Нейтрино

Нейтри́но — стабільні нейтральні лептони з напівцілим спіном, що беруть участь лиш у слабкій і гравітаційній взаємодіях — надзвичайно мляво взаємодіють з речовиною: нейтрино з енергією 1 МеВ мають у свинці довжину вільного пробігу ~ 10¹⁸ м (~ 100 світлових років).

Нейтрино
Склад:	елементарна частинка
Родина:	ферміон
Група:	лептон
Покоління:	три покоління: електронне, мюонне, таонне
взаємодії:	слабка, гравітаційна
Частинка:	нейтрино
Античастинка:	антинейтрино
Передбачена:	1930, Вольфганг Паулі
Відкрита:	1956, Клайд Кован, Фредерік Рейнз, Ф.Б. Гаррісон, Г.В. Крузе та А.Д. Макґваєр
Символ:	ν
Число типів:	3
Маса:	дискутується
Електричний заряд:	0
Спін:	1/2

Нейтри́но — стабільна, електрично нейтральна елементарна частинка, з масою, значно меншою, ніж в інших відомих елементарних частинок. Вона належить до групи лептонів. Розрізняють електронне, мюонне і тау-лептонне нейтрино. Нейтрино і відповідні їм антинейтрино беруть участь тільки у слабких та гравітаційних взаємодіях. Вони відіграють велику роль у перетвореннях елементарних частинок, у глобальних космогонічних процесах.

Історія відкриття

Однією з основних проблем в ядерній фізиці 20-30-их років XX століття була проблема бета-розпаду: спектр електронів, що утворюються при β-розпаді, виміряний англійським фізиком Джеймсом Чедвіком ще 1914 року, мав неперервний характер, тобто, з ядра вилітають електрони з найрізноманітнішими енергіями.

Розвиток квантової механіки в 20-их роках призвів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення висловила австрійський фізик Ліза Майтнер 1922 року. Виходячи з цих міркувань, спектр частинок, що вилітають при розпаді ядра повинен бути дискретним, і показувати енергії, рівні різницям енергій рівнів, між якими при розпаді відбувається перехід. Таким, наприклад, є спектр альфа-частинок при альфа-розпаді.

Отже, неперервність спектру електронів β-розпаду ставила під сумнів закон збереження енергії. Питання стояло настільки гостро, що 1931 року знаменитий данський фізик Нільс Бор на Римській конференції виступив з ідеєю про незбереження енергії. Проте було й інше пояснення — втрачену енергію відносить якась невідома і непомітна частинка.

Пропозиція Паулі

Гіпотезу про існування частинки, яка надзвичайно слабо взаємодіє з речовиною, висунув 4 грудня 1930 Вольфганг Паулі у в неформальному листі учасникам фізичної конференції в Тюбінгені:

...маючи на увазі ... неперервний β-спектр, я зробив відчайдушну спробу врятувати «обмінну статистику» і закон збереження енергії. А саме, є можливість того, що в ядрах існують електрично нейтральні частинки, які я називатиму «нейтронами» і які мають спін 1/2. Маса «нейтрона» за порядком величини повинна бути порівнянною з масою електрона і в усякому разі не більше від 0,01 маси протона. Неперервний β-спектр тоді став би зрозумілим, якщо припустити, що при β-розпаді разом з електроном вилітає ще й «нейтрон» таким чином, що сума енергій «нейтрона» і електрона залишається сталою.

Я визнаю, що такий вихід може здатися на перший погляд маловірогідним. Проте не ризикнувши, не виграєш; серйозність положення з неперервним β-спектром добре проілюстрував мій поважний попередник пан Дебай, який недавно заявив мені в Брюселі: «Про ... це краще не думати зовсім, як про нові податки».

(«Відкритий лист групі радіоактивних, що зібралися в Тюбінгені», цит. за М. П. Рекало, Нейтрино.)

Втім, нейтроном було названо іншу елементарну частинку.

На 7 Сольвеєвському конгресі 1933 року в Брюсселі Паулі виступив з рефератом про механізм β-розпаду з участю легкої нейтральної частинки зі спіном 1/2, в якому, з посиланням на пропозицію Фермі, назвав гіпотетичну частинку «нейтрино». Цей виступ був фактично першою офіційною публікацією, присвяченою нейтрино.

