Neutrino ialah zarah asas yang hampir sama dengan elektron, tetapi tidak mempunyai cas elektrik. Ia mempunyai jisim yang sangat kecil, yang mungkin sifar. Kelajuan neutrino juga bergantung kepada jisim. Perbezaan masa ketibaan zarah dan cahaya ialah 0.0006% (± 0.0012%). Pada tahun 2011, semasa percubaan OPERA, didapati bahawa kelajuan neutrino melebihi kelajuan cahaya, tetapi pengalaman bebas tidak mengesahkannya.
Zarah Sukar
Ini adalah salah satu zarah yang paling biasa di alam semesta. Memandangkan ia berinteraksi sangat sedikit dengan jirim, ia amat sukar untuk dikesan. Elektron dan neutrino tidak mengambil bahagian dalam interaksi nuklear yang kuat, tetapi sama-sama mengambil bahagian dalam yang lemah. Zarah dengan sifat ini dipanggil lepton. Selain elektron (dan antizarahnya, positron), lepton bercas termasuk muon (200 jisim elektron), tau (3500 jisim elektron), dan antizarahnya. Mereka dipanggil begitu: elektron-, muon- dan tau-neutrino. Masing-masing mempunyai komponen anti-bahan yang dipanggil antineutrino.
Muon dan tau, seperti elektron, mempunyai zarah yang mengiringinya. Ini adalah muon dan tau neutrino. Ketiga-tiga jenis zarah adalah berbeza antara satu sama lain. Sebagai contoh, apabila neutrino muon berinteraksi dengan sasaran, mereka sentiasa menghasilkan muon, tidak pernah tau atau elektron. Dalam interaksi zarah, walaupun elektron dan elektron-neutrino boleh dicipta dan dimusnahkan, jumlahnya kekal tidak berubah. Fakta ini membawa kepada pembahagian lepton kepada tiga jenis, setiap satunya mempunyai lepton bercas dan neutrino yang disertakan.
Pengesan yang sangat besar dan sangat sensitif diperlukan untuk mengesan zarah ini. Lazimnya, neutrino bertenaga rendah akan mengembara beberapa tahun cahaya sebelum berinteraksi dengan jirim. Akibatnya, semua eksperimen berasaskan tanah dengan mereka bergantung pada mengukur pecahan kecil mereka yang berinteraksi dengan perakam saiz yang munasabah. Sebagai contoh, di Balai Cerap Sudbury Neutrino, yang mengandungi 1000 tan air berat, kira-kira 1012 neutrino suria sesaat melalui pengesan. Dan hanya 30 sehari ditemui.
Sejarah penemuan
Wolfgang Pauli mula-mula membuat postulat kewujudan zarah pada tahun 1930. Masalah timbul pada masa itu kerana nampaknya tenaga dan momentum sudut tidak dipelihara dalam pereputan beta. Tetapi Pauli menyatakan bahawa jika zarah neutrino neutral yang tidak berinteraksi dipancarkan, maka undang-undang pemuliharaan tenaga akan dipatuhi. Ahli fizik Itali Enrico Fermi mengembangkan teori pereputan beta pada tahun 1934 dan memberikan nama zarah itu.
Walaupun semua ramalan, selama 20 tahun neutrino tidak dapat dikesan secara eksperimen kerana interaksinya yang lemah dengan jirim. Oleh kerana zarah-zarah itu bukan elektrikdikenakan, ia tidak dipengaruhi oleh daya elektromagnet, dan, oleh itu, ia tidak menyebabkan pengionan bahan. Di samping itu, mereka bertindak balas dengan jirim hanya melalui interaksi lemah kekuatan yang boleh diabaikan. Oleh itu, ia adalah zarah subatomik yang paling menembusi, dapat melalui sejumlah besar atom tanpa menyebabkan sebarang tindak balas. Hanya 1 dalam 10 bilion zarah ini, bergerak melalui jirim pada jarak yang sama dengan diameter Bumi, bertindak balas dengan proton atau neutron.
