Egftnjytyk

Pierwsza obserwacja zderzenia neutrina z protonem (z jądra atomu wodoru) w komorze pęcherzykowej, 13.11.1970. Po zderzeniu widoczny jest krótki ślad protonu, mionu (μ-meson) i pionu (π-meson)

	Neutrino Rozmowa z prof. Marianem Kozielskim. Podkast z serii Nauka XXI wieku
Problem z odtwarzaniem tego pliku? Zobacz strony pomocy.

Neutrino (ν) – cząstka elementarna należąca do leptonów. Jest fermionem i jego spin jest równy 1/2. Ma zerowy ładunek elektryczny. Neutrina występują jako cząstki podstawowe w modelu standardowym. Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, że neutrina mają bliską zera masę spoczynkową. Powstają między innymi w wyniku rozpadu β⁺, na przykład neutrino elektronowe (ν_e) podczas rozpadu 116C:

116C → 115B + e⁺ + ν_e

Nazwa jest włoskim zdrobnieniem neutronu. Została zaproponowana przez włoskiego fizyka Enrica Fermiego^[1].

Rodzaje neutrin |

Diagram Feynmana rozpadu β⁻neutronu do protonu, elektronu i antyneutrina elektronowego poprzez pośredni bozon W⁻

Istnieją trzy stany zapachowe neutrin:

• 
  ν_e – neutrino elektronowe
  


• 
  ν_μ – neutrino mionowe
  


• 
  ν_τ – neutrino taonowe
  

Prawdopodobnie każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik (antyneutrino) w antymaterii. Antyneutrino elektronowe powstaje w trakcie rozpadu β⁻, np. podczas rozpadu 31T lub 146C:

31T → 32He + e⁻ + ν_e

146C → 147N + e⁻ + ν_e

Neutrina podczas propagacji w przestrzeni mogą zmieniać swój rodzaj (zapach) – zjawisko to nazywane jest oscylacją neutrin.

Historia |

Neutrina, jako cząstki bardzo słabo oddziałujące z materią, były trudne do bezpośredniego zarejestrowania. Ich istnienie najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w 1930 r. Pauli wyciągnął wniosek o istnieniu tej cząstki na podstawie analizy rozkładu energii elektronów powstających w rozpadzie beta. Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin nastąpiło dopiero w roku 1956 (Frederick Reines i Clyde Cowan).

Neutrino mionowe dawniej nazywano neutretto.

Oddziaływania neutrin |

Neutrina nie oddziałują za pomocą oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. Oddziałują jedynie za pośrednictwem oddziaływań słabych (i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, że obiekt wielkości planety nie stanowi dla nich prawie żadnej przeszkody – przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony prostopadle do Słońca, co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin^[2].

Neutrina są wychwytywane przez jądro atomowe (przekrój czynny na ten proces jest bardzo mały), inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina wychwytuje się w gigantycznych basenach z superczystą wodą (bądź innymi substancjami) umieszczonych głęboko pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.

Ostatnimi laty nastąpił olbrzymi rozwój fizyki neutrin dzięki eksperymentom KamLand, Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, T2K, DONUT, MINOS.

Problem masy neutrin |

Wiadomo obecnie, że – uważane kiedyś za cząstki bezmasowe – neutrina mają niezerową masę spoczynkową, chociaż dokładne masy neutrin nie są znane.

Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande^[3] określono różnicę między zapachami neutrin na około 0,04 eV. Masa ta może być więc najniższą możliwą masą jednego z rodzajów (zapachów) neutrin (przy założeniu, iż drugi składnik ma niemierzalną masę). Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych (np. promieniowanie tła, ucieczkę galaktyk) na 0,28 eV.

W latach 2011–2015 prowadzony jest eksperyment KATRIN, który wykorzystując rozpad beta trytu, będzie w stanie ograniczyć górną granicę masy najcięższego neutrina do 200 meV (z odchyleniem standardowym ≤ 2).

Powstawanie neutrin w cyklu protonowym

Źródła neutrin |

Neutrina na Ziemi powstają m.in. na skutek oddziaływania promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery (powstające w ten sposób neutrina nazywamy atmosferycznymi). Neutrina emitowane są także przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne źródła kosmiczne. Ze źródeł sztucznych najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.

W celach eksperymentalnych wiązki wysokoenergetycznych neutrin wytwarza się w akceleratorach. Neutrina, jako cząstki neutralne, nie mogą być bezpośrednio przyspieszane w akceleratorach wykorzystujących oddziaływania elektromagnetyczne. Zamiast tego, np. w akceleratorze ośrodka J-PARC^[4], przyspieszane są protony, które następnie oddziałują z tarczą produkując wiele cząstek nietrwałych: przede wszystkim piony i kaony. Te cząstki rozpadają się w locie, produkując między innymi neutrina o dużej energii, poruszające się w kierunku bliskim cząstkom pierwotnym. Jedną możliwością ukierunkowania wiązki neutrin do detektora jest odpowiednie skierowanie pierwotnej wiązki protonów na tarczę, oraz ogniskowanie naładowanych pionów i kaonów. W przyszłości rozważa się produkcję wiązek neutrin poprzez przyspieszanie w akceleratorach jąder beta-promieniotwórczych lub mionów, które rozpadały by się na neutrina na specjalnie przygotowanych prostych odcinkach akceleratora.

Doniesienia o przekroczeniu prędkości światła w próżni |

Badacze pracujących w eksperymencie OPERA, polegającym na pomiarze prędkości wiązki neutrin wysyłanych do odległego o 730 km włoskiego laboratorium INFN Gran Sasso, stwierdzili, że wyniki eksperymentu sugerują przekroczenie prędkości światła w próżni przez neutrina^[5]. CERN ogłosiło 22 września 2011 roku apel do świata nauki o weryfikację ich odkrycia i ewentualne powtórzenie w drodze niezależnych eksperymentów, mających potwierdzić lub obalić te niezgodne ze szczególną teorią względności wyniki.

Wyniki tych niepotwierdzonych eksperymentów stały w sprzeczności z innymi znanymi danymi obserwacyjnymi. Na przykład neutrina powstałe w wybuchu supernowej SN 1987A dotarły na Ziemię trzy godziny wcześniej w stosunku do fotonów (co jest spowodowane tym, że neutrina wydostały się z eksplodującej gwiazdy wcześniej niż fotony). Gdyby neutrina poruszały się z prędkością większą od prędkości światła w próżni, a różnica w prędkości byłaby taka, jaką uzyskano w eksperymencie OPERA, to neutrina z tego wybuchu dotarłyby na Ziemię ponad cztery lata wcześniej, zanim dotarłoby światło^[6].

Po ogłoszeniu wyników eksperymentu wielu skrytykowało sposób jego przeprowadzenia^[7], kilku z naukowców uczestniczących w eksperymencie odmówiło użycia ich nazwisk w ogłoszonych wynikach, uważając, że opublikowana analiza danych jest przedwczesna^[8], sugerowano różne możliwe błędy metodologiczne^[9]. Ostatecznie wynik eksperymentu został wytłumaczony przez błędne podłączenie odbiornika GPS do komputera mierzącego czas przelotu cząstek^[10].

Przypisy |

Zobacz też |

• problem neutrin słonecznych

Linki zewnętrzne |

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem: Fizyka neutrin

Zobacz hasło neutrino w Wikisłowniku

• Odkrywanie neutrin – polska strona edukacyjna


• NuMI-MINOS Home Page