Farklı nötrino türlerinin karşılıklı dönüşümü 08.10.2015

Nötrinoların madde ile çok zayıf etkileşimi iyi bilinmektedir. Tek bir atomu rahatsız etmeden Dünya'dan veya Güneş'ten geçebilirler. Üstelik bu şekilde milyarlarca yıldızın içinden geçebilirler. Bu, bir yandan özelliklerini kaydetmeyi ve ölçmeyi zorlaştırırken, diğer yandan onları Evrenin evrimi ve yıldızların içinde meydana gelen süreçler hakkında en önemli bilgilerin kaynağı haline getirir. Bilim adamları ayrıca nötrinoların, Evrendeki madde ve antimaddenin asimetrisini açıklamada kilit bir rol oynayabileceğine inanıyorlar; bu, Büyük Patlama'dan sonra madde ve antimaddenin karşılıklı olarak tamamen yok olmaması ve maddenin bir kısmının hala hayatta kalması gerçeğinden oluşur. ve Evrenimizi oluşturdu.

Nötrinolarla ilgili sorunlardan biri kütleleri sorunudur. Uzun bir süre nötrino'nun kütlesi olmadığı varsayıldı. Standart Modelin orijinal versiyonunda bu şekilde kabul edildiler. Bu sorunun çözümü sadece temel parçacıkların fiziğini anlamak için önemli değildir. Nötrinolar, Evrende meydana gelen nükleer reaksiyonlar tarafından üretilir ve fotonlardan sonra evrendeki en yaygın parçacıklardır. Onların sayısı çok büyük. Her saniye bir santimetre kareden 60 milyardan fazla nötrino geçer. Bu nedenle, kendi kütlesi çok küçük olsa bile, tüm nötrinoların toplam kütlesi çok büyük olabilir ve Evrenin evrimini etkileyebilir. Modern tahminlere göre, tüm nötrinoların kütlesi, Evrendeki tüm görünür yıldızların kütlesine yaklaşık olarak eşittir.

Güneş'ten Dünya'ya gelen elektron nötrinolarının sayısının belirlenmesinde başka bir problem ortaya çıktı. 1970'lerden bu yana, deneyler teorinin öngördüğü sayının sadece üçte birini kaydetti. Bu, elektron nötrinolarının sayısında bir eksiklik olarak adlandırıldı. Fenomeni açıklamak için, nötrino salınımları (salınımları) olarak adlandırılan hipotezin kazandığı iki düzine varsayım öne sürüldü. Güneş'ten yola çıkan elektron nötrinolarının, deneylerde kaydedilmemiş başka tür nötrinolara dönüştüğünü varsayıyordu. İlginç bir şekilde, temel parçacık salınımları fikri, 1957'de Sovyet akademisyen Bruno Pontecorvo tarafından ifade edildi. Nötrino salınımları 1990'ların ikinci yarısında ciddi bir şekilde tartışıldı.

Şu anda, her biri her zaman karşılık gelen leptonla birlikte doğan üç tür nötrino bilinmektedir - adlarını aldıkları bir elektron, bir müon veya bir tau lepton. Nötrino salınımları hipotezine göre, zaman ve uzayda periyodik olarak nötrinoların birbirine dönüşme süreci gerçekleşir. Bu nedenle, başlangıçta sadece elektron nötrinolarından oluşan ışında, yayılırken, elektronların fraksiyonunda eşzamanlı bir azalma ile birlikte bir müon ve tau nötrino karışımı ortaya çıkar.

İlginç bir şekilde, bu sorunun çözümünün nötrino kütlesi sorunuyla ilgili olduğu ortaya çıktı. Gerçek şu ki, nötrino salınımları ancak kütleleri varsa mümkündür.

Bunun nedeni, modern kavramlara göre elektron, müon ve tau nötrinolarının her biri kendi payıyla giren farklı kütlelere sahip üç durumun kuantum karışımı olmasıdır. Elektron, müon ve tau nötrinolarının her biri kendi frekansı ve genliği ile salınan üç dalgadan oluştuğunu söyleyebiliriz. Bu nedenle, ilk anda bu dalgaların toplamı bir elektron nötrinosuna benziyorsa, bir süre sonra bu dalgalar öyle bir toplanır ki, deneyciler tarafından bir olarak ölçülen müon ve tau nötrinolarının bir karışımı ortaya çıkar. elektron nötrinolarının sayısındaki eksiklik.

Bu nedenle fizikçiler, henüz doğrudan ölçülmemiş olmasına rağmen, nötrinoların kütlesi olduğuna uzun zamandır inanıyorlardı. Standart Modelin formüllerinde, özünü ihlal etmeyen, karşılık gelen küçük bir değişiklik bile yapıldı. Ancak bunun deneysel kanıtı 2015. ve XNUMX. yüzyılların başında elde edildi. XNUMX Nobel Ödülü sahibi Japon Takaaki Kajita ve Kanadalı Arthur McDonald, nötrino salınımlarını araştıran iki büyük araştırma grubunun kilit isimleriydi.

1998 yılında, Japon bilim adamlarının, kozmik ışınların, Super-Kamiokande deneyinde elde edilen atmosferik gazların atomlarının çekirdekleriyle etkileşiminden kaynaklanan atmosferik nötrinoların salınımları hakkındaki sonuçları yayınlandı. Bir nötrino, dedektör tankındaki bir su molekülü ile çarpıştığında, hızlı, elektrik yüklü bir parçacık doğar. Işık sensörleri tarafından ölçülen Cherenkov radyasyonu üretir. Şekli ve yoğunluğu, nötrino türünü ve nereden geldiğini ortaya çıkarır. Yukarıdan gelen müon nötrinoları, dünya çapında daha uzun bir yol kat edenlerden daha fazlaydı. Bu, ikinci durumdaki müon nötrinolarının diğer nötrino türlerine dönüştüğünü göstermektedir.

2001 yılında, güneş nötrino salınımları Sudbury Neutrino Observatory'de (SNO - Sudbury Neutrino Observatory) kanıtlandı. Orada, dedektör tankındaki nötrinolar ve ağır su arasındaki reaksiyonlar, hem elektron nötrinolarının hem de her üç nötrino türünün birlikte ölçülmesini mümkün kıldı. Elektron nötrinolarının sayısı beklenenden az bulunurken, her üç nötrino türünün toplam sayısı da beklentilerle uyumluydu. Bundan, bazı elektron nötrinolarının başka tür nötrinolara dönüştüğü ortaya çıktı.