טרנספורמציה הדדית של סוגים שונים של ניטרינו 08.10.2015

האינטראקציה החלשה מאוד של ניטרינו עם חומר ידועה. הם יכולים לעבור דרך כדור הארץ או השמש מבלי להפריע לאטום אחד. יתר על כן, הם יכולים לעבור דרך מיליארדי כוכבים בדרך זו. מצד אחד, הדבר מקשה על הרישום והמדידה של המאפיינים שלהם, ומצד שני, זה הופך אותם למקור למידע החשוב ביותר על התפתחות היקום ועל התהליכים המתרחשים בתוך כוכבים. מדענים גם מאמינים שניטרינו יכולים למלא תפקיד מפתח בהסבר האסימטריה של החומר והאנטי-חומר ביקום, המורכבת מכך שלאחר המפץ הגדול לא היה השמדה הדדית מוחלטת של החומר והאנטי-חומר, וחלק מהחומר עדיין שרד. ויצר את היקום שלנו.

אחת הבעיות עם ניטרינו היא בעיית המסה שלהם. במשך זמן רב ההנחה הייתה שלנייטרינו אין מסה. כך הם נחשבו בגרסה המקורית של הדגם הסטנדרטי. הפתרון של שאלה זו חשוב לא רק להבנת הפיזיקה של חלקיקים יסודיים. ניטרינו נוצרים על ידי תגובות גרעיניות המתרחשות ביקום, ואחרי פוטונים הם החלקיקים הנפוצים ביותר בו. מספרם עצום. יותר מ-60 מיליארד נויטרינו עוברים בסנטימטר מרובע בכל שנייה. אז אפילו עם מסה קטנה מאוד, המסה הכוללת של כל הנייטרינים יכולה להיות גדולה מאוד ויכולה להשפיע על התפתחות היקום. לפי הערכות מודרניות, המסה של כל הנייטרינים שווה בערך למסה של כל הכוכבים הנראים ביקום.

בעיה נוספת התעוררה בקביעת מספר הנייטרינו האלקטרונים המגיעים לכדור הארץ מהשמש. מאז שנות ה-1970, ניסויים רשמו רק שליש מהמספר שחוותה התיאוריה. זה נקרא גירעון במספר הנייטרונים האלקטרונים. כדי להסביר את התופעה, הועלו שני תריסר הנחות, מהן ניצחה ההשערה של מה שנקרא תנודות ניוטרינו (תנודות). היא הניחה שניטרינו אלקטרונים בדרכם מהשמש הפכו לסוגים אחרים של ניטרינו שלא תועדו בניסויים. מעניין לציין שהרעיון של תנודות חלקיקים יסודיים הובע על ידי האקדמאי הסובייטי ברונו פונטקורבו עוד ב-1957. תנודות ניוטרינו נדונו ברצינות במחצית השנייה של שנות ה-1990.

כיום ידועים שלושה סוגים של ניטרינו, שכל אחד מהם נולד תמיד יחד עם הלפטון המקביל - אלקטרון, מיאון או טאו-לפטון, שממנו קיבלו את שמותיהם. בהתאם להשערה של תנודות נייטרינו, תהליך של טרנספורמציה של נייטרינו זה לתוך זה מתרחש מעת לעת בזמן ובמרחב. אז, בקרן, המורכבת בתחילה רק מניטרינו אלקטרונים, כאשר היא מתפשטת, מופיעה תערובת של נויטרינו מיאון וטאו עם ירידה בו-זמנית בשבריר האלקטרונים.

באופן מוזר, התברר שהפתרון לבעיה זו קשור לבעיית מסת הניטרינו. העובדה היא שתנודות ניטרינו אפשריות רק אם יש להן מסות.

הסיבה לכך, לפי מושגים מודרניים, היא שהניטרינו האלקטרון, המיון והטאו הם תערובת קוונטית של שלושה מצבים בעלי מסות שונות, שכל אחד מהם נכנס עם חלקו. אנו יכולים לומר שהניטרינו האלקטרון, המיון והטאו מורכבים משלושה גלים, שכל אחד מהם מתנודד בתדר ובמשרעת משלו. לכן, אם ברגע הזמן הראשוני סכום הגלים הללו נראה כמו ניטרינו אלקטרונים, אזי לאחר זמן מה גלים אלה יצטברו בצורה כזו שתופיע תערובת של ניוטרינו מיאון וטאו, אשר נמדדת על ידי נסיינים כ גירעון במספר הנייטרונים האלקטרונים.

אז פיזיקאים האמינו זה מכבר שלנייטרינים יש מסה, למרות שהיא עדיין לא נמדדה ישירות. אפילו נעשה שינוי קל מקביל של הנוסחאות של המודל הסטנדרטי, שלא הפר את מהותו. אבל עדויות ניסיוניות לכך הושגו בתחילת המאות ה-2015 וה-XNUMX. זוכי פרס נובל לשנת XNUMX, טקאקי קג'יטה היפני וארתור מקדונלד הקנדי היו דמויות המפתח בשתי קבוצות המחקר הגדולות שחקרו תנודות נייטרינו.

בשנת 1998 פורסמו תוצאותיהם של מדענים יפנים על תנודות של ניטרינו אטמוספריים, הנובעות מאינטראקציה של קרניים קוסמיות עם גרעיני אטומים של גזים אטמוספריים, שהושגו בניסוי Super-Kmiokande. כאשר ניטרינו מתנגש מולקולת מים במיכל הגלאי, נולד חלקיק מהיר טעון חשמלי. הוא מייצר קרינת צ'רנקוב, הנמדדת על ידי חיישני אור. צורתו ועוצמתו חושפים את סוג הנייטרינו ומאיפה הוא הגיע. הנייטרינו מיאון שהגיע מלמעלה היו רבים יותר מאלה שעברו את הנתיב הארוך יותר על פני הגלובוס. זה מראה שהניטרינו המיון במקרה השני הפכו לסוגים אחרים של ניטרינו.

בשנת 2001 הוכחו תנודות ניטרינו סולריות במצפה הכוכבים של סודברי (SNO - Sudbury Neutrino Observatory). שם, תגובות בין ניטרינו למים כבדים במיכל הגלאי אפשרו למדוד את מספר שני הניטרינו האלקטרונים וכל שלושת סוגי הנייטרינו יחד. נמצא שמספר הניטרינו האלקטרונים היה נמוך מהצפוי, בעוד שהמספר הכולל של כל שלושת סוגי הנייטרינו יחד היה בהתאם לציפיות. מכאן נובע שחלק מהניטרינו האלקטרונים הפכו לסוגים אחרים של ניטרינו.