның антибөлшегі, позитроннан) басқа мюон (200 электрон массасы), тау (3500 электрон массасы) және олардың антибөлшектері жатады. Оларды былай деп атайды: электрон-, мюон- және тау-нейтрино. Олардың әрқайсысында антинейтрино деп аталатын материалға қарсы компонент бар.
Мюон мен тауда электрон сияқты, олармен бірге жүретін бөлшектер бар. Бұл мюон және тау нейтринолары. Бөлшектердің үш түрі бір-бірінен ерекшеленеді. Мысалы, мюондық нейтринолар нысанамен әрекеттескенде, олар әрқашан мюондарды шығарады, ешқашан тау немесе электрондар. Бөлшектердің өзара әрекеттесуінде электрондар мен электрон-нейтринолар құрылып, жойылуы мүмкін болғанымен, олардың қосындысы өзгеріссіз қалады. Бұл факт лептондардың үш түрге бөлінуіне әкеледі, олардың әрқайсысында зарядталған лептон және ілеспе нейтрино бар.
Бұл бөлшекті анықтау үшін өте үлкен және өте сезімтал детекторлар қажет. Әдетте, энергиясы төмен нейтринолар материямен әрекеттеспес бұрын көптеген жарық жылдарын жүріп өтеді. Демек, олармен жүргізілетін барлық жерүсті тәжірибелері олардың ақылға қонымды өлшемдегі жазу құрылғыларымен әрекеттесетін шағын үлесін өлшеуге негізделген. Мысалы, Садберидегі Нейтрино обсерваториясында 1000 тонна ауыр су бар, детектор арқылы секундына шамамен 1012 күн нейтриносы өтеді. Күніне тек 30 табылды.
Табу тарихы
Вольфганг Паули бөлшектің бар екенін алғаш рет 1930 жылы тұжырымдады. Сол кезде мәселе туындады, себебі бета-ыдырауда энергия мен бұрыштық импульс сақталмайтын сияқты көрінді. Бірақ Паули, егер өзара әрекеттеспейтін бейтарап нейтрино бөлшектері шығарылса, онда энергияның сақталу заңы сақталатынын атап өтті. Итальяндық физик Энрико Ферми 1934 жылы бета-ыдырау теориясын жасап, бөлшекке оның атын берді.
Барлық болжамдарға қарамастан, 20 жыл бойы нейтринолардың затпен әрекеттесуі әлсіз болғандықтан эксперименталды түрде анықталмады. Бөлшектер электрлік емес болғандықтанзарядталған, олар электромагниттік күштердің әсеріне ұшырамайды, сондықтан олар заттың иондалуына әкелмейді. Сонымен қатар, олар елеусіз күшті әлсіз өзара әрекеттесу арқылы ғана затпен әрекеттеседі. Сондықтан олар ең көп енетін субатомдық бөлшектер болып табылады, олар көптеген атомдар арқылы ешқандай реакция тудырмай өте алады. Бұл бөлшектердің тек 10 миллиардтан 1-і ғана материя арқылы Жердің диаметріне тең қашықтықта жүріп, протонмен немесе нейтронмен әрекеттеседі.
Ақырында, 1956 жылы Фредерик Рейнс бастаған американдық физиктер тобы электронды-антинейтриноның ашылғанын жариялады. Оның тәжірибелерінде ядролық реактордан шыққан антинейтринолар протондармен әрекеттесіп, нейтрондар мен позитрондарды түзді. Осы соңғы жанама өнімдердің бірегей (және сирек) энергетикалық белгілері бөлшектің бар екендігін дәлелдейді.
