Nötrino salınımı nedir? Nötrinoların neden kütlesi vardır?
"Zorluklarla her karşılaştığımızda, Tabiat Ana'ya teşekkür etmeliyiz çünkü bu, bazı önemli bilgileri öğreneceğimiz anlamına geliyor." - John Bach
Yakalanması zor ve her yerde bulunan nötrinoların doğası, ona "hayalet parçacık" unvanını kazandırmıştır. Nötrinolar ilk olarak nükleer reaksiyonlarda keşfedildikten sonra, sıfır kütleli parçacıklar olarak kabul edildi, ancak daha sonra güneş nötrinoları ortadan kayboldu. Güneş nötrino salınım problemi olarak da bilinen gizem, Standart Modelin tahminindeki hataları müjdeliyor. Bugün nötrino salınımının ne olduğu hakkında konuşacağız? Nötrinoların neden kütlesi vardır?
Tabi bu üstümüzde güneşle başlar
Gökyüzüne hayat veren o sıcak plazma topuna baktığımızda, güneşi neyin yönlendirdiğini merak edebilirsiniz.
19. yüzyılın sonlarında, bildiğimiz temel kuvvetler yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetti, ancak nükleer kuvvet anlayışı hala oldukça eksikti. Radyoaktivite ve nükleer dönüşüm fenomeni yeni keşfedildi, bu nedenle güneşin neden bu kadar güçlü ve bu kadar uzun süre parladığını açıklama girişimi tamamen yetersiz varsayımlara dayanıyordu.
O zaman güneşin yaşamı hakkında en iyi tahmin, Lord Kelvin'den geldi.Uzun bir süre içinde güneşin bu kadar büyük bir enerji yaymasını sağlayabilecek tek kuvvetin yerçekimi olduğuna inanıyordu. Yerçekimi daralması, güneşin 10 milyon yıllık bir zaman ölçeğinde muazzam bir enerji çıkışı sağlamasına izin verir. Bununla birlikte, biyologların veya jeologların yeryüzünde bol miktarda bulunan yaşam fosillerinin veya kayalarının yaşını bildikleri ve güneşin tahmini yaşının ciddi şekilde yetersiz olduğu göz önüne alındığında, güneşin kesinlikle dünyadan daha genç olmayacağı kesindir!
Evrende gerçekten de Kelvin-Helmholtz mekanizması tarafından yönlendirilen ve yerçekimsel kasılma yoluyla enerji açığa çıkaran bazı nesneler var: beyaz cüceler. Ancak bunlar güneş sistemimizin merkezindeki yıldızları temsil etmiyor.
20. yüzyıla kadar insanlar, kütlenin nükleer reaksiyonlar gibi süreçlerle enerjiye dönüştürülebileceğini ve güneşin (ve yıldızların) bu kadar uzun süre yanması için makul bir açıklamamız olduğunu keşfettiler. Nükleer füzyon süreci boyunca hafif elementler (hidrojen gibi) ağır elementlere (helyum gibi) dönüştürülür ve bu süreçte çok fazla enerji açığa çıkar!
Sirius A (L), nükleer füzyona uğrayan bir yıldızdır; Sirius B (R), Kelvin-Helmholtz kasılması geçiren beyaz bir cüce yıldızdır.
Güneşin nükleer füzyonu elektron nötrinolarını serbest bırakacak
Güneş 4,5 milyar yıllık yaşam döngüsünde yaklaşık 10 ^ 29 kilogram hidrojeni E = mc ^ 2 yoluyla helyuma dönüştürür, böylece bir Satürn'ün kütlesini saf enerjiye dönüştürür. Güneşi tanımak zor bir süreç olsa da, şimdi nükleer fiziğin nasıl işlediğini anladığımızı düşünüyoruz.
Yaklaşık 4 milyon Kelvin sıcaklıkta tüm atomlar iyonlaşacaktır.Enerji yeterince yüksek olduğu sürece, yıldızın çekirdeğindeki iki proton elektrostatik itmelerinin üstesinden gelebilir ve onları birbirine kaynaşabilecek kadar yakın hale getirebilir. Bunun nedeni, iki parçacığın daha ağır bir duruma bağlanabilmesi için parçacıkların dalga işlevlerinin yeterince örtüşmesini sağlayan kuantum mekaniğidir. Daha sonra çift proton, bir araya getirilen proton ve nötronlardan oluşan döteryum üretmek için + bozunmaya uğrar.
Döteryum, iki hidrojenden biraz daha hafiftir ve + 'nın bozunması sırasında diğer iki parçacık daha üretilir: yükün korunmasını sağlamak için kullanılan bir pozitron ve lepton sayısının korunmasını sağlamak için kullanılan bir elektron nötrinosu.
İki döteryum daha sonra zincirleme reaksiyonda birleşerek Dünya'da (ve yıldızlarda) en yaygın helyum izotopları olan helyum-3 ve helyum-4'ü oluşturabilir. Kısacası, bu süreç dört hidrojen atomunun bir helyum atomu, iki pozitron ve iki elektron nötrino üretmek için füzyonudur. E = mc ^ 2 yoluyla nükleer füzyon reaksiyonunun açığa çıkardığı enerji (ve daha yüksek enerjili fotonlar üretmek için elektronlarla yok olan pozitron) yıldızın enerjisinin kaynağı olsa da, nötrinolar güneşten kaçarlar. Bazıları dünyaya ulaşacak. Sorunun başladığı yer burasıdır.
