Несвітовий осциляція: Частинки, що змінюють свою ідентичність у польоті

Три види, одна родина привидів

Нейтрино існують у трьох видах: електронні нейтрино, мюонні нейтрино та тау-нейтрино. Вид визначається операційно, тобто яким зарядженим лептоном супроводжує нейтрино в слабкоядерній взаємодії. Коли нейтрино утворюється в процесі, який також створює електрон, воно за визначенням є електронним нейтрино; якщо супутня частинка – мюон, то це мюонне нейтрино; якщо тау, то це тау-нейтрино. Це маркування не є постійною властивістю, вкладеною в частинку, а просто свідчить про те, як було утворено нейтрино або як воно було виявлено. Нейтрино майже не взаємодіють з чим-небудь, практично проходять крізь цілі планети непомітними, що й пояснює, чому їхній вид доводилося робити лише опосередковано, на основі супутніх заряджених лептонів, а не вимірювати безпосередньо, і чому десятиліттями проводилися терплячі експерименти, щоб помітити, що спочатку виміряний вид нейтрино не завжди відповідав виду, виміряному в кінці подорожі.

Стани смаку проти масових станів

Ось що робить осциляцію можливою: три стани смаку (електронний, мюонний та тау) не є тими ж самими, що три масові власники, традиційно позначені як нейтрино-1, нейтрино-2 і нейтрино-3, які насправді мають чітку, фіксовану масу та вільно поширюються в просторі як добре поводяться квантові хвилі. Замість цього кожен стан смаку є квантовою суперпозицією – конкретною сумішшю всіх трьох масових станів, і кожен масовий стан сприяє всім трьом смакам. Ця невідповідність описується змішувальною матрицею (PMNS-матриця, названа на честь Pontecorvo, Maki, Nakagawa та Sakata), яка містить кути змішування, що визначають, скільки кожного масового стану входить у кожен смак. Це схоже на те, як описувати музичний акорд як єдиний названий звук, хоча насправді він побудований з кількох окремих чистих тонів, які змішуються разом, де чисті тони є масовими власниками, а акорд, який ви чуєте в момент створення, є станом смаку.

Чому Суміш Змінюється Рухом Нейтрино

Нейтрино утворюється як певної властивості (смаку), тобто з певним поєднанням масових станів, але від цього моменту через простір проходять лише ці масові стани, кожен з яких поводиться як квантова хвиля з власною енергозалежною фазовою швидкістю. Оскільки масові стани мають дещо різні маси, їхні квантові фази накопичуються дещо різними темпами під час руху нейтрино, незважаючи на те, що вони спочатку були синхронізовані. Чим далі нейтрино віддаляється від місця свого народження, тим більше змінюється відносна фаза між масовими станами, і їх об'єднання вже не відновлює початковий склад смаку, а утворює еволюційний змішаний склад усіх трьох смаків. Вимірювання нейтрино в такому пізнішому моменті може дати інший смак, ніж той, з якого воно почало. Ймовірність цього зміни смаку періодична і, в спрощеному двосмаковому наближенні, відображається компактною формулою: P = sin²(2 * тета) * sin²(1,27 * дельта-m² / E), де тета – кут змішування між двома смаковими та масовими станами, дельта-m² – різниця між квадратами мас двох власних масових станів, виміряна в електронвольтах у квадраті, L – відстань, що пройдена в кілометрах, а E – енергія нейтрино в ГеВ. Ключовий момент, який прихований у цій формулі, полягає в тому, що якщо дельта-m² дорівнює нулю, то другий член з синусом у квадраті завжди буде рівним нулю, і ймовірність осциляцій зникне повністю, незалежно від того, наскільки далеко пролетіло нейтрино. Осциляції можливі лише тоді, коли дельта-m² не дорівнює нулю, а це можливо лише якщо два власних масових стани мають різні, ненульові маси.

Сонячна Нейтринна Проблема: Випадковий Підказка

Перший натяк на те, що щось не збігається з очікуваннями, прийшов від Сонця. З кінця 1960-х років експеримент «Homestake» під керівництвом Реймонда Девіса-молодшого, розташований глибоко під землею в штаті Юта, вимірював електронні нейтрино, що випромінювалися в результаті ядерного синтезу в ядрі Сонця. Кількість виявлених нейтрино була меншою, ніж очікувалося, – лише приблизно третина від передбачуваної кількості, відповідно до добре встановлених моделей сонячної фізики. Це невідповідність протягом десятиліть вважалася нагадуванням про проблему, відомою як «сонячна нейтринна проблема»: чи були неправильні сонячні моделі, чи несправний детектор, чи відбувалося щось із нейтрино під час їхнього восьмимінного шляху від Сонця до Землі? Вирішенням виявилася осциляція. Електронні нейтрино, створені в ядрі Сонця, частково перетворювалися на міуонні та тау-нейтрино по дорозі, що є іншими «смаками» нейтрино, які детектор на основі хлору, яким керував Девіс, не міг виявити. Таким чином, він недооцінював кількість нейтрино, які просто змінювали свою ідентичність, а не зникали.

Підтвердження, яке переписало Стандартну Модель: Нобелівська Нагорода

Підтвердження отримали з двох напрямків одночасно. Експеримент Super-Kamiokande в Японії, який вивчав мюонні нейтрино, що утворюються при зіткненнях космічних променів з атмосферою, виявив відсоток, залежний від смаку (flavor), дефіцит, який відповідав очікуваному шаблону від осциляцій в залежності від відстані, яку проходили нейтрино через Землю. Судновий Нейтринний Оглядник (Sudbury Neutrino Observatory) у Канаді завершив цей цикл, вимірявши не лише електронні нейтрино від Сонця, але й загальний потік усіх трьох смаків, і виявила, що він відповідає прогнозам сонярної моделі, доводячи, що зниклі електронні нейтрино не просто зникли, а перетворилися на інші смаки (oscillated). Ця робота принесла Такаакі Каджіті та Артура МакДональда Нобелівську премію з фізики 2015 року. Результат мав величезне значення, оскільки оригінальна Стандартна Модель частинок, сформульована у 1960-х і 1970-х роках, передбачала, що нейтрино абсолютно безмасові, а безмасова частинка не може осцилювати, оскільки формула осциляцій вище вимагає ненульового значення delta-m² (дельта м квадрат), що, в свою чергу, вимагає ненульової маси. Спостереження осциляцій стало прямим, однозначним доказом того, що нейтрино мають масу, факт, який Стандартна Модель не могла врахувати як було написано спочатку, і який фізикам довелося

прив'язати

до теорії вручну, залишаючи відкритими питання про те, як саме нейтрино отримують масу, що є активною областю досліджень сьогодні.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Neutrino Oscillation: Particles That Change Identity Mid-Flight і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.