Зарядталған мюон лептондарының ашылуы нейтриноның екінші түрі – мюонды кейіннен анықтаудың бастапқы нүктесі болды. Оларды анықтау 1962 жылы бөлшектердің үдеткішінде жүргізілген тәжірибенің нәтижелері бойынша жүргізілді. Жоғары энергиялы муонды нейтрино пи-мезондардың ыдырауы нәтижесінде пайда болды және олардың затпен реакцияларын зерттеуге болатындай етіп детекторға жіберілді. Олар осы бөлшектердің басқа түрлері сияқты реактивті емес болғанымен, сирек жағдайларда протондармен немесе нейтрондармен әрекеттескенде, муон-нейтринолар мюондар түзеді, бірақ ешқашан электрондар болмайды. 1998 жылы американдық физиктер Леон Ледерман, Мелвин Шварц және Джек Стейнбергермуон-нейтриноны анықтағаны үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды.
1970 жылдардың ортасында нейтрино физикасы зарядталған лептондардың тағы бір түрі – таумен толықты. Тау нейтрино және тау антинейтрино осы үшінші зарядталған лептонмен байланысты болып шықты. 2000 жылы Ұлттық үдеткіш зертханасының физиктері. Энрико Ферми бөлшектердің осы түрінің бар екендігінің алғашқы эксперименттік дәлелдерін хабарлады.
Масса
Нейтринолардың барлық түрлерінің массасы зарядталған аналогтарынан әлдеқайда аз. Мысалы, эксперименттер көрсеткендей, электрон-нейтрино массасы электрон массасының 0,002% -нан аз болуы керек және үш түрдің массаларының қосындысы 0,48 эВ-тан аз болуы керек. Көптеген жылдар бойы бөлшектің массасы нөлге тең болып көрінді, бірақ бұл неліктен бұлай болуы керек екеніне сенімді теориялық дәлел жоқ. Содан кейін, 2002 жылы Садбери Нейтрино обсерваториясы Күннің ядросындағы ядролық реакциялар шығаратын электрон-нейтринолардың күн арқылы өтетін түрін өзгертетінінің алғашқы тікелей дәлелдерін ұсынды. Нейтринолардың мұндай «тербелістері» бөлшектердің бір немесе бірнеше түрлерінің кейбір шағын массасы болса мүмкін болады. Олардың Жер атмосферасындағы ғарыштық сәулелердің өзара әрекеттесуін зерттеуі де массаның бар екенін көрсетеді, бірақ оны дәлірек анықтау үшін қосымша тәжірибелер қажет.
Дереккөздер
Нейтринолардың табиғи көздері - жер астындағы элементтердің радиоактивті ыдырауы, олардатөмен энергиялы электрон-антинейтринолардың үлкен ағыны шығарылады. Суперновалар да негізінен нейтрино құбылысы болып табылады, өйткені тек осы бөлшектер ғана құлап жатқан жұлдызда пайда болған аса тығыз материалға өте алады; энергияның аз ғана бөлігі жарыққа айналады. Есептеулер Күн энергиясының шамамен 2% термоядролық синтез реакцияларында пайда болатын нейтринолардың энергиясы екенін көрсетеді. Ғаламдағы қараңғы материяның көпшілігі Үлкен жарылыс кезінде пайда болған нейтринолардан тұруы мүмкін.
Физика мәселелері
Нейтрино мен астрофизикаға қатысты салалар алуан түрлі және қарқынды дамып келеді. Көптеген эксперименталды және теориялық күш-жігерді тартатын қазіргі сұрақтар келесідей:
- Әртүрлі нейтринолардың массалары қандай?
- Олар Үлкен жарылыс космологиясына қалай әсер етеді?
- Олар тербеледі ме?
- Бір типтегі нейтринолар материя мен кеңістікте қозғалған кезде екіншісіне айналуы мүмкін бе?
- Нейтринолардың антибөлшектерінен түбегейлі айырмашылығы бар ма?
- Жұлдыздар қалай құлап, суперноваларды құрайды?
- Нейтринолардың космологиядағы рөлі қандай?
