Проблема сонячних нейтрино — значна різниця між потоком сонячних нейтрино, вирахуваним з Сонячної світності, та тим, що був виміряний безпосередньо. Вперше розбіжності були помічені в середині 1960-х років й остаточно усунуті приблизно в 2002 році, після експериментального підтвердження осциляцій нейтрино, зокрема їх резонансного підсилення в речовині Сонця.
Потік нейтрино на Землі становить кілька десятків мільярдів на квадратний сантиметр за секунду та йде переважно з ядра Сонця. Проте частинки важко виявити, оскільки вони дуже слабко взаємодіють із речовиною, проходячи всю Землю, як світло проходить через тонкий шар повітря. Із трьох типів (ароматів) нейтрино відомих у Стандартній моделі фізики частинок Сонце виробляє лише електронні нейтрино. Коли детектори нейтрино стали досить чутливими для вимірювання потоку електронних нейтрино від Сонця, кількість частинок виявилася набагато нижчою, ніж передбачалося. У різних експериментах дефіцит становив від половини до двох третин.
Фізики знали, що дефіцит електронних нейтрино може пояснити механізм осциляцій, запропонований ще 1968 року Бруно Понтекорво. Однак вони не поспішали прийняти його з різних причин, включаючи той факт, що він вимагав модифікації прийнятої Стандартної моделі елементарних частинок. Спочатку розглядалися модифікації сонячної моделі, які врешті-решт було виключено. Сьогодні визнано, що нейтрино, які виробляються на Сонці, не є безмасовими частинками як передбачає Стандартна модель, а скоріше є змішаними квантовими станами, що складаються з власних станів із визначеною масою в різних (комплексних) пропорціях. Це дозволяє нейтрино, народженому як електронне, змінюватися під час осциляції в суміш електронних, мюонних та тау-нейтрино, з меншою ймовірністю виявлення детекторами, чутливими лише до електронних нейтрино.
Кілька нейтринних детекторів, налаштовані на різні аромати, енергії та пройдену відстань, дали нам сучасні знання про нейтрино. У 2002 та 2015 рр. загалом четверо дослідників, що працювали з деякими з цих детекторів, були удостоєні Нобелівської премії з фізики.
Передумови
У Сонці відбувається ядерний синтез у вигляді протон-протонного ланцюжку, що перетворює чотири протони в альфа-частинки, нейтрино, позитрони та енергію. Ця енергія виділяється у вигляді електромагнітного випромінювання гамма-променів, а також у вигляді кінетичної енергії заряджених частинок і нейтрино. Нейтрино рухаються від ядра Сонця до Землі без помітного поглинання зовнішніми шарами Сонця.
Наприкінці 1960-х років Рей Дейвіс та Джон Бакалл в експерименті Homestake першими виміряли потік нейтрино від Сонця та виявили його дефіцит. В експерименті застосовували детектор на основі хлору. Багато подальших радіохімічних і водних черенковських детекторів підтвердили дефіцит, зокрема, обсерваторія Каміока та нейтринна обсерваторія в Садбері.
Очікувана кількість сонячних нейтрино була розрахована за допомогою стандартної сонячної моделі, яку Бакалл допоміг сформувати. Модель дає детальний опис внутрішніх процесів в Сонці.
Запропоновані пояснення
У перших спробах пояснити розбіжності припускали, що моделі Сонця були помилковими, тобто температура та тиск у внутрішній частині Сонця істотно відрізнялися від розрахованих. Наприклад, через те що нейтрино вимірюють величину поточного ядерного синтезу, припускалося навіть, що ядерні процеси в ядрі Сонця могли тимчасово зупинитися. Оскільки для надходження теплової енергії від ядра до поверхні Сонця потрібні тисячі років, це не може бути одразу зафіксовано.