Безпосереднє детектування

Нейтрино вперше спостерігала 1956 року група Клайда Кована та Фредеріка Райнеса за механізмом, який 1942 року запропонував Ван Ганьчан. За це відкриття Фредерік Райнес отримав Нобелівську премію з фізики 1995 року. Спостерігалися антинейтрино, утворені в ядерному реакторі. Вони взаємодіють з протонами за реакцією:

ν
_e + p⁺
→ n⁰
+ e⁺
.

Надалі утворений позитрон швидко анігілює з електроном, й утворюються два гамма-кванти. Отже, експериментально потрібно зафіксувати подію, коли одночасно детектується нейтрон та два гамма-кванти.

Леон Ледерман, Мелвін Шварц та Джек Стейнбергер 1962 року вперше спостерігали мюонне нейтрино, за що 1988 року отримали Нобелівську премію. Про існування тау-нейтрино було повідомлено 2000 року проєктом DONUT у Фермілабі.

Відкриття космічних нейтрино

Реймонд Девіс та Масатосі Косіба отримали Нобелівську премію 2002 року за спостереження нейтрино від наднових зір, що заклало початок нейтринної астрономії. Протягом розвитку нейтринної астрономії нейтрино спостерігалися від Сонця і наднової 1987 року у Великій Магелановій Хмарі. Крім того установка IceCube спостерігала нейтрино високих енергій, які можуть бути космогенними. Розглянемо потоки нейтрино, що виникають при поширенні протонів надвисоких енергій, що утворюються в астрофізичних (космологічних) джерелах. Такі протони не можуть досягати наземних детекторів через обмеження ГЗК. При їх взаємодії з реліктовим випромінюванням утворюються піони, розпади яких містять так звані космогенні (тобто утворені космічними променями) або ГЗК-нейтрино. У різноманітних оглядах космогенних нейтрино їхня енергія вважається рівною 10% від енергії космічного променя.
Теоретики припускають існування великої кількості гіпотетичних нейтральних ферміонів подібних до нейтрино; стерильні нейтрино, калібрино, нейтраліно та інші. Їх відкриття може розв'язати проблему темної матерії. Важливим типом нейтраліно є гравітино.

Властивості та реакції

Аромат, маса та їхнє змішування

Кожному зарядженому лептону відповідає своя пара нейтрино/антинейтрино:

• електрон/позитрон — електронне нейтрино/електронне антинейтрино
• мюон/антимюон — мюонне нейтрино/мюонне антинейтрино
• тау-лептон/антитау-лептон — тау-нейтрино/тау-антинейтрино

Квантове число, що описує цю відповідність називають ароматом (англ. flavor) нейтрино.

Маса нейтрино вкрай мала у порівнянні з іншими елементарними частинками. Останні експериментальні оцінки (на травень 2012), отримані в ході роботи австралійської колаборації WiggleZ на англо-австралійському телескопі засвідчують, що верхня межа маси для усіх ароматів нейтрино становить всього 0,29 еВ .

Осциляції нейтрино

Якщо нейтрино мають ненульову масу, то різні види нейтрино можуть перетворюватися один в одного. Це так звані осциляції нейтрино, на користь яких свідчать спостереження сонячних нейтрино, кутової анізотропії атмосферних нейтрино, а також проведені на початку цього століття експерименти з реакторними (див. KamLAND) і прискорювальними нейтрино. Крім того, існування осциляцій нейтрино, ймовірно, напряму підтверджено експериментами в нейтринній лабораторії в Садбері(Нобелівська премія з фізики за 2015 рік). Підтвердження осциляцій нейтрино вимагатиме внесення змін в Стандартну модель.

Спіральність

Нейтрино має спін 1/2. Проте експериментально детектуються тільки нейтрино з певною спіральністю, тобто тільки нейтрино з однією проєкцією спіну на напрямок руху, який задається імпульсом. Нейтрино мають ліву спіральність, антинейтрино — праву спіральність. Ліва спіральність нейтрино означає те, що його спін направлений протилежно до імпульсу.

Див. також

• Охолодження нейтрино
• Бета-розпад
• Прихована маса
• Нейтринні обсерваторії:
  • IceCube
  • JUNO
  • NOνA
• Сонячна нейтринна одиниця
• Мінімон

Посилання

• Яремко Ю. Нейтрино: частинка-привид — відеолекція від Державного природознавчого музею НАН України.
• Світ ловив мене, та не спіймав. Що потрібно знати про нейтрино. Куншт. 24.06.2020. 
• Відкриття осциляцій нейтрино як крок до розгадки будови Всесвіту - журнал "Віче"