Ерекше қызығушылық тудыратын көптен бері келе жатқан мәселелердің бірі - күн нейтрино мәселесі деп аталатын мәселе. Бұл атау соңғы 30 жыл ішінде жүргізілген бірнеше жерүсті тәжірибелері кезінде күн шығаратын энергияны өндіруге қажетті мөлшерден аз бөлшектердің дәйекті түрде байқалғанын білдіреді. Оның мүмкін шешімдерінің бірі - тербеліс, яғни электронды түрлендірунейтрино Жерге саяхат кезінде мюондарға немесе тауға айналады. Төмен энергиялы мюондарды немесе тау нейтриноларын өлшеу әлдеқайда қиын болғандықтан, мұндай түрлендіру Жердегі бөлшектердің дұрыс санын неге байқамайтынымызды түсіндіре алады.
Төртінші Нобель сыйлығы
2015 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығы Такааки Каджита мен Артур Макдональдқа нейтрино массасын ашқаны үшін берілді. Бұл бөлшектердің эксперименттік өлшемдеріне қатысты төртінші марапат болды. Кейбіреулер қарапайым затпен әрең әрекеттесетін нәрсеге неге сонша мән беруіміз керек деп ойлайтын шығар.
Бұл эфемерлі бөлшектерді анықтай алуымыздың өзі адамның тапқырлығының дәлелі. Кванттық механиканың ережелері ықтималдық болғандықтан, біз нейтринолардың барлығы дерлік Жер арқылы өткенімен, олардың кейбіреулері онымен әрекеттесетінін білеміз. Мұны анықтауға жеткілікті үлкен детектор.
Мұндай алғашқы құрылғы 60-жылдары Оңтүстік Дакотадағы шахтада жасалған. Шахта 400 мың литр тазалау сұйықтығымен толтырылды. Орташа алғанда, күн сайын бір нейтрино бөлшек хлор атомымен әрекеттесіп, оны аргонға айналдырады. Детекторды басқарған Рэймонд Дэвис осы бірнеше аргон атомдарын анықтау әдісін ойлап тапқаны таң қалдырады және қырық жылдан кейін, 2002 жылы ол осы таңғажайып техникалық ерлігі үшін Нобель сыйлығымен марапатталды.
Жаңа астрономия
Нейтринолардың өзара әрекеттесуі өте әлсіз болғандықтан, олар үлкен қашықтықты жүре алады. Олар бізге ешқашан көрмейтін жерлерді қарауға мүмкіндік береді. Дэвис ашқан нейтринолар Күннің дәл ортасында орын алған ядролық реакциялар нәтижесінде пайда болды және олар басқа заттармен әрең әрекеттесетіндіктен ғана бұл керемет тығыз және ыстық жерден құтыла алды. Тіпті Жерден жүз мың жарық жылынан астам қашықтықта жарылып жатқан жұлдыздың ортасынан ұшып бара жатқан нейтриноны анықтауға болады.
Сонымен қатар, бұл бөлшектер Ғаламды өте шағын масштабта бақылауға мүмкіндік береді, бұл Хиггс бозонын ашқан Женевадағы Үлкен адрондық коллайдер қарай алатынынан әлдеқайда аз. Осы себепті Нобель комитеті нейтриноның тағы бір түрін ашқаны үшін Нобель сыйлығын беру туралы шешім қабылдады.
Жұмбақ сағыныш
Рэй Дэвис күн нейтриноларын бақылаған кезде ол күтілетін санның үштен бір бөлігін ғана тапты. Физиктердің көпшілігі мұның себебі Күннің астрофизикасын нашар білуде деп есептеді: мүмкін, жұлдыздың ішкі бөлігінің модельдері ондағы нейтринолардың санын асыра бағалаған. Дегенмен, жылдар бойы, тіпті күн модельдері жетілдірілсе де, тапшылық сақталды. Физиктер тағы бір мүмкіндікке назар аударды: мәселе осы бөлшектерді түсінуімізге байланысты болуы мүмкін. Сол кездегі басым теория бойынша олардың массасы болмаған. Бірақ кейбір физиктер бөлшектердің шын мәнінде шексіз аз болғанын дәлелдедімассасы, ал бұл масса олардың тапшылығына себеп болды.