Akhirnya, pada tahun 1956, sekumpulan ahli fizik Amerika yang diketuai oleh Frederick Reines mengumumkan penemuan elektron-antineutrino. Dalam eksperimennya, antineutrino yang dipancarkan daripada reaktor nuklear berinteraksi dengan proton untuk membentuk neutron dan positron. Tandatangan tenaga unik (dan jarang berlaku) produk sampingan terbaharu ini memberikan bukti kewujudan zarah itu.
Penemuan lepton muon bercas menjadi titik permulaan untuk pengecaman seterusnya jenis neutrino kedua - muon. Pengenalpastian mereka telah dijalankan pada tahun 1962 berdasarkan keputusan eksperimen dalam pemecut zarah. Neutrino muonik bertenaga tinggi dihasilkan oleh pereputan pi-meson dan dihantar ke pengesan sedemikian rupa sehingga tindak balasnya dengan jirim boleh dikaji. Walaupun ia tidak reaktif, seperti jenis zarah ini yang lain, didapati bahawa pada keadaan yang jarang berlaku apabila ia bertindak balas dengan proton atau neutron, muon-neutrino membentuk muon, tetapi tidak pernah elektron. Pada tahun 1998, ahli fizik Amerika Leon Lederman, Melvin Schwartz dan Jack Steinbergermenerima Hadiah Nobel dalam Fizik untuk mengenal pasti muon-neutrino.
Pada pertengahan 1970-an, fizik neutrino telah diisi semula dengan jenis lepton bercas lain - tau. Tau neutrino dan tau antineutrino ternyata dikaitkan dengan lepton bercas ketiga ini. Pada tahun 2000, ahli fizik di Makmal Pemecut Kebangsaan. Enrico Fermi melaporkan bukti eksperimen pertama untuk kewujudan zarah jenis ini.
Jisim
Semua jenis neutrino mempunyai jisim yang jauh lebih kecil daripada jisim yang dicas. Sebagai contoh, eksperimen menunjukkan bahawa jisim elektron-neutrino mestilah kurang daripada 0.002% daripada jisim elektron dan bahawa jumlah jisim tiga spesies mestilah kurang daripada 0.48 eV. Selama bertahun-tahun nampaknya jisim zarah adalah sifar, walaupun tidak ada bukti teori yang meyakinkan mengapa ini sepatutnya berlaku. Kemudian, pada tahun 2002, Balai Cerap Neutrino Sudbury memberikan bukti langsung pertama bahawa elektron-neutrino dipancarkan oleh tindak balas nuklear dalam jenis perubahan teras Matahari semasa mereka melaluinya. "Ayunan" neutrino sedemikian mungkin jika satu atau lebih jenis zarah mempunyai jisim yang kecil. Kajian mereka tentang interaksi sinar kosmik dalam atmosfera Bumi juga menunjukkan kehadiran jisim, tetapi eksperimen lanjut diperlukan untuk menentukannya dengan lebih tepat.
Sumber
Sumber semula jadi neutrino ialah pereputan radioaktif unsur-unsur dalam perut Bumi, di manaaliran besar elektron-antineutrino bertenaga rendah dipancarkan. Supernova juga merupakan fenomena yang kebanyakannya neutrino, kerana hanya zarah ini boleh menembusi bahan superdens yang dihasilkan dalam bintang runtuh; hanya sebahagian kecil daripada tenaga ditukarkan kepada cahaya. Pengiraan menunjukkan bahawa kira-kira 2% daripada tenaga Matahari adalah tenaga neutrino yang dihasilkan dalam tindak balas pelakuran termonuklear. Berkemungkinan kebanyakan jirim gelap di alam semesta terdiri daripada neutrino yang dihasilkan semasa Big Bang.
Masalah fizik
Bidang yang berkaitan dengan neutrino dan astrofizik adalah pelbagai dan berkembang pesat. Soalan semasa yang menarik sejumlah besar usaha eksperimen dan teori adalah seperti berikut:
- Apakah jisim neutrino yang berbeza?
- Bagaimanakah ia mempengaruhi kosmologi Big Bang?
- Adakah mereka berayun?
- Bolehkah satu jenis neutrino berubah menjadi yang lain semasa mereka mengembara melalui jirim dan angkasa?
- Adakah neutrino pada asasnya berbeza daripada antizarahnya?
- Bagaimanakah bintang runtuh dan membentuk supernova?
- Apakah peranan neutrino dalam kosmologi?
Salah satu masalah yang telah lama diminati ialah apa yang dipanggil masalah neutrino solar. Nama ini merujuk kepada fakta bahawa semasa beberapa eksperimen berasaskan tanah yang dijalankan sepanjang 30 tahun yang lalu, lebih sedikit zarah diperhatikan secara konsisten daripada yang diperlukan untuk menghasilkan tenaga yang dipancarkan oleh matahari. Salah satu penyelesaian yang mungkin adalah ayunan, iaitu, transformasi elektronikneutrino menjadi muon atau tau semasa mengembara ke Bumi. Memandangkan adalah lebih sukar untuk mengukur muon tenaga rendah atau neutrino tau, transformasi jenis ini boleh menjelaskan sebab kita tidak memerhatikan bilangan zarah yang betul di Bumi.
Hadiah Nobel Keempat
Hadiah Nobel dalam Fizik 2015 telah dianugerahkan kepada Takaaki Kajita dan Arthur McDonald atas penemuan jisim neutrino mereka. Ini adalah anugerah keempat yang berkaitan dengan pengukuran eksperimen zarah ini. Mungkin ada yang tertanya-tanya mengapa kita perlu mengambil berat tentang sesuatu yang hampir tidak berinteraksi dengan perkara biasa.
Fakta bahawa kita dapat mengesan zarah-zarah fana ini adalah bukti kepintaran manusia. Memandangkan peraturan mekanik kuantum adalah kebarangkalian, kita tahu bahawa walaupun hampir semua neutrino melalui Bumi, sesetengah daripada mereka akan berinteraksi dengannya. Pengesan yang cukup besar untuk mengesan ini.
Peranti sedemikian yang pertama dibina pada tahun enam puluhan jauh di dalam lombong di South Dakota. Lombong itu dipenuhi dengan 400 ribu liter cecair pembersih. Secara purata, satu zarah neutrino setiap hari berinteraksi dengan atom klorin, mengubahnya menjadi argon. Hebatnya, Raymond Davis, yang bertanggungjawab ke atas pengesan, menghasilkan cara untuk mengesan beberapa atom argon ini, dan empat dekad kemudian, pada tahun 2002, beliau telah dianugerahkan Hadiah Nobel untuk prestasi teknikal yang menakjubkan ini.
Astronomi Baharu
Oleh kerana neutrino berinteraksi dengan sangat lemah, mereka boleh menempuh jarak yang jauh. Mereka memberi kita peluang untuk melihat tempat-tempat yang tidak akan pernah kita lihat. Neutrino yang ditemui Davis dihasilkan oleh tindak balas nuklear yang berlaku di tengah-tengah Matahari, dan dapat melarikan diri dari tempat yang sangat padat dan panas ini hanya kerana mereka hampir tidak berinteraksi dengan bahan lain. Malah mungkin untuk mengesan neutrino terbang dari pusat bintang yang meletup lebih seratus ribu tahun cahaya dari Bumi.
Selain itu, zarah-zarah ini memungkinkan untuk memerhati alam semesta pada skala yang sangat kecil, jauh lebih kecil daripada apa yang boleh dilihat oleh Large Hadron Collider di Geneva, yang menemui boson Higgs. Atas sebab inilah Jawatankuasa Nobel memutuskan untuk menganugerahkan Hadiah Nobel untuk penemuan satu lagi jenis neutrino.
Misteri Hilang
Apabila Ray Davis memerhati neutrino suria, dia mendapati hanya satu pertiga daripada jumlah yang dijangkakan. Kebanyakan ahli fizik percaya bahawa sebab untuk ini adalah pengetahuan yang lemah tentang astrofizik Matahari: mungkin model bahagian dalam bintang melebihkan jumlah neutrino yang dihasilkan di dalamnya. Namun selama bertahun-tahun, walaupun model solar bertambah baik, kekurangan berterusan. Ahli fizik menarik perhatian kepada kemungkinan lain: masalah itu boleh dikaitkan dengan pemahaman kita tentang zarah ini. Menurut teori yang berlaku ketika itu, mereka tidak mempunyai jisim. Tetapi beberapa ahli fizik berpendapat bahawa zarah itu sebenarnya mempunyai saiz yang sangat keciljisim, dan jisim ini adalah sebab kekurangannya.
Zarah bermuka tiga
Mengikut teori ayunan neutrino, terdapat tiga jenis neutrino dalam alam semula jadi. Jika zarah mempunyai jisim, maka semasa ia bergerak, ia boleh berubah dari satu jenis ke jenis yang lain. Tiga jenis - elektron, muon dan tau - apabila berinteraksi dengan jirim boleh ditukar kepada zarah bercas yang sepadan (elektron, muon atau tau lepton). "Ayunan" berlaku disebabkan oleh mekanik kuantum. Jenis neutrino tidak tetap. Ia berubah mengikut masa. Neutrino, yang memulakan kewujudannya sebagai elektron, boleh bertukar menjadi muon, dan kemudian kembali. Oleh itu, zarah yang terbentuk dalam teras Matahari, dalam perjalanan ke Bumi, secara berkala boleh bertukar menjadi muon-neutrino dan sebaliknya. Memandangkan pengesan Davis hanya dapat mengesan neutrino elektron yang mampu membawa kepada transmutasi nuklear klorin kepada argon, nampaknya neutrino yang hilang telah bertukar menjadi jenis lain. (Nampaknya, neutrino berayun di dalam Matahari, bukan dalam perjalanan ke Bumi.)
Percubaan Kanada
Satu-satunya cara untuk menguji ini ialah membina pengesan yang berfungsi untuk ketiga-tiga jenis neutrino. Sejak 1990-an, Arthur McDonald dari Queen's Ontario University telah mengetuai pasukan yang melakukan ini di sebuah lombong di Sudbury, Ontario. Kemudahan itu mengandungi bertan-tan air berat yang dipinjamkan daripada kerajaan Kanada. Air berat ialah bentuk air yang jarang berlaku tetapi wujud secara semula jadi di mana hidrogen, mengandungi satu proton,digantikan dengan deuterium isotop yang lebih berat, yang mengandungi proton dan neutron. Kerajaan Kanada menimbun air yang berat kerana ia digunakan sebagai penyejuk dalam reaktor nuklear. Ketiga-tiga jenis neutrino boleh memusnahkan deuterium untuk membentuk proton dan neutron, dan neutron kemudiannya dikira. Pengesan mencatatkan kira-kira tiga kali ganda bilangan zarah berbanding Davis - tepat bilangan yang diramalkan oleh model terbaik Matahari. Ini mencadangkan bahawa elektron-neutrino boleh berayun ke dalam jenisnya yang lain.
Percubaan Jepun
Pada masa yang sama, Takaaki Kajita dari Universiti Tokyo sedang melakukan satu lagi eksperimen yang luar biasa. Pengesan yang dipasang di lombong di Jepun mencatatkan neutrino bukan dari perut Matahari, tetapi dari atmosfera atas. Apabila proton sinar kosmik berlanggar dengan atmosfera, hujan zarah lain terbentuk, termasuk neutrino muon. Di lombong, mereka menukar nukleus hidrogen menjadi muon. Pengesan Kajita dapat melihat zarah datang dalam dua arah. Ada yang jatuh dari atas, datang dari atmosfera, manakala yang lain bergerak dari bawah. Bilangan zarah adalah berbeza, yang menunjukkan sifat berbeza - ia berada pada titik kitaran ayunan yang berbeza.
Revolusi dalam sains
Semuanya eksotik dan menakjubkan, tetapi mengapa ayunan dan jisim neutrino menarik perhatian ramai? Sebabnya mudah sahaja. Dalam model piawai fizik zarah yang dibangunkan selama lima puluh tahun terakhir abad kedua puluh,yang menerangkan dengan betul semua pemerhatian lain dalam pemecut dan eksperimen lain, neutrino sepatutnya tidak berjisim. Penemuan jisim neutrino menunjukkan bahawa ada sesuatu yang hilang. Model Standard tidak lengkap. Unsur yang hilang masih belum ditemui, sama ada melalui Large Hadron Collider atau mesin lain yang belum dicipta.
