Солнечное нейтрино
Солнечное нейтрино — это нейтрино, возникающее в результате ядерного синтеза в Солнца Земле ядре , и это наиболее распространенный тип нейтрино, проходящий через любой источник, наблюдаемый на в любой конкретный момент. [ нужна ссылка ] Нейтрино — элементарные частицы с чрезвычайно малой массой покоя и нейтральным электрическим зарядом . Они взаимодействуют с материей только через слабое взаимодействие и гравитацию , что очень затрудняет их обнаружение. Это привело к ныне решенной проблеме солнечных нейтрино . Сейчас о солнечных нейтрино известно многое, но исследования в этой области продолжаются.
История и предыстория
[ редактировать ]Домашний эксперимент
[ редактировать ]Хронология солнечных нейтрино и их открытия восходит к 1960-м годам, начиная с двух астрофизиков Джона Н. Бахколла и Рэймонда Дэвиса-младшего . Эксперимент, известный как эксперимент Хоумстейк , названный в честь города, в котором он проводился (Хомстейк, Южная Дакота ), был направлен на подсчет солнечных нейтрино, прибывающих на Землю. Бахколл, используя разработанную им солнечную модель, пришел к выводу, что наиболее эффективным способом изучения солнечных нейтрино будет реакция хлора с аргоном. [1] Используя свою модель, Бахколл смог вычислить количество нейтрино, которые, как ожидается, прибудут на Землю от Солнца. [2] Как только теоретическое значение было определено, астрофизики приступили к экспериментальному подтверждению. Дэвис разработал идею взять сотни тысяч литров перхлорэтилена , химического соединения, состоящего из углерода и хлора , и искать нейтрино с помощью хлор-аргонового детектора. [1] Процесс проводился очень глубоко под землей, поэтому было принято решение провести эксперимент в Хоумстейке, поскольку в городе находился золотой рудник Хоумстейк. [1] Проведя эксперимент глубоко под землей, Бахколл и Дэвис смогли избежать взаимодействия космических лучей , которое могло повлиять на процесс и результаты. [2] Весь эксперимент длился несколько лет, поскольку каждый день удалось обнаружить лишь несколько превращений хлора в аргон , а первые результаты команда не получила до 1968 года. [2] К их удивлению, экспериментальное значение присутствующих солнечных нейтрино составило менее 20% от теоретического значения, рассчитанного Бахколлом. [2] В то время было неизвестно, была ли ошибка в эксперименте или в расчетах, или Бахколл и Дэвис не учли все переменные, но это несоответствие породило то, что стало известно как проблема солнечных нейтрино .
Дальнейшие эксперименты
[ редактировать ]Дэвис и Бахколл продолжили свою работу, чтобы понять, где они могли ошибиться или чего им не хватает, вместе с другими астрофизиками, которые также провели собственные исследования по этому вопросу. Многие пересматривали и переделывали расчеты Бахколла в 1970-х и 1980-х годах, и хотя данных, делающих результаты более точными, было больше, разница все равно сохранялась. [3] Дэвис даже повторил свой эксперимент, меняя чувствительность и другие факторы, чтобы убедиться, что ничего не упущено из виду, но он ничего не нашел, и результаты все равно показали «недостающие» нейтрино. [3] К концу 1970-х годов широко ожидаемый результат заключался в том, что экспериментальные данные дали около 39% расчетного числа нейтрино. [2] В 1969 году Бруно Понтекорво , итало-русский астрофизик, выдвинул новую идею о том, что, возможно, мы не совсем понимаем нейтрино так, как нам кажется, и что нейтрино могут каким-то образом меняться, то есть нейтрино, испускаемые Солнцем, меняют форму. и уже не были нейтрино в том виде, в котором о нейтрино думали к тому времени, когда они достигли Земли, где проводился эксперимент. [3] Эта теория, которую выдвинул Понтекорво, могла бы объяснить сохраняющееся несоответствие между экспериментальными и теоретическими результатами.
