Още по въпроса за слънчевото неутрино
Последно: 2 юни 2015 г. в 14:01
В предишната статия „Неразбории около слънчевото неутрино“ разгледахме модела на неутринните осцилации.
Този модел е достатъчно сложен от теоретична гледна точка. Поради тази причина, за да бъде възприет, той се нуждае от солидна експериментална подкрепа.
В тази статия ще разгледаме въпроса за неутринните осцилации именно от гледна точка на експерименталните факти.
И така, какво ни дава основание да смятаме, че осцилационният модел е правилен? Краткият отговор е, че просто днешните неутринни детектори са по-добри от някогашните. Струва си обаче да разкажем за тях по-подробно.
Първата пряка регистрация на неутриното през 50-те години използва ядрен реактор като източник на неутрино. Неутринният поток в този случай е резултат от реакциите на разпад, протичащи в реактора.
Детекторът се състои от резервоари с вода. Някои от високоенергийните неутрино, преминаващи през водата, се сблъскват с протоните в нея. При тези сблъсъци се раждат позитрони и неутрони. След това позитроните анихилират с електроните от средата и като резултат се получават гама-лъчи.
Точно тези гама-лъчи се регистрират. Този експеримент доказва, че неутриното наистина съществува. Чувствителността на детектора обаче не е достатъчна, за да се съберат повече подробности за свойствата на неутриното.
Следващият етап е регистрацията на слънчевите неутрино. Това е направено за първи път с експеримента Хоумстейк в началото на 60-те години. Експериментът е проведен в една златна мина в Южна Дакота. В този случай отново има резервоар, но този път работната среда не е вода, а перхлоретилен (вещество, често използвано в химическото чистене).
Експериментът се провежда дълбоко под земята, с цел да бъде защитен от влиянието на космическите лъчи. Когато слънчевите неутрино удрят ядрата на хлора в перхлоретилена, те предизвикват ядрена реакция. В резултат на тази реакция се получава един радиоактивен изотоп на аргона.
След анализ на количеството на аргона се определя нивото на слънчевия неутринен фон. В този експеримент за първи път е установено, че нивото на този фон е само една трета от очакваното.
Експериментът Хоумстейк (и другите подобни експерименти, направени по-късно) могат да регистрират само електронни неутрино. През 90-те години заработва Неутринната обсерватория Съдбъри (SNO), създадена, за да регистрира неутрино от всички аромати.
Детекторът SNO също е заровен в мина, този път в Съдбъри, Канада. Този експеримент използва голям резервоар, пълен с тежка вода. Тежката вода съдържа деутерий вместо обикновен водород (протий). Деутерият има в ядрото си един протон и един неутрон за разлика от протия, чието ядро се състои само от един протон.
При сблъсък на неутрино от някой аромат с деутериевото ядро са възможни два резултата. Ако неутриното е електронно, то може да предизвика превръщането на неутрона в протон и електрон. Отделно всеки от ароматите може да предизвика разделянето на протона и неутрона в деутерия, тоест получава се обикновен водород и свободен неутрон.
По този начин SNO експериментът потвърждава както общото количество на слънчевите неутрино, така и относителния дял на електронния аромат. SNO доказва, че общият неутринен поток от Слънцето е точно такъв, какъвто се очаква да бъде.
И така, може да се каже, че предсказаното ниво на потока е правилно и че само една трета се пада на електронния аромат. Но кое ни дава основание да сме сигурни, че неутриното наистина осцилира между различните аромати.
Фактически, ако Слънцето произвежда равни количества от трите аромата, то това би съвпаднало с експерименталните резултати от SNO. (Бел. прев. – в предишната статия беше казано, че Слънцето не може да произвежда други аромати освен електронния. Но това е така според нашето стандартно разбиране за ядрените реакции, протичащи в недрата на звездите. Обаче все пак е възможно това разбиране да е непълно или погрешно и да има някакъв неизвестен за нас процес, който да води до производството и на другите два аромата. Този процес може да бъде и напълно различен от MSW ефекта. Точно затова ни е необходимо допълнително доказателство за съществуването на MSW ефекта.)
Отговорът е даден от друг експеримент. Това става с детектора Супер-Камиоканде в Япония. Този детектор, както и предишните, е заровен в мина, с цел да бъде защитен от космическите лъчи. Резервоарът, пълен с чиста вода, е заобиколен от множество фотоумножители.
Методът на детекция е подобен на този от експеримента Хоумстейк, но тук чувствителността е значително по-голяма. Супер-К е толкова чувствителен, че може да прави разлика между електронните и мюонните неутрино. И освен това може да определя посоката на източника на тези неутрино.
Всъщност, освен слънчевите неутрино, на Земята попадат и други неутрино, които са резултат от сблъсъците на космическите лъчи със земната атмосфера. При тези сблъсъци се получават каскади от високоенергийни частици, включващи електрони, мюони и съответстващите им неутрино.
Според стандартния модел броят на мюонните неутрино, получени по този начин, трябва да е два пъти по-голям от броя на електронните неутрино. Супер-К показва, че мюонните неутрино са средно с около 28% повече от електронните такива.
Но тъй като Супер-К може да определя посоката на източника, той може да разграничава неутриното произведени директно над мината от тези, произведени над обратната страна на Земята.
Разглеждането на най-високоенергийните неутрино, идващи от двете посоки, показва следното: при тези, които идват директно над мината, мюонният аромат е два пъти повече от електронния; при тези, идващи от обратната посока има равно количество от двата аромата.
Това е точно резултатът, предсказван от неутринната осцилация. Неутриното, идващо директно над мината, изминава само няколко километра и няма време да осцилира. Неутриното, идващо от другата страна, изминава повече от 12 000 километра през земната твърд.
Поради неутринната осцилация (в нейния MSW вариант) се получават равни количества от мюонния и електронния аромат. (Бел. прев. – читателят, ако желае, може сам да се опита да направи нужните сметки и ще се увери, че наистина се получава точно този резултат.)
Всичко, казано дотук, ни позволява да заключим, че колкото и странен да е предложеният от теоретиците неутринен модел, той наистина работи. Ние можем да го докажем. Всъщност има още много неща относно неутриното, които ние не знаем.
Например, ние знаем, че има три вида неутринни маси, но не знаем техните стойности. Имаме представа за тяхната горна граница, но не и за долната такава. А ние наистина бихме искали да знаем тези стойности, защото това има космологични последствия.
В заключение може да се каже, че ние сме изминали един дълъг път в неутринната физика. От първата детекция на тези загадъчни частици до потвърждаването на тяхното сложно поведение. И това е наистина удивително, като се замисли човек.
