Проблема солнечных нейтрино - Solar neutrino problem

В проблема солнечных нейтрино касалось большого расхождения между потоками солнечные нейтрино как и было предсказано солнце с яркость и измеряется напрямую. Несоответствие впервые наблюдалось в середине 1960-х годов и окончательно разрешилось примерно в 2002 году.

Поток нейтрино в земной шар составляет несколько десятков миллиардов на квадратный сантиметр в секунду, в основном из-за солнце 'счет. Тем не менее их трудно обнаружить, потому что они очень слабо взаимодействуют с веществом, пересекая все земной шар как свет разжижает воздух. Из трех типов (ароматы ) нейтрино, известных в Стандартная модель из физика элементарных частиц, Солнце производит только электронные нейтрино. Когда детекторы нейтрино стал достаточно чувствительным, чтобы измерить поток электронных нейтрино от Солнца, обнаруженное число оказалось намного ниже предсказанного. В различных экспериментах дефицит численности составлял от половины до двух третей.

Физики элементарных частиц знали, что механизм, обсужденный еще в 1957 г. Бруно Понтекорво, может объяснить дефицит электронных нейтрино[нужна цитата ]. Однако они не решались принять его по разным причинам, включая тот факт, что это требовало модификации принятой Стандартной модели. Сначала они указали на солнечную модель для корректировки, которая была исключена. Сегодня принято считать, что нейтрино, рожденные на Солнце, не являются безмассовыми частицами, как предсказывает Стандартная модель, а скорее смешанные квантовые состояния состоит из определенных-масса собственные состояния в разных (сложный ) пропорции. Это позволяет нейтрино, полученному как чистое электронное нейтрино, изменение во время распространения в смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино с уменьшенной вероятностью обнаружения детектором, чувствительным только к электронным нейтрино.

Несколько детекторов нейтрино, нацеленных на разные ароматы, энергии и пройденное расстояние, внесли свой вклад в наши нынешние знания о нейтрино. В 2002 и 2015 годах в общей сложности четыре исследователя, связанные с некоторыми из этих детекторов, были награждены Нобелевская премия по физике.

Фон

Солнце исполняет термоядерная реакция через протон-протонная цепная реакция, который преобразует четыре протоны в альфа-частицы, нейтрино, позитроны, и энергия. Эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, так как гамма излучение, а также в виде кинетическая энергия как заряженных частиц, так и нейтрино. Нейтрино перемещаются от ядра Солнца к Земле без заметного поглощения внешними слоями Солнца.

В конце 1960-х гг. Рэй Дэвис и Джон Н. Бэколл с Хоумстейк Эксперимент был первым, кто измерил поток нейтрино от Солнца и обнаруживают дефицит. В эксперименте использовался хлор детектор на базе. Многие последующие радиохимические и водные Черенков детекторы подтвердили дефицит, в том числе Обсерватория Камиока и Нейтринная обсерватория Садбери.

Ожидаемое количество солнечных нейтрино было вычислено с использованием стандартная солнечная модель, который Бахколл помог установить. Модель дает подробный отчет о внутренней работе Солнца.

В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба выиграл часть Нобелевская премия по физике за экспериментальную работу, в ходе которой было обнаружено, что количество солнечных нейтрино составляет около трети от числа, предсказываемого стандартной солнечной моделью.[1]

Признавая твердые доказательства, предоставленные экспериментами 1998 и 2001 годов "для нейтринных осцилляций", Такааки Кадзита от Обсерватория Супер-Камиоканде и Артур Макдональд от Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) были награждены 2015 Нобелевская премия по физике.[2][3] Нобелевский комитет по физике, однако, ошибся, упомянув об осцилляции нейтрино в отношении эксперимента SNO: для высокоэнергетических солнечных нейтрино, наблюдаемых в этом эксперименте, это не осцилляции нейтрино, а Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна..[4][5] Бруно Понтекорво не был включен в эти Нобелевские премии с тех пор, как умер в 1993 году.

Предлагаемые решения

Ранние попытки объяснить это несоответствие предполагали, что модели Солнца ошибочны, т.е. температура и давление внутри Солнца существенно отличались от того, что считалось. Например, поскольку нейтрино измеряют количество текущего ядерного синтеза, было высказано предположение, что ядерные процессы в ядре Солнца могли временно прекратиться. Поскольку тепловая энергия переходит от ядра к поверхности Солнца за тысячи лет, это не сразу станет очевидным.

Достижения в гелиосейсмология наблюдения позволили сделать вывод о внутренней температуре Солнца; эти результаты согласуются с хорошо известными стандартная солнечная модель. Подробные наблюдения за спектром нейтрино с более продвинутых нейтринных обсерваторий дали результаты, которые никакая корректировка солнечной модели не могла учесть: в то время как общий более низкий поток нейтрино (который был обнаружен в результате эксперимента Хоумстейка) требовал снижение в температуре солнечного ядра, подробности в энергетический спектр нейтрино потребовалось выше температура ядра. Это происходит потому, что разные ядерные реакции, скорость которых по-разному зависит от температуры, порождают нейтрино с разной энергией. Любая корректировка солнечной модели усугубила по крайней мере один аспект расхождений.[6]

Разрешение

Основные статьи: Колебания нейтрино и Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна.

Проблема солнечных нейтрино была решена благодаря более глубокому 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 те, которые обнаруживаются в вышеупомянутых экспериментах, в частности, в эксперименте Homestake Mine с детектором хлора.