Решение проблемы солнечных нейтрино
[ редактировать ]Понтекорво так и не смог доказать свою теорию, но в своем мышлении он был прав. В 2002 году результаты эксперимента, проведенного на глубине 2100 метров под землей в Нейтринной обсерватории Садбери, доказали и подтвердили теорию Понтекорво и обнаружили, что нейтрино, испускаемые Солнцем, на самом деле могут менять форму или аромат, поскольку они не являются полностью безмассовыми. [4] Это открытие осцилляций нейтрино решило проблему солнечных нейтрино почти через 40 лет после того, как Дэвис и Бахколл начали изучать солнечные нейтрино.
Нейтринные обсерватории
[ редактировать ]Супер-Камиоканде
[ редактировать ]Супер -Камиоканде воды весом 50 000 тонн, — это черенковский детектор расположенный на глубине 2700 метров (8900 футов) под землей. [5] Основным применением этого детектора в Японии, помимо наблюдения за нейтрино, является наблюдение космических лучей, а также поиск распада протона. В 1998 году Супер-Камиоканде стал местом проведения эксперимента Супер-Камиоканде, который привел к открытию нейтринных осцилляций - процесса, в результате которого нейтрино меняют свой аромат на электрон, мюон или тау.
Эксперимент Супер-Камиоканде начался в 1996 году и продолжается до сих пор. [6] В эксперименте детектор работает, имея возможность обнаруживать нейтрино, анализируя молекулы воды и обнаруживая удаление из них электронов, что затем создает синий черенковский свет, создаваемый нейтрино. [7] Следовательно, когда происходит обнаружение синего света, можно сделать вывод, что нейтрино присутствует и учитывается.
Нейтринная обсерватория Садбери
[ редактировать ]Нейтринная обсерватория Садбери (SNO), подземная обсерватория высотой 2100 м (6900 футов) в Садбери , Канада, является еще одним местом, где в конце 1990-х - начале 2000-х годов проводились исследования нейтринных осцилляций. Результаты экспериментов в этой обсерватории, а также в Супер-Камиоканде помогли решить проблему солнечных нейтрино.
SNO также является черенковским детектором тяжелой воды и предназначен для работы так же, как Супер-Камиоканде. Нейтрино при реакции с тяжелой водой производят синий черенковский свет, сигнализирующий исследователям и наблюдателям об обнаружении нейтрино. [8]
Борексино
[ редактировать ]Детектор Borexino расположен в Национальной лаборатории Гран-Сассо , Италия. [9] Борексино — активно используемый детектор, и на нем продолжаются эксперименты. Целью эксперимента Borexino является измерение солнечных нейтрино низкой энергии, обычно ниже 1 МэВ, в режиме реального времени. [9] Детектор представляет собой сложную структуру, состоящую из фотоумножителей, электронов и систем калибровки, что позволяет проводить правильные измерения солнечных нейтрино низкой энергии. [9] В качестве устройства обнаружения в этой системе используются фотоумножители, поскольку они способны обнаруживать свет для чрезвычайно слабых сигналов. [10]
Солнечные нейтрино способны обеспечить прямое понимание ядра Солнца, поскольку именно там зарождаются солнечные нейтрино. [1] Солнечные нейтрино, покидающие ядро Солнца, достигают Земли раньше, чем это делает свет, поскольку солнечные нейтрино не взаимодействуют ни с какими другими частицами или субатомными частицами на своем пути, в то время как свет ( фотоны ) прыгает от частицы к частице. [1] Эксперимент Борексино использовал это явление, чтобы обнаружить, что Солнце в настоящее время выделяет такое же количество энергии, как и 100 000 лет назад. [1]
Процесс формирования
[ редактировать ]Солнечные нейтрино производятся в ядре Солнца посредством различных реакций ядерного синтеза , каждая из которых происходит с определенной скоростью и приводит к собственному спектру энергий нейтрино. Подробности наиболее известных из этих реакций описаны ниже.
Основной вклад вносит протон-протонная цепочка . Реакция:
или словами:
- два протона дейтрон + позитрон + электронное нейтрино .
Из всех солнечных нейтрино в результате этой реакции образуется около 91%. [11] Как показано на рисунке «Солнечные нейтрино (цепочка протон-протон) в стандартной солнечной модели», дейтрон сольется с другим протоном, чтобы создать 3 Он ядро и гамма-лучи. Эту реакцию можно рассматривать как:
Изотоп 4 Его можно изготовить с помощью 3 Он в предыдущей реакции, которая видна ниже.
Поскольку и гелий-3, и гелий-4 теперь находятся в окружающей среде, по одному ядру гелия каждой массы может сливаться с образованием бериллия:
На этом этапе бериллий-7 может пойти двумя разными путями: он может захватить электрон и произвести более стабильное ядро лития-7 и электронное нейтрино или, альтернативно, он может захватить один из многочисленных протонов, что приведет к созданию бора-8 . Первая реакция через литий-7:
Эта реакция с выделением лития производит примерно 7% солнечных нейтрино. [11] Образовавшийся литий-7 позже соединяется с протоном, образуя два ядра гелия-4. Альтернативная реакция — захват протона, в результате которого образуется бор-8, который затем бета-версии. + распадается на бериллий-8, как показано ниже:
Эта альтернативная реакция с выделением бора производит около 0,02% солнечных нейтрино; хотя эти редкие солнечные нейтрино настолько малы, что ими обычно пренебрегли бы, они выделяются из-за своей более высокой средней энергии. Звездочка (*) на ядре бериллия-8 указывает на то, что оно находится в возбужденном нестабильном состоянии. Возбужденное ядро бериллия-8 затем распадается на два ядра гелия-4: [12]
Наблюдаемые данные
[ редактировать ]Наибольший поток солнечных нейтрино исходит непосредственно от протон-протонного взаимодействия и имеет низкую энергию — до 400 кэВ. Существует также несколько других важных механизмов производства с энергиями до 18 МэВ. [13] С Земли количество нейтрино на Землю составляет около 7·10 10 частицы·см −2 ·с −1 . [14] Количество нейтрино можно с большой уверенностью предсказать с помощью стандартной солнечной модели , но число нейтрино, обнаруженных на Земле, по сравнению с числом предсказанных нейтрино отличается в треть, что и является проблемой солнечных нейтрино .
Солнечные модели дополнительно предсказывают место в ядре Солнца, где должны возникать солнечные нейтрино, в зависимости от реакции ядерного синтеза, которая приводит к их образованию. Будущие детекторы нейтрино смогут определять направление падения этих нейтрино с достаточной точностью, чтобы измерить этот эффект. [15]
Энергетический спектр солнечных нейтрино также предсказывается солнечными моделями. [16] Очень важно знать этот энергетический спектр, поскольку разные эксперименты по обнаружению нейтрино чувствительны к разным диапазонам энергий нейтрино. В эксперименте Хоумстейка использовался хлор , и он был наиболее чувствителен к солнечным нейтрино, образующимся в результате распада изотопа бериллия. 7 Быть. Нейтринная обсерватория Садбери наиболее чувствительна к солнечным нейтрино, производимым 8 Б. Детекторы, использующие галлий, наиболее чувствительны к солнечным нейтрино, образующимся в процессе протон-протонной цепной реакции, однако им не удалось наблюдать этот вклад отдельно. Наблюдение нейтрино основной реакции этой цепочки - протон-протонного синтеза в дейтерии - было впервые осуществлено Borexino в 2014 году. В 2012 году та же коллаборация сообщила об обнаружении нейтрино низкой энергии для реакции протон-электрон-протон ( реакция бодрости духа ), которая производит 1 из 400 ядер дейтерия на Солнце. [17] [18] Детектор содержал 100 метрических тонн жидкости и регистрировал в среднем 3 события каждый день (из-за 11 Производство C ) в результате этой относительно редкой термоядерной реакции.В 2014 году Борексино сообщил об успешном прямом обнаружении нейтрино в результате pp-реакции со скоростью 144 ± 33 в день, что соответствует предсказанной скорости 131 ± 2 в день, которая ожидалась на основе предсказания стандартной солнечной модели о том, что pp -реакция генерирует 99% светимости Солнца и их анализ эффективности детектора. [19] [20] А в 2020 году Борексино сообщил о первом обнаружении нейтрино цикла CNO из глубины солнечного ядра. [21]
Обратите внимание, что Борексино измерял нейтрино нескольких энергий; таким образом они впервые экспериментально продемонстрировали характер осцилляций солнечных нейтрино, предсказанный теорией. Нейтрино могут вызывать ядерные реакции. Глядя на древние руды разного возраста, которые подвергались воздействию солнечных нейтрино в течение геологического времени, возможно, можно будет исследовать светимость Солнца с течением времени. [22] которая, согласно стандартной солнечной модели, изменилась за тысячелетия, поскольку (в настоящее время) инертный побочный продукт гелий в ее ядре накопился .
Ключевые астрофизики, внесшие вклад
[ редактировать ]Вольфганг Паули был первым, кто высказал идею о существовании такой частицы, как нейтрино, в нашей Вселенной в 1930 году. Он считал такую частицу совершенно безмассовой. [23] Так считало сообщество астрофизиков до тех пор, пока не была решена проблема солнечных нейтрино. [ нужна ссылка ]
Фредерик Рейнс из Калифорнийского университета в Ирвайне и Клайд Коуэн были первыми астрофизиками, обнаружившими нейтрино в 1956 году. они получили Нобелевскую премию по физике в 1995 году. За свою работу [24]
Рэймонд Дэвис и Джон Бахколл — пионеры исследования солнечных нейтрино. Хотя Бахколл так и не получил Нобелевскую премию , Дэвис вместе с Масатоши Кошибой получили Нобелевскую премию по физике в 2002 году после того, как проблема солнечных нейтрино была решена за их вклад в решение этой проблемы.
Понтекорво, известный как первый астрофизик, выдвинувший идею о том, что нейтрино имеют некоторую массу и могут колебаться, так и не получил Нобелевскую премию за свой вклад из-за своей кончины в 1993 году. [ предположение? ]
Артур Б. Макдональд , канадский физик, внес ключевой вклад в строительство нейтринной обсерватории Садбери (SNO) в середине 1980-х годов, а позже стал директором SNO и руководителем группы, которая решила проблему солнечных нейтрино. [23] Макдональд вместе с японским физиком Каджитой Такааки получили Нобелевскую премию за работу по открытию колебаний нейтрино в 2015 году. [23]
Текущие исследования и выводы
[ редактировать ]Критическая проблема проблемы солнечных нейтрино, которую многие астрофизики, интересующиеся солнечными нейтрино, изучали и пытались решить в конце 1900-х — начале 2000-х годов, решена. В 21 веке, даже не имея основной проблемы, которую нужно решить, в этой области астрофизики все еще продолжаются уникальные и новые исследования.
Поток солнечных нейтрино при энергии кэВ
[ редактировать ]солнечных нейтрино и антинейтрино Это исследование, опубликованное в 2017 году, было направлено на определение потока для чрезвычайно низких энергий (диапазон кэВ). [25] Солнца Процессы при этих низких энергиях содержали жизненно важную информацию, которая рассказала исследователям о металличности . [25] Солнечная металличность — это мера присутствия в частице элементов, которые тяжелее водорода и гелия . Обычно в этой области этим элементом обычно является железо . [26] Результаты этого исследования дали существенно отличающиеся результаты по сравнению с предыдущими исследованиями с точки зрения общего спектра потока. [25] В настоящее время еще не существует технологий, позволяющих проверить эти выводы. [25]
Ограничение магнитных моментов нейтрино с помощью данных о солнечных нейтрино фазы II Borexino
[ редактировать ]Это исследование, опубликованное в 2017 году, было направлено на поиск эффективного магнитного момента солнечного нейтрино . [27] Поиск был завершен с использованием данных о воздействии второй фазы эксперимента Борексино, которые состояли из данных за 1291,5 дня (3,54 года). [27] Результаты показали, что форма спектра отдачи электронов соответствовала ожиданиям, без каких-либо серьезных изменений или отклонений от нее. [27]
См. также
[ редактировать ]- Детектор нейтрино
- Колебания нейтральных частиц
- Установка солнечных нейтрино
- Звездный нуклеосинтез
- Сверхновые нейтрино
- Диффузный нейтринный фон сверхновой (DSNB)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Солнечные нейтрино | Все нейтрино» . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Виньо, автор Даниэль (4 июня 2018 г.). «Солнечные нейтрино» . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Разгадка тайны пропавших нейтрино» . NobelPrize.org . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ «Проблема солнечных нейтрино | космология» . Британская энциклопедия . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ «Официальный сайт Супер-Камиоканде» . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp . Архивировано из оригинала 18 марта 2021 г. Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Уолтер, Кристофер В.; для сотрудничества Супер-Камиоканде (март 2008 г.), «Эксперимент Супер-Камиоканде» , Neutrino Oscillations , WORLD SCIENTIFIC, стр. 19–43, arXiv : 0802.1041 , Bibcode : 2008nops.book...19W , doi : 10.1142/97898127719 71_0002 , ISBN 978-981-277-196-4 , S2CID 118617515 , получено 7 мая 2021 г.
- ^ Кадзита, Такааки (апрель 2010 г.). «Атмосферные нейтрино и открытие нейтринных осцилляций» . Труды Японской академии. Серия Б, Физические и биологические науки . 86 (4): 303–321. Бибкод : 2010PJAB...86..303K . дои : 10.2183/pjab.86.303 . ISSN 0386-2208 . ПМЦ 3417797 . ПМИД 20431258 .
- ^ «Домашняя страница СНО» . sno.phy.queensu.ca . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Алимонти, Дж.; Арпеселла, К.; Назад, Х.; Балата, М.; Бартоломей, Д.; де Беллефон, А.; Беллини, Дж.; Бензигер, Дж.; Бевилаква, А.; Бонди, Д.; Бонетти, С. (март 2009 г.). «Детектор Borexino в Национальной лаборатории Гран-Сассо» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 600 (3): 568–593. arXiv : 0806.2400 . дои : 10.1016/j.nima.2008.11.076 . S2CID 18786899 .
- ^ «Учебник по микроскопии молекулярных выражений: цифровая визуализация в оптической микроскопии - концепции цифровой визуализации - фотоумножители» . micro.magnet.fsu.edu . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Виньолес, Нурия; Серенелли, Альдо М.; Вилланте, Франческо Л.; Басу, Сарбани; Бергстрем, Йоханнес; Гонсалес-Гарсия, MC; Мальтони, Микеле; Пенья-Гарай, Карлос; Сун, Нинцян (2017). «Новое поколение стандартных солнечных моделей» . Астрофизический журнал . 835 (2): 202. arXiv : 1611.09867 . Бибкод : 2017ApJ...835..202В . дои : 10.3847/1538-4357/835/2/202 . S2CID 119098686 .
- ^ Групен, Клаус (2005). Астрофизика частиц . Спрингер. ISBN 978-3-540-25312-9 . [ нужна страница ]
- ^ Перейти обратно: а б Беллерив, А. (2004). «Обзор экспериментов с солнечными нейтрино». Международный журнал современной физики А. 19 (8): 1167–1179. arXiv : hep-ex/0312045 . Бибкод : 2004IJMPA..19.1167B . дои : 10.1142/S0217751X04019093 . S2CID 16980300 .
- ^ Группен 2005 , с. 95
- ^ Дэвис, Джонатан Х. (2016). «Проекции по измерению размеров солнечного ядра методом нейтрино-электронного рассеяния». Письма о физических отзывах . 117 (21): 211101. arXiv : 1606.02558 . Бибкод : 2016PhRvL.117u1101D . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.211101 . ПМИД 27911522 . S2CID 22640563 .
- ^ «Снимки солнечных нейтрино» . www.sns.ias.edu .
- ^ Беллини, Дж.; и др. (2012). «Первое свидетельство существования солнечных нейтрино, полученное путем прямого обнаружения в Борексино». Письма о физических отзывах . 108 (5): 051302. arXiv : 1110.3230 . Бибкод : 2012PhRvL.108e1302B . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.051302 . ПМИД 22400925 . S2CID 118444784 . 051302. . 6 страниц; препринт на arXiv
- ^ Витце, Александра (10 марта 2012 г.). «Обнаружены неуловимые солнечные нейтрино, их обнаружение открывает больше о реакции, которая питает Солнце». Новости науки . Том. 181, нет. 5. с. 14. дои : 10.1002/scin.5591810516 .
- ^ Сотрудничество Borexino (27 августа 2014 г.). «Нейтрино от первичного процесса протон-протонного синтеза на Солнце». Природа . 512 (7515): 383–386. Бибкод : 2014Natur.512..383B . дои : 10.1038/nature13702 . ПМИД 25164748 . S2CID 205240340 .
- ^ «Борексино измеряет энергию Солнца в реальном времени» . ЦЕРН КУРЬЕР . 23 сентября 2014 года . Проверено 20 октября 2014 г.
- ^ Агостини, М.; Альтенмюллер, К.; Аппель, С.; Атрощенко В.; Багдасарян З.; Базилико, Д.; Беллини, Дж.; Бензигер, Дж.; Бионди, Р.; Браво, Д.; Каччанига, Б. (ноябрь 2020 г.). «Экспериментальные доказательства образования нейтрино в термоядерном цикле CNO на Солнце» . Природа . 587 (7835): 577–582. arXiv : 2006.15115 . Бибкод : 2020Natur.587..577B . дои : 10.1038/s41586-020-2934-0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 33239797 . S2CID 227174644 .
- ^ Хэкстон, WC (1990). «Предлагаемый нейтринный монитор длительного солнечного горения». Письма о физических отзывах . 65 (7): 809–812. Бибкод : 1990PhRvL..65..809H . дои : 10.1103/physrevlett.65.809 . ПМИД 10043028 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Артур Б. Макдональд | Канадский физик» . Британская энциклопедия . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ «Открыта масса нейтрино» . Мир физики . 1 июля 1998 г. Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Витальяно, Эдоардо; Редондо, Хавьер; Раффельт, Георг (6 декабря 2017 г.). «Поток солнечных нейтрино при энергиях кэВ» . Журнал космологии и физики астрочастиц . 2017 (12): 010. arXiv : 1708.02248 . Бибкод : 2017JCAP...12..010V . дои : 10.1088/1475-7516/2017/12/010 . ISSN 1475-7516 . S2CID 118965350 .
- ^ «Астрономия и астрофизика (A&A)» . www.aanda.org . Проверено 8 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Коллаборация Борексино; Агостини, М.; Альтенмюллер, К.; Аппель, С.; Атрощенко В.; Багдасарян З.; Базилико, Д.; Беллини, Дж.; Бензигер, Дж.; Бик, Д.; Бонфини, Дж. (29 ноября 2017 г.). «Ограничение магнитных моментов нейтрино с помощью данных о солнечных нейтрино фазы II Борексино» . Физический обзор D . 96 (9): 091103. arXiv : 1707.09355 . Бибкод : 2017PhRvD..96i1103A . дои : 10.1103/PhysRevD.96.091103 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хэкстон, Вашингтон ; Хэмиш Робертсон, защитник ; Серенелли, Альдо М. (18 августа 2013 г.). «Солнечные нейтрино: состояние и перспективы». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 51 (1): 21–61. arXiv : 1208.5723 . Бибкод : 2013ARA&A..51...21H . CiteSeerX 10.1.1.755.6940 . doi : 10.1146/annurev-astro-081811-125539 . S2CID 119255372 .