Үш жүзді бөлшек
Нейтрино тербелістері теориясына сәйкес табиғатта нейтриноның үш түрі бар. Егер бөлшектің массасы болса, онда ол қозғалған кезде бір түрден екіншісіне ауысуы мүмкін. Үш түрі – электрон, мюон және тау – затпен әрекеттескенде сәйкес зарядталған бөлшекке (электрон, мюон немесе тау лептон) айналуы мүмкін. «Тербелістер» кванттық механикаға байланысты пайда болады. Нейтриноның түрі тұрақты емес. Ол уақыт өте өзгереді. Өзінің өмір сүруін электрон ретінде бастаған нейтрино мюонға айналады, содан кейін қайтады. Осылайша, Күннің ядросында пайда болған бөлшек Жерге бара жатып, периодты түрде муон-нейтриноға айнала алады және керісінше. Дэвис детекторы хлордың аргонға ядролық түрленуіне әкелетін электронды нейтриноларды ғана анықтай алатындықтан, жетіспейтін нейтринолардың басқа түрлерге айналуы мүмкін болып көрінді. (Анықталғандай, нейтринолар Жерге бара жатқанда емес, Күннің ішінде тербеледі.)
Канада тәжірибесі
Мұны тексерудің жалғыз жолы нейтринолардың барлық үш түріне де жұмыс істейтін детектор жасау болды. 1990 жылдардан бері Онтарио штатындағы Куинс университетінің қызметкері Артур Макдональд мұны Садберидегі шахтада жасаған топты басқарды. Нысанда Канада үкіметі несиеге алған тонналап ауыр су болған. Ауыр су – сирек кездесетін, бірақ табиғи түрде кездесетін су түрі, құрамында бір протон бар сутегіпротон мен нейтроннан тұратын оның ауырырақ изотопы дейтериймен ауыстырылады. Канада үкіметі ауыр суды қордалады, себебі ол ядролық реакторларда салқындатқыш ретінде пайдаланылады. Нейтриноның барлық үш түрі протон мен нейтрон түзу үшін дейтерийді жоя алады, содан кейін нейтрондар саналды. Детектор Дэвиспен салыстырғанда бөлшектердің шамамен үш есе көп санын тіркеді - дәл Күннің ең жақсы үлгілері болжаған сан. Бұл электрон-нейтрино өзінің басқа түрлеріне тербеле алатынын көрсетті.
Жапон тәжірибесі
Сол уақытта Токио университетінің қызметкері Такааки Каджита тағы бір керемет тәжірибе жасап жатқан. Жапониядағы шахтаға орнатылған детектор Күннің ішегінен емес, атмосфераның жоғарғы қабатынан келетін нейтриноларды тіркеді. Ғарыштық сәулелік протондар атмосферамен соқтығысқан кезде басқа бөлшектердің, соның ішінде мюондық нейтринолардың жаңбырлары пайда болады. Шахтада олар сутегі ядроларын мюондарға айналдырды. Kajita детекторы екі бағытта келе жатқан бөлшектерді көре алды. Кейбіреулер атмосферадан келіп, жоғарыдан құласа, басқалары төменнен қозғалды. Бөлшектердің саны әртүрлі болды, бұл олардың әртүрлі табиғатын көрсетті - олар тербеліс циклдерінің әртүрлі нүктелерінде болды.
Ғылымдағы революция
Бәрі экзотикалық және таңғажайып, бірақ тербеліс пен нейтрино массалары неге сонша назар аударады? Себебі қарапайым. Жиырмасыншы ғасырдың соңғы елу жылында жасалған бөлшектер физикасының стандартты үлгісінде,үдеткіштер мен басқа эксперименттердегі барлық басқа бақылауларды дұрыс сипаттаған нейтрино массасыз болуы керек еді. Нейтрино массасының ашылуы бір нәрсенің жетіспейтінін көрсетеді. Стандартты үлгі толық емес. Жетіспейтін элементтерді үлкен адрон коллайдері немесе әлі жасалмаған басқа машина арқылы табу керек.