В 1970-х годах было широко распространено мнение, что нейтрино безмассовые и их ароматы неизменны. Однако в 1968 г. Понтекорво предположил, что если нейтрино имеют массу, то они могут меняться от одного аромата к другому.[7] Таким образом, «недостающие» солнечные нейтрино могут быть электронными нейтрино, которые на пути к Земле изменились на другие ароматы, что сделало их невидимыми для детекторов в шахте Хоумстейк и современных нейтринных обсерваториях.

В сверхновая звезда 1987A указал, что нейтрино могут иметь массу из-за разницы во времени прибытия нейтрино, обнаруженных в Камиоканде и ММБ.[8] Однако, поскольку было зарегистрировано очень мало нейтринных событий, было трудно сделать какие-либо выводы с уверенностью. Если бы у Камиоканде и IMB были высокоточные таймеры для измерения времени прохождения нейтринного взрыва через Землю, они могли бы более точно установить, имеют ли нейтрино массу. Если бы нейтрино были безмассовыми, они бы двигались со скоростью света; если бы у них была масса, они бы двигались со скоростью, немного меньшей, чем скорость света. Поскольку детекторы не предназначались для регистрации нейтрино сверхновых, это было невозможно сделать.

Веские доказательства для осцилляция нейтрино прибыл в 1998 году из Супер-Камиоканде сотрудничество в Японии.[9] Он произвел наблюдения, соответствующие мюонным нейтрино (произведенным в верхних слоях атмосферы космические лучи ) превращаясь в тау-нейтрино внутри Земли: было зарегистрировано меньше атмосферных нейтрино, проходящих через Землю, чем исходящих непосредственно над детектором. Эти наблюдения касались только мюонных нейтрино. На Супер-Камиоканде тау-нейтрино не наблюдалось. Однако результат сделал более правдоподобным тот факт, что дефицит нейтрино с электронным ароматом, наблюдаемый в (относительно низкоэнергетическом) эксперименте Хоумстейк, также связан с массой нейтрино.

Год спустя Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) начал сбор данных. Этот эксперимент направлен на 8В солнечных нейтрино, которые при энергии около 10 МэВ не сильно подвержены колебаниям как Солнца, так и Земли. Тем не менее ожидается большой дефицит из-за Эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна. как было рассчитано Алексей Смирнов в 1985 году. Уникальный дизайн СНО с использованием большого количества тяжелая вода как средство обнаружения было предложено Херб Чен, также в 1985 году.[10] SNO наблюдала электронные нейтрино, в частности, и все разновидности нейтрино вместе, отсюда и часть электронных нейтрино.[11] После обширного статистического анализа коллаборация SNO определила, что эта доля составляет около 34%,[12] в полном соответствии с предсказанием. Общее количество обнаруженных 8B-нейтрино также согласуется с тогдашними грубыми предсказаниями солнечной модели.[13]

Рекомендации

  1. ^ «Нобелевская премия по физике 2002 г.». Получено 2020-02-16.
  2. ^ «Нобелевская премия по физике 2015 г.». Получено 2020-02-16.
  3. ^ Уэбб, Джонатан (6 октября 2015 г.). «Флип нейтрино» получил Нобелевскую премию по физике ». Новости BBC. Получено 6 октября 2015.
  4. ^ Алексей Ю. Смирнов: "Солнечные нейтрино: колебания или отсутствие колебаний?" 8 сентября 2016 г., arXiv:1609.02386.
  5. ^ Адриан Чо: «Нобелевский комитет неправильно понял физику?» Наука, 14 декабря 2016 г., DOI: 10.1126 / science.aal0508.
  6. ^ Haxton, W.C. Ежегодный обзор астрономии и астрофизики, том 33, стр. 459–504, 1995.
  7. ^ Грибов, В. (1969). «Нейтринная астрономия и лептонный заряд». Письма по физике B. 28 (7): 493–496. Bibcode:1969ФЛБ ... 28..493Г. Дои:10.1016/0370-2693(69)90525-5.
  8. ^ В. Дэвид Арнетт и Джонатан Л. Рознер (1987). «Пределы массы нейтрино из SN1987A». Письма с физическими проверками. 58 (18): 1906–1909. Bibcode:1987ПхРвЛ..58.1906А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.1906. PMID  10034569.
  9. ^ Эдвард Кирнс, Такааки Кадзита и Ёдзи Тоцука: «Обнаружение массивных нейтрино». Scientific American, Август 1999 г.
  10. ^ Х. Х. Чен, "Прямой подход к решению проблемы солнечных нейтрино", Письма с физическими проверками 55, 1985, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.55.1534.
  11. ^ Q.R. Ахмад и др., "Измерение скорости взаимодействий νе + d → p + p + e− Произведено 8B Солнечные нейтрино в нейтринной обсерватории Садбери " Письма с физическими проверками 87, 2001, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.87.071301.
  12. ^ A. Bellerive et al. (Сотрудничество с SNO): «Нейтринная обсерватория Садбери». Nucl. Phys. B 908, 2016, г. arXiv:1602.02469.
  13. ^ Сузуки, Ёитиро (2000), "Солнечные нейтрино" (PDF), Международный журнал современной физики A, 15: 201–228, Bibcode:2000IJMPA..15S.201S, Дои:10.1142 / S0217751X00005164

внешняя ссылка