Досягнення геліосейсмологічних спостережень дозволили зробити висновок про внутрішню температуру Сонця; ці результати узгоджуються з добре встановленою стандартною сонячною моделлю. Детальні спостереження за нейтринним спектром з більш досконалих нейтринних обсерваторій дали результати, які не могло пояснити ніяке коригування сонячної моделі: тоді як загальний менший потік нейтрино (який виявили результати експерименту Homestake) вимагав нижчої температури сонячного ядра, енергетичний спектр нейтрино вимагав вищої температури ядра. Так вийшло тому, що різні ядерні реакції, швидкості яких різняться залежно від температури, виробляють нейтрино з різною енергією. Будь-яка модифікація сонячної моделі погіршувала принаймні один аспект розбіжностей.
Вирішення
Проблема сонячного нейтрино була вирішена шляхом покращення знань про саме нейтрино. Відповідно до Стандартної моделі фізики частинок існує три різновиди нейтрино: електронні нейтрино, мюонні нейтрино і тау-нейтрино . Електронні нейтрино — це ті, що виробляються на Сонці, і детектуються в згаданих вище експериментах, зокрема в експерименті з хлор-детектором у шахті Homestake.
У 1970-х рр. поширеною була думка, що нейтрино безмасові, а їх аромати незмінні. Хоча у 1968 році Понтекорво передбачив, що коли нейтрино мають масу, то вони можуть переходити з одного аромату до іншого. Таким чином, «загублені» сонячні нейтрино можуть бути електронними нейтрино, які на шляху до Землі змінили аромат, і стали невидимими для детекторів у шахті Homestake та інших обсерваторіях нейтрино.
Спостереження наднової 1987A показали, що нейтрино може мати масу, через різницю в часі надходження нейтрино, виявлених Kamiokande й IMB. Однак, оскільки зафіксовано було дуже мало нейтринно, було важко зробити якісь висновки з певністю. Якби Каміоканде та IMB мали високоточні таймери для вимірювання часу пробігу нейтрино, що пройшли крізь Землю, можна було б точніше визначити, чи мають нейтрино масу чи ні: якщо нейтрино безмасові, вони б рухались зі швидкістю світла; якщо ж вони мають масу, то рухалися б із трохи меншою швидкістю. Оскільки детектори не призначалися для виявлення нейтрино від наднових, цього зробити не вдалося.
Вагомі докази осциляцій нейтрино було отримано в 1998 році завдяки співпраці Супер-Каміоканде в Японії. Японські спостереження показали, що мюонні нейтрино (які утворюються у верхніх шарах атмосфери космічними променями) змінюються на нейтрино-тау в межах Землі: у низьких шарах атмосфери було детектовано нейтрино, що пройшли крізь Землю, а не зверху. Ці спостереження стосувались лише мюонних нейтрино. У Супер-Каміоканде не спостерігалось нейтрино-тау. Однак, результат зробив більш правдоподібною гіпотезу, що дефіцит електронних нейтрино, який спостерігався в експерименті Homestake (порівняно низькоенергетичному), також пов'язаний із масою нейтрино.
Через рік розпочала збір даних нейтринна обсерваторія в Садбері (SNO). Цей експеримент був націлений на 8B сонячні нейтрино, які мають енергію приблизно 10 МеВ і на які мало впливають осциляції на шляху від Сонця до Землі. Тим не менше, очікувався великий дефіцит через ефект Міхеєва — Смирнова — Вольфенштейна, який підрахував Олексій Смирнов у 1985 році. Унікальний дизайн SNO, що використовував велику кількість важкої води як середовище виявлення, запропонував Herb Chen, також у 1985 р. SNO спостерігав електронні нейтрино зокрема, і всі аромати нейтрино разом. Після детального статистичного аналізу колаборація SNO встановила, що частка електронних нейтрино становить приблизно 34% і повністю узгоджується з прогнозом. Загальна кількість виявлених 8В нейтрино також узгоджувалася з грубими прогнозами сонячної моделі на той час.
Визнання
У 2002 році Рей Девіс і Масатоші Кошиба отримали частину Нобелівської премії з фізики за експериментальну роботу, яка виявила, що кількість сонячних нейтрино становить приблизно третину від кількості, передбаченої стандартною сонячною моделлю.