Güneş nötrinolarının yok oluşunun gizemi
1950'lerde nükleer reaktörlerden nötrinoları (ve onların karşıt madde karşılığı: antinötrinoları) ilk kez tespit ettik.
İnsanlar nötrinoların var olduğunu ve çok fazla enerji taşıdıklarını keşfettiklerinde, iki önemli şey öğrendik:
Nötrinoların reaksiyon kesiti veya sıradan maddeyle etkileşime girme frekansı enerjiye bağlıdır ve çok küçüktür, ancak ölçülebilir ve eğer nötrinolar için bir detektör yaparsak ve akılarını bilirsek ve Enerji, etkileşim oranını doğru bir şekilde tahmin edebilmeliyiz. Bu mükemmel bir fırtına gibi görünüyor! Güneşin fiziğini ve nükleer reaksiyonların nasıl gerçekleştiğini biliyoruz. Nötrinoları, kesitlerinin ne olduğunu ve kesitin nasıl enerjinin bir fonksiyonu olduğunu biliyoruz. Hatta güneşin ve onun nötrino üreten özelliklerinin iyi bir iç modeline sahip olduğumuza inanıyoruz.
1960'larda insanlar nötrinoların güneşten akışını ilk kez ölçtüklerinde, teorik olarak beklenen nötrinoların yalnızca üçte biri tespit edildi Kalan nötrinolar nereye gitti? Bazı çok makul fikirler de dahil olmak üzere birçok çılgın spekülasyon sonsuza dek ortaya çıkıyor:
Belki de güneşin iç kısmının modeli yanlıştır ve nötrino akışı aradığımızdan farklı bir enerjiyle ortaya çıkar. Belki de nötrino tespiti ve reaksiyon kesitinin enerjiyle nasıl değiştiğine ilişkin anlayışımız gerçek durumdan farklıdır. Veya nötrinolar açısından bazı yeni fiziksel fenomenler olabilir.
Bununla birlikte, yüksek enerji fiziği anlayışımız geliştikçe, özellikle yıldızları ve güneşi anlayışımız ve nötrinoları, özelliklerini ve tespitini anlayışımız geliştikçe, bu sorunu çözmek için gerçekten yeni bir fiziğe ihtiyaç duyulduğu görülüyor. . Çok büyük bir nötrino gözlemevi inşa etmeye başladık ve aynı sorun (güneşten gelen nötrinoların yalnızca üçte biri dedektörümüze ulaşıyor) hala var.
Güneş nötrino salınımı
Nötrinolar, Standart Modeldeki en zayıf etkileşen parçacıklardan biridir. Kararlıdırlar, sadece zayıf kuvvetlerle etkileşirler, yükleri yoktur ve ışık saçmazlar. Uzun zamandır insanlar nötrinoların sıfır kütleli olduğuna inanıyordu.
Standart Modele bakarsak, birden fazla nötrino türü olduğunu görürüz.
Üç tür yüklü lepton olduğu gibi: elektronlar, müonlar ve tauonlar da üç tür nötrino vardır: elektron nötrinoları, müon nötrinoları ve tau nötrinoları. Nötrinolar birbirinden tamamen farklıysa ve hiç kütleye sahip değilse, o zaman bir elektron nötrinosu olarak doğarlar ve öldüklerinde, aynı zamanda bir elektron nötrinosu olurlar ve asla başka bir şey olmazlar.
Nötrinoların kütlesi varsa, güneşteki maddeyle (özellikle elektronlarla) etkileşime girerek tadı elektronlardan müonlara, tau'ya ve sonra tekrar değiştirebilirler.
Tıpkı bir ortamdan geçerken ışığın kırılması gibi, ışığın bükülmesi ortamdaki dalga boyuna ve ışığın hızına bağlıdır.Nötrinolar, ortam içinde kaliteleri ortamın yoğunluğuna bağlıymış gibi davranırlar. Güneşin çekirdeğini terk ederken, güneşin elektron yoğunluğu hızla değişir.Güneş nötrino salınımı olarak adlandırılan bu etki, nötrinoların tadının değişmesine neden olur. Nötrinolar aslında güneşin içindeki elektronik nötrinolar olsalar da, fotofere ulaştıklarında, bu üç tip nötrino iyi karışmıştı ve bunların yaklaşık üçte biri elektronik nötrinolardı. , Üçte biri müon nötrinoları ve diğer üçte biri tau nötrinolarıdır.
Özet: Nötrino kütlesi yeni fiziği müjdeliyor
21. yüzyılın başlangıcına kadar, Sudbury Neutrino Gözlemevi (yukarıda) saçılma etkisiyle güneşten gelen toplam nötrino akışını ve ayrıca güneşten gelen elektron nötrino akışını ölçtü. Nötrinoların% 34'ünün elektronik nötrinolar olduğu ve kalan üçte ikisinin iki kategoriye ayrıldığı belirlendi. Sonuç olarak, atmosferik nötrinoların ölçümü bize nötrino salınımlarını daha iyi anlamamızı sağladı ve bu zor parçacıkların uzayda seyahat ederken bir türden diğerine dönüşme yeteneği bir standarttır. Modelin dışında var olabilecek yeni fiziksel olayların en ikna edici ipuçlarından biri.
Nötrinoların neden kütlesi vardır? Bunu mümkün kılmak için hangi yeni temel parçacıklar var? Bunlar yeni Kutsal Kase soruları: bu sorular parçacık fiziğini gerçekten üçüncü milenyuma getirecek ve sonunda Standart Modeli aşacak.
