Oscylacje neutrin - Polski Serwis Naukowy

Oscylacje neutrin – zjawisko zaproponowane, aby wyjaśnić zbyt małą liczbę neutrin pochodzących ze Słońca obserwowanych na Ziemi (tzw. problem neutrin słonecznych).

Zjawisko oscylacji cząstek jest typowe dla mechaniki kwantowej. Podobnemu procesowi podlega np. mezon K.

Zjawisko oscylacji neutrin po raz pierwszy zaproponował Bruno Pontecorvo. Fakt zaobserwowania oscylacji neutrin był ostatecznym dowodem na to, że neutrina mają masę.

MINOS – (ang. Main Injector Neutrino Oscillation Search) – eksperyment naukowy z dziedziny fizyki cząstek elementarnych prowadzony w USA jednocześnie w Fermilabie i w kopalni w Minnesocie.

Neutrina słoneczne (ang. Solar Neutrinos) – neutrina produkowane i emitowane przez Słońce. Powstają one w procesach termojądrowej syntezy jąder lekkich pierwiastków oraz w rozpadach β+, zachodzących w centrum Słońca.

Wyjaśnienie teoretyczne

Liczba neutrin słonecznych obserwowanych w detektorach neutrin, takich jak Super-Kamiokande, jest trzy razy mniejsza od oczekiwanej wartości wyliczonej teoretycznie.

Aby to wyjaśnić, zaproponowano teorię, zgodnie z którą każdy stan zapachowy neutrina może przejść w inny stan na skutek propagacji. W ziemskich detektorach rejestrowane są tylko neutrina elektronowe, zatem ich liczba obserwowana na Ziemi będzie rzeczywiście trzy razy mniejsza, gdyż istnieją trzy rodzaje neutrin i statystycznie tylko jedna trzecia z nich będzie neutrinami elektronowymi.

Problem neutrin słonecznych (ang. Solar Neutrino Problem) – rozbieżność pomiędzy zmierzoną liczbą neutrin słonecznych docierających do Ziemi ze Słońca, a teoretycznym modelem wnętrza Słońca. Problem pojawił się w połowie lat 60. XX wieku, a udało się go rozwiązać dopiero w roku 2002 dzięki lepszemu zrozumieniu fizyki neutrin. Wymagało to modyfikacji fizyki cząstek elementarnych.

Super-Kamiokande albo Super-K - znajdujący się w japońskim mieście Hida wodny detektor promieniowania Czerenkowa o masie 50000 ton, kontynuacja prowadzonego w latach 1983-1995 eksperymentu Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment) z mniejszym 3000 tonowym detektorem. Początkowo służył on do poszukiwań rozpadu protonu, a od 1986 roku do rejestracji neutrin słonecznych. Neutrina wykrywa się poprzez promieniowania Czerenkowa emitowane przez cząstki wybite (lub powstałe) w oddziaływaniu z neutrinem.

Aby takie zjawisko mogło zachodzić, neutrina muszą mieć masę różną od zera. Ponieważ istnieją trzy stany zapachowe neutrin, należy przyjąć, że istnieją także trzy stany masowe, odpowiadające masom neutrin, jednak dopuszcza się czasami istnienie tak zwanych neutrin sterylnych. Kwantowa teoria pola dopuszcza, żeby stany zapachowe nie pokrywały się dokładnie ze stanami masowymi. Oznaczmy przez $| \nu_\alpha \rangle$ stany zapachowe a przez $|\nu_i \rangle$ stany masowe. Zachodzi wówczas:

Ziemia (łac. Terra) − trzecia licząc od Słońca, a piąta co do wielkości planeta Układu Słonecznego. Pod względem średnicy, masy i gęstości jest to największa planeta skalista Układu.

Słońce (łac. Sol) – gwiazda centralna Układu Słonecznego, wokół której krąży Ziemia, inne planety oraz mniejsze ciała niebieskie. Słońce to najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi.

$| \nu_\alpha \rangle=U_{\alpha i}|\nu_i \rangle$

Macierz $U$ jest nazywana macierzą mieszania, gdyż określa ona, jak mocno "zmieszane" są stany neutrin (gdyby była macierzą jednostkową, stany nie byłyby zmieszane i nie byłoby oscylacji). Biorąc pewien stan zapachowy, np. neutrina elektronowego i dokonując translacji w czasie i przestrzeni otrzymamy nowy stan, który będzie liniową kombinacją stanów zapachowych. Kwadraty modułów współczynników przy określonym stanie będą prawdopodobieństwem detekcji neutrina o danym zapachu. Należy podkreślić fakt, że stany zapachowe nie są poprawnie określonymi stanami a jedynie ułatwiają rachunki.

Zjawisko, fenomen (gr. phainomenon obserwowany) – pojęcie filozoficzne oznaczające to, co dane jest w poznaniu zmysłowym, a więc obrazy, dźwięki, zapachy, smaki itd.

Macierz – w matematyce układ liczb, symboli lub wyrażeń zapisanych w postaci prostokątnej tablicy. Choć słowo „macierz” oznacza najczęściej macierz dwuwskaźnikową, to możliwe jest rozpatrywanie macierzy wielowskaźnikowych (zob. notacja wielowskaźnikowa). Macierze jednowskaźnikowe nazywