Проблема солнечных нейтрино

Проблема солнечных нейтрино касалась большого расхождения между потоком солнечных нейтрино , предсказанным на основе и светимости Солнца измеренным непосредственно. Несоответствие впервые наблюдалось в середине 1960-х годов и было устранено примерно в 2002 году.

Поток нейтрино на Землю составляет несколько десятков миллиардов на квадратный сантиметр в секунду, в основном из ядра Солнца . Тем не менее их трудно обнаружить, поскольку они очень слабо взаимодействуют с материей, пересекающей всю Землю . Из трех типов ( разновидностей ) нейтрино, известных в Стандартной модели физики элементарных частиц , Солнце производит только электронные нейтрино . Когда детекторы нейтрино стали достаточно чувствительными, чтобы измерять поток электронных нейтрино от Солнца, их количество оказалось намного ниже, чем предполагалось. В различных экспериментах дефицит численности составлял от половины до двух третей.

Физики элементарных частиц знали, что механизм, обсуждавшийся в 1957 году Бруно Понтекорво , может объяснить дефицит электронных нейтрино. ^[1] Однако они не решались принять ее по разным причинам, включая тот факт, что она требовала модификации принятой Стандартной модели. Сначала они указали на солнечную модель для корректировки, но это было исключено. Сегодня принято считать, что нейтрино, образующиеся на Солнце, не являются безмассовыми частицами, как предсказывает Стандартная модель, а скорее смешанными квантовыми состояниями, состоящими из собственных состояний с определенной массой в разных ( сложных ) пропорциях. Это позволяет нейтрино, образующемуся как чисто электронное нейтрино, при распространении превращаться в смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино с меньшей вероятностью быть обнаруженным детектором, чувствительным только к электронным нейтрино.

Несколько детекторов нейтрино, нацеленных на различные ароматы, энергии и пройденное расстояние, внесли свой вклад в наши нынешние знания о нейтрино. В 2002 и 2015 годах четыре исследователя, связанных с некоторыми из этих детекторов, были удостоены Нобелевской премии по физике .

Фон

Солнце осуществляет ядерный синтез посредством протон-протонной цепной реакции , которая преобразует четыре протона в альфа-частицы , нейтрино , позитроны и энергию. Эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, в виде гамма-лучей , а также в виде кинетической энергии как заряженных частиц, так и нейтрино. Нейтрино путешествуют от ядра Солнца к Земле без какого-либо заметного поглощения внешними слоями Солнца.

В конце 1960-х годов Рэй Дэвис и Джон Н. Бахколл провели эксперимент «Хоумстейк Эксперимент » первыми, кто измерил поток нейтрино от Солнца и обнаружил его дефицит. В эксперименте использовался детектор на основе хлора . Многие последующие радиохимические и водные черенковские детекторы подтвердили дефицит, в том числе обсерватория Камиока и нейтринная обсерватория Садбери .

Ожидаемое количество солнечных нейтрино было вычислено с использованием стандартной солнечной модели , которую помог установить Бахколл. Модель дает подробный отчет о внутренней работе Солнца.

В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба получили часть Нобелевской премии по физике за экспериментальную работу, обнаружившую, что количество солнечных нейтрино составляет примерно треть от числа, предсказанного стандартной солнечной моделью. ^[2]

В знак признания убедительных доказательств, предоставленных экспериментами 1998 и 2001 годов «осцилляций нейтрино», Такааки Кадзита из Обсерватории Супер-Камиоканде и Артур Макдональд из Нейтринной обсерватории Садбери (SNO) были удостоены Нобелевской премии по физике 2015 года . ^[3]^[4] Нобелевский комитет по физике, однако, ошибся, упомянув нейтринные осцилляции применительно к SNO-эксперименту: для солнечных нейтрино высоких энергий, наблюдаемых в этом эксперименте, это не нейтринные осцилляции, а эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна . ^[5]^[6] Бруно Понтекорво не был включен в число этих Нобелевских премий с тех пор, как умер в 1993 году.

Предлагаемые решения

Ранние попытки объяснить это несоответствие предполагали, что модели Солнца были неправильными, то есть температура и давление внутри Солнца существенно отличались от того, что считалось. Например, поскольку нейтрино измеряют степень текущего ядерного синтеза, было высказано предположение, что ядерные процессы в ядре Солнца могли временно прекратиться. Поскольку для перемещения тепловой энергии от ядра к поверхности Солнца требуются тысячи лет, это не сразу станет очевидным.

Достижения в области гелиосейсмологических наблюдений позволили определить внутреннюю температуру Солнца; эти результаты согласуются с хорошо известной стандартной солнечной моделью . Детальные наблюдения спектра нейтрино в более совершенных нейтринных обсерваториях дали результаты, которые не могла учесть никакая корректировка солнечной модели: в то время как общий более низкий поток нейтрино (который был обнаружен в результате эксперимента Хоумстейка) потребовал снижения температуры ядра Солнца, детали в энергии спектр нейтрино требовал более высокой температуры ядра. Это происходит потому, что разные ядерные реакции, скорость которых по-разному зависит от температуры, производят нейтрино с разной энергией. Любая корректировка солнечной модели ухудшала по крайней мере один аспект несоответствий. ^[7]

Разрешение

Проблема солнечных нейтрино была решена благодаря лучшему пониманию свойств нейтрино. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует три разновидности нейтрино: электронные нейтрино , мюонные нейтрино и тау-нейтрино . Электронные нейтрино — это те, которые производятся на Солнце и обнаруживаются в вышеупомянутых экспериментах, в частности в эксперименте в Хоумстейк-Майн с детектором хлора.

В 1970-е годы широко распространено мнение, что нейтрино не имеют массы и их ароматы инвариантны. Однако в 1968 году Понтекорво предположил, что если бы нейтрино имели массу, то они могли бы менять один аромат на другой. ^[8] Таким образом, «недостающие» солнечные нейтрино могут быть электронными нейтрино, которые по пути к Земле превратились в другие разновидности, что сделало их невидимыми для детекторов Хоумстейк-Майн и современных нейтринных обсерваторий.

Сверхновая указала на то , 1987А что нейтрино могут иметь массу из-за разницы во времени прибытия нейтрино, обнаруженных в Камиоканде и IMB . ^[9] Однако, поскольку нейтринных событий было зарегистрировано очень мало, сделать какие-либо выводы с уверенностью было трудно. Если бы у Камиоканде и IMB были высокоточные таймеры для измерения времени прохождения нейтринного всплеска через Землю, они могли бы более точно установить, имеют ли нейтрино массу или нет. Если бы нейтрино были безмассовыми, они двигались бы со скоростью света; если бы у них была масса, они бы путешествовали со скоростью немного меньшей скорости света. Поскольку детекторы не предназначались для регистрации нейтрино сверхновых , сделать это было невозможно.

Убедительные доказательства существования нейтринных осцилляций были получены в 1998 году коллаборацией Супер-Камиоканде в Японии. ^[10] Он произвел наблюдения, согласующиеся с тем, что мюонные нейтрино (производимые в верхних слоях атмосферы космическими лучами ) превращаются в тау-нейтрино внутри Земли: было обнаружено меньше атмосферных нейтрино, проходящих через Землю, чем приходящих непосредственно над детектором. Эти наблюдения касались только мюонных нейтрино. На Супер-Камиоканде тау-нейтрино не наблюдалось. Однако этот результат сделал более правдоподобным предположение, что дефицит нейтрино с электронным ароматом, наблюдаемый в эксперименте Хоумстейка (относительно низкой энергии), также связан с массой нейтрино.

Год спустя Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) начала сбор данных. Этот эксперимент был направлен на ⁸Солнечные нейтрино B, на которые при энергии около 10 МэВ не сильно влияют колебания как на Солнце, так и на Земле. Тем не менее ожидается большой дефицит из-за эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна , рассчитанного Алексеем Смирновым в 1985 году. Уникальная конструкция SNO, использующая большое количество тяжелой воды в качестве среды обнаружения, была предложена Хербом Ченом также в 1985 году. ^[11] SNO наблюдал электронные нейтрино, в частности, и все разновидности нейтрино в совокупности, отсюда и доля электронных нейтрино. ^[12] После обширного статистического анализа коллаборация SNO определила, что эта доля составляет около 34%. ^[13] в полном соответствии с предсказанием. Общее количество обнаруженных ⁸B-нейтрино также согласуются с тогдашними грубыми предсказаниями солнечной модели. ^[14]

Ссылки

^ Биленький, Самойл М. (23 сентября 2013 г.). «Бруно Понтекорво и нейтринные колебания» . Достижения физики высоких энергий . 2013 : e873236. дои : 10.1155/2013/873236 . ISSN 1687-7357 .
^ «Нобелевская премия по физике 2002» . Проверено 16 февраля 2020 г.
^ «Нобелевская премия по физике 2015» . Проверено 16 февраля 2020 г.
^ Уэбб, Джонатан (6 октября 2015 г.). «Переворот нейтрино получил Нобелевскую премию по физике» . Новости Би-би-си . Проверено 6 октября 2015 г.
^ Алексей Ю. Смирнов : «Солнечные нейтрино: осцилляции или неосцилляции?» 8 сентября 2016 г., arXiv : 1609.02386 .
↑ Адриан Чо: «Нобелевский комитет неправильно понял физику?» Science , 14 декабря 2016 г., doi:10.1126/science.aal0508 .
^ Хэкстон, Ежегодный обзор астрономии и астрофизики WC, том 33, стр. 459–504, 1995.
^ Грибов, В. (1969). «Нейтринная астрономия и лептонный заряд». Буквы по физике Б. 28 (7): 493–496. Бибкод : 1969PhLB...28..493G . дои : 10.1016/0370-2693(69)90525-5 .
^ В. Дэвид Арнетт и Джонатан Л. Рознер (1987). «Пределы массы нейтрино из SN1987A». Письма о физических отзывах . 58 (18): 1906–1909. Бибкод : 1987PhRvL..58.1906A . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.1906 . ПМИД 10034569 .
^ Эдвард Кернс, Такааки Кадзита и Ёдзи Тоцука: «Обнаружение массивных нейтрино». Scientific American , август 1999 г.
^ Х. Х. Чен, «Прямой подход к решению проблемы солнечных нейтрино», Physical Review Letters 55, 1985, doi: 10.1103/PhysRevLett.55.1534 .
^ QR Ahmad и др., «Измерение скорости взаимодействий ν _e + d → p + p + e ⁻ Продюсер: ⁸B Солнечные нейтрино в Нейтринной обсерватории Садбери», Physical Review Letters 87, 2001, doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301 .
^ Ален Беллерив и др. (Сотрудничество SNO): «Нейтринная обсерватория Садбери». Нукл. Физ. Б 908, 2016, arXiv : 1602.02469 .
^ Судзуки, Йоитиро (2000), «Солнечные нейтрино» (PDF) , International Journal of Modern Physics A , 15 : 201–228, Бибкод : 2000IJMPA..15S.201S , doi : 10.1142/S0217751X00005164

Внешние ссылки

[1] Биленький, Самойл М. (23 сентября 2013 г.). «Бруно Понтекорво и нейтринные колебания» . Достижения физики высоких энергий . 2013 : e873236. дои : 10.1155/2013/873236 . ISSN 1687-7357 .

[nobelprize-2] «Нобелевская премия по физике 2002» . Проверено 16 февраля 2020 г.

[nobelprizeII-3] «Нобелевская премия по физике 2015» . Проверено 16 февраля 2020 г.

[Nobel-4] Уэбб, Джонатан (6 октября 2015 г.). «Переворот нейтрино получил Нобелевскую премию по физике» . Новости Би-би-си . Проверено 6 октября 2015 г.

[5] Алексей Ю. Смирнов : «Солнечные нейтрино: осцилляции или неосцилляции?» 8 сентября 2016 г., arXiv : 1609.02386 .

[6] Адриан Чо: «Нобелевский комитет неправильно понял физику?» Science , 14 декабря 2016 г., doi:10.1126/science.aal0508 .

[7] Хэкстон, Ежегодный обзор астрономии и астрофизики WC, том 33, стр. 459–504, 1995.

[8] Грибов, В. (1969). «Нейтринная астрономия и лептонный заряд». Буквы по физике Б. 28 (7): 493–496. Бибкод : 1969PhLB...28..493G . дои : 10.1016/0370-2693(69)90525-5 .

[9] В. Дэвид Арнетт и Джонатан Л. Рознер (1987). «Пределы массы нейтрино из SN1987A». Письма о физических отзывах . 58 (18): 1906–1909. Бибкод : 1987PhRvL..58.1906A . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.1906 . ПМИД 10034569 .

[10] Эдвард Кернс, Такааки Кадзита и Ёдзи Тоцука: «Обнаружение массивных нейтрино». Scientific American , август 1999 г.

[11] Х. Х. Чен, «Прямой подход к решению проблемы солнечных нейтрино», Physical Review Letters 55, 1985, doi: 10.1103/PhysRevLett.55.1534 .

[12] QR Ahmad и др., «Измерение скорости взаимодействий ν _e + d → p + p + e ⁻ Продюсер: ⁸B Солнечные нейтрино в Нейтринной обсерватории Садбери», Physical Review Letters 87, 2001, doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301 .

[13] Ален Беллерив и др. (Сотрудничество SNO): «Нейтринная обсерватория Садбери». Нукл. Физ. Б 908, 2016, arXiv : 1602.02469 .

[14] Судзуки, Йоитиро (2000), «Солнечные нейтрино» (PDF) , International Journal of Modern Physics A , 15 : 201–228, Бибкод : 2000IJMPA..15S.201S , doi : 10.1142/S0217751X00005164

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]