Підтвердивши докази надані в експериментах 1998 р. щодо осциляції нейтрино, Такаакі Кайіта з обсерваторії Супер-Каміоканде та Артур Макдональд з нейтринної обсерваторії Садбері (SNO) були нагороджені Нобелівською премією з фізики 2015 року. В експерименті SNO спостерігались не просто осциляції нейтрино, а їх резонансне підсилення — ефект Міхеєва — Смирнова — Вольфенштейна. Бруно Понтекорво не отримав Нобелівські премії, оскільки помер у 1993 році.
Джерела
- Haxton, W.C. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, vol 33, pp. 459–504, 1995.
- Gribov, V. (1969). Neutrino astronomy and lepton charge. Bibcode:1969PhLB...28..493G. doi:10.1016/0370-2693(69)90525-5. . 28 (7): 493—496.
- W. David Arnett; Jonathan L. Rosner (1987). Neutrino mass limits from SN1987A. Physical Review Letters. 58 (18): 1906—1909. Bibcode:1987PhRvL..58.1906A. doi:10.1103/PhysRevLett.58.1906. PMID 10034569.
- Edward Kearns, Takaaki Kajita, and Yoji Totsuka: "Detecting Massive Neutrinos". Scientific American, August 1999.
- H.H. Chen, "Direct Approach to Resolve the Solar Neutrino Problem," Physical Review Letters 55, 1985, doi:10.1103/PhysRevLett.55.1534.
- Q.R. Ahmad, et al., "Measurement of the Rate of Interactions νe + d → p + p + e− Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory," Physical Review Letters 87, 2001, doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301.
- A. Bellerive et al. (SNO Collaboration): “The Sudbury Neutrino Observatory.” Nucl. Phys. B 908, 2016, arXiv:1602.02469.
- Suzuki, Yoichiro (2000), Solar Neutrinos (PDF), International Journal of Modern Physics A, 15: 201—228, Bibcode:2000IJMPA..15S.201S, doi:10.1142/S0217751X00005164
- The Nobel Prize in Physics 2002. Процитовано 16 лютого 2020.
- The Nobel Prize in Physics 2015. Процитовано 16 лютого 2020.
- Webb, Jonathan (6 жовтня 2015). Neutrino 'flip' wins physics Nobel Prize. BBC News. Процитовано 6 жовтня 2015.
- Adrian Cho: "Did the Nobel committee get the physics wrong?" Science, December 14, 2016, doi:10.1126/science.aal0508.
Література
- Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. — 2-е изд. испр. и дополн. — Фрязино : Век 2, 2011. — 576 с. — .
- LeBlanc F. An Introduction to Stellar Astrophysics. — Hoboken, NJ : , 2011. — 352 p. — .
Посилання
- Дані про сонячне нейтрино
- Розгадка таємниці зниклих нейтрино
- Журнал Реймонда Девіса-молодшого
- Нова - Частинка-привид
- Проблема сонячного нейтрино, Джон Н. Бакол
- Підбірка фотографій різних детекторів нейтрино
- Вебсайт Джона Баколла
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Syudi perenapravlyayetsya zapit Sonyachni nejtrino Na cyu temu potribna okrema stattya Problema sonyachnih nejtrino znachna riznicya mizh potokom sonyachnih nejtrino virahuvanim z Sonyachnoyi svitnosti ta tim sho buv vimiryanij bezposeredno Vpershe rozbizhnosti buli pomicheni v seredini 1960 h rokiv j ostatochno usunuti priblizno v 2002 roci pislya eksperimentalnogo pidtverdzhennya oscilyacij nejtrino zokrema yih rezonansnogo pidsilennya v rechovini Soncya Potik nejtrino na Zemli stanovit kilka desyatkiv milyardiv na kvadratnij santimetr za sekundu ta jde perevazhno z yadra Soncya Prote chastinki vazhko viyaviti oskilki voni duzhe slabko vzayemodiyut iz rechovinoyu prohodyachi vsyu Zemlyu yak svitlo prohodit cherez tonkij shar povitrya Iz troh tipiv aromativ nejtrino vidomih u Standartnij modeli fiziki chastinok Sonce viroblyaye lishe elektronni nejtrino Koli detektori nejtrino stali dosit chutlivimi dlya vimiryuvannya potoku elektronnih nejtrino vid Soncya kilkist chastinok viyavilasya nabagato nizhchoyu nizh peredbachalosya U riznih eksperimentah deficit stanoviv vid polovini do dvoh tretin Fiziki znali sho deficit elektronnih nejtrino mozhe poyasniti mehanizm oscilyacij zaproponovanij she 1968 roku Bruno Pontekorvo Odnak voni ne pospishali prijnyati jogo z riznih prichin vklyuchayuchi toj fakt sho vin vimagav modifikaciyi prijnyatoyi Standartnoyi modeli elementarnih chastinok Spochatku rozglyadalisya modifikaciyi sonyachnoyi modeli yaki vreshti resht bulo viklyucheno Sogodni viznano sho nejtrino yaki viroblyayutsya na Sonci ne ye bezmasovimi chastinkami yak peredbachaye Standartna model a skorishe ye zmishanimi kvantovimi stanami sho skladayutsya z vlasnih staniv iz viznachenoyu masoyu v riznih kompleksnih proporciyah Ce dozvolyaye nejtrino narodzhenomu yak elektronne zminyuvatisya pid chas oscilyaciyi v sumish elektronnih myuonnih ta tau nejtrino z menshoyu jmovirnistyu viyavlennya detektorami chutlivimi lishe do elektronnih nejtrino Kilka nejtrinnih detektoriv nalashtovani na rizni aromati energiyi ta projdenu vidstan dali nam suchasni znannya pro nejtrino U 2002 ta 2015 rr zagalom chetvero doslidnikiv sho pracyuvali z deyakimi z cih detektoriv buli udostoyeni Nobelivskoyi premiyi z fiziki PeredumoviU Sonci vidbuvayetsya yadernij sintez u viglyadi proton protonnogo lancyuzhku sho peretvoryuye chotiri protoni v alfa chastinki nejtrino pozitroni ta energiyu Cya energiya vidilyayetsya u viglyadi elektromagnitnogo viprominyuvannya gamma promeniv a takozh u viglyadi kinetichnoyi energiyi zaryadzhenih chastinok i nejtrino Nejtrino ruhayutsya vid yadra Soncya do Zemli bez pomitnogo poglinannya zovnishnimi sharami Soncya Naprikinci 1960 h rokiv Rej Dejvis ta Dzhon Bakall v eksperimenti Homestake pershimi vimiryali potik nejtrino vid Soncya ta viyavili jogo deficit V eksperimenti zastosovuvali detektor na osnovi hloru Bagato podalshih radiohimichnih i vodnih cherenkovskih detektoriv pidtverdili deficit zokrema observatoriya Kamioka ta nejtrinna observatoriya v Sadberi Ochikuvana kilkist sonyachnih nejtrino bula rozrahovana za dopomogoyu standartnoyi sonyachnoyi modeli yaku Bakall dopomig sformuvati Model daye detalnij opis vnutrishnih procesiv v Sonci Zaproponovani poyasnennyaU pershih sprobah poyasniti rozbizhnosti pripuskali sho modeli Soncya buli pomilkovimi tobto temperatura ta tisk u vnutrishnij chastini Soncya istotno vidriznyalisya vid rozrahovanih Napriklad cherez te sho nejtrino vimiryuyut velichinu potochnogo yadernogo sintezu pripuskalosya navit sho yaderni procesi v yadri Soncya mogli timchasovo zupinitisya Oskilki dlya nadhodzhennya teplovoyi energiyi vid yadra do poverhni Soncya potribni tisyachi rokiv ce ne mozhe buti odrazu zafiksovano Dosyagnennya geliosejsmologichnih sposterezhen dozvolili zrobiti visnovok pro vnutrishnyu temperaturu Soncya ci rezultati uzgodzhuyutsya z dobre vstanovlenoyu standartnoyu sonyachnoyu modellyu Detalni sposterezhennya za nejtrinnim spektrom z bilsh doskonalih nejtrinnih observatorij dali rezultati yaki ne moglo poyasniti niyake koriguvannya sonyachnoyi modeli todi yak zagalnij menshij potik nejtrino yakij viyavili rezultati eksperimentu Homestake vimagav nizhchoyi temperaturi sonyachnogo yadra energetichnij spektr nejtrino vimagav vishoyi temperaturi yadra Tak vijshlo tomu sho rizni yaderni reakciyi shvidkosti yakih riznyatsya zalezhno vid temperaturi viroblyayut nejtrino z riznoyu energiyeyu Bud yaka modifikaciya sonyachnoyi modeli pogirshuvala prinajmni odin aspekt rozbizhnostej VirishennyaProblema sonyachnogo nejtrino bula virishena shlyahom pokrashennya znan pro same nejtrino Vidpovidno do Standartnoyi modeli fiziki chastinok isnuye tri riznovidi nejtrino elektronni nejtrino myuonni nejtrino i tau nejtrino Elektronni nejtrino ce ti sho viroblyayutsya na Sonci i detektuyutsya v zgadanih vishe eksperimentah zokrema v eksperimenti z hlor detektorom u shahti Homestake U 1970 h rr poshirenoyu bula dumka sho nejtrino bezmasovi a yih aromati nezminni Hocha u 1968 roci Pontekorvo peredbachiv sho koli nejtrino mayut masu to voni mozhut perehoditi z odnogo aromatu do inshogo Takim chinom zagubleni sonyachni nejtrino mozhut buti elektronnimi nejtrino yaki na shlyahu do Zemli zminili aromat i stali nevidimimi dlya detektoriv u shahti Homestake ta inshih observatoriyah nejtrino Sposterezhennya nadnovoyi 1987A pokazali sho nejtrino mozhe mati masu cherez riznicyu v chasi nadhodzhennya nejtrino viyavlenih Kamiokande j IMB Odnak oskilki zafiksovano bulo duzhe malo nejtrinno bulo vazhko zrobiti yakis visnovki z pevnistyu Yakbi Kamiokande ta IMB mali visokotochni tajmeri dlya vimiryuvannya chasu probigu nejtrino sho projshli kriz Zemlyu mozhna bulo b tochnishe viznachiti chi mayut nejtrino masu chi ni yaksho nejtrino bezmasovi voni b ruhalis zi shvidkistyu svitla yaksho zh voni mayut masu to ruhalisya b iz trohi menshoyu shvidkistyu Oskilki detektori ne priznachalisya dlya viyavlennya nejtrino vid nadnovih cogo zrobiti ne vdalosya Vagomi dokazi oscilyacij nejtrino bulo otrimano v 1998 roci zavdyaki spivpraci Super Kamiokande v Yaponiyi Yaponski sposterezhennya pokazali sho myuonni nejtrino yaki utvoryuyutsya u verhnih sharah atmosferi kosmichnimi promenyami zminyuyutsya na nejtrino tau v mezhah Zemli u nizkih sharah atmosferi bulo detektovano nejtrino sho projshli kriz Zemlyu a ne zverhu Ci sposterezhennya stosuvalis lishe myuonnih nejtrino U Super Kamiokande ne sposterigalos nejtrino tau Odnak rezultat zrobiv bilsh pravdopodibnoyu gipotezu sho deficit elektronnih nejtrino yakij sposterigavsya v eksperimenti Homestake porivnyano nizkoenergetichnomu takozh pov yazanij iz masoyu nejtrino Cherez rik rozpochala zbir danih nejtrinna observatoriya v Sadberi SNO Cej eksperiment buv nacilenij na 8B sonyachni nejtrino yaki mayut energiyu priblizno 10 MeV i na yaki malo vplivayut oscilyaciyi na shlyahu vid Soncya do Zemli Tim ne menshe ochikuvavsya velikij deficit cherez efekt Miheyeva Smirnova Volfenshtejna yakij pidrahuvav Oleksij Smirnov u 1985 roci Unikalnij dizajn SNO sho vikoristovuvav veliku kilkist vazhkoyi vodi yak seredovishe viyavlennya zaproponuvav Herb Chen takozh u 1985 r SNO sposterigav elektronni nejtrino zokrema i vsi aromati nejtrino razom Pislya detalnogo statistichnogo analizu kolaboraciya SNO vstanovila sho chastka elektronnih nejtrino stanovit priblizno 34 i povnistyu uzgodzhuyetsya z prognozom Zagalna kilkist viyavlenih 8V nejtrino takozh uzgodzhuvalasya z grubimi prognozami sonyachnoyi modeli na toj chas ViznannyaU 2002 roci Rej Devis i Masatoshi Koshiba otrimali chastinu Nobelivskoyi premiyi z fiziki za eksperimentalnu robotu yaka viyavila sho kilkist sonyachnih nejtrino stanovit priblizno tretinu vid kilkosti peredbachenoyi standartnoyu sonyachnoyu modellyu Pidtverdivshi dokazi nadani v eksperimentah 1998 r shodo oscilyaciyi nejtrino Takaaki Kajita z observatoriyi Super Kamiokande ta Artur Makdonald z nejtrinnoyi observatoriyi Sadberi SNO buli nagorodzheni Nobelivskoyu premiyeyu z fiziki 2015 roku V eksperimenti SNO sposterigalis ne prosto oscilyaciyi nejtrino a yih rezonansne pidsilennya efekt Miheyeva Smirnova Volfenshtejna Bruno Pontekorvo ne otrimav Nobelivski premiyi oskilki pomer u 1993 roci DzherelaHaxton W C Annual Review of Astronomy and Astrophysics vol 33 pp 459 504 1995 Gribov V 1969 Neutrino astronomy and lepton charge inshi movi 28 7 493 496 Bibcode 1969PhLB 28 493G doi 10 1016 0370 2693 69 90525 5 W David Arnett Jonathan L Rosner 1987 Neutrino mass limits from SN1987A Physical Review Letters 58 18 1906 1909 Bibcode 1987PhRvL 58 1906A doi 10 1103 PhysRevLett 58 1906 PMID 10034569 Edward Kearns Takaaki Kajita and Yoji Totsuka Detecting Massive Neutrinos Scientific American August 1999 H H Chen Direct Approach to Resolve the Solar Neutrino Problem Physical Review Letters 55 1985 doi 10 1103 PhysRevLett 55 1534 Q R Ahmad et al Measurement of the Rate of Interactions ne d p p e Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory Physical Review Letters 87 2001 doi 10 1103 PhysRevLett 87 071301 A Bellerive et al SNO Collaboration The Sudbury Neutrino Observatory Nucl Phys B 908 2016 arXiv 1602 02469 Suzuki Yoichiro 2000 Solar Neutrinos PDF International Journal of Modern Physics A 15 201 228 Bibcode 2000IJMPA 15S 201S doi 10 1142 S0217751X00005164 The Nobel Prize in Physics 2002 Procitovano 16 lyutogo 2020 The Nobel Prize in Physics 2015 Procitovano 16 lyutogo 2020 Webb Jonathan 6 zhovtnya 2015 Neutrino flip wins physics Nobel Prize BBC News Procitovano 6 zhovtnya 2015 Adrian Cho Did the Nobel committee get the physics wrong Science December 14 2016 doi 10 1126 science aal0508 LiteraturaZasov A V Postnov K A Obshaya astrofizika 2 e izd ispr i dopoln Fryazino Vek 2 2011 576 s ISBN 978 5 85099 188 3 LeBlanc F An Introduction to Stellar Astrophysics Hoboken NJ John Wiley amp Sons 2011 352 p ISBN 978 0 470 69957 7 PosilannyaDani pro sonyachne nejtrino Rozgadka tayemnici zniklih nejtrino Zhurnal Rejmonda Devisa molodshogo Nova Chastinka privid Problema sonyachnogo nejtrino Dzhon N Bakol Pidbirka fotografij riznih detektoriv nejtrino Vebsajt Dzhona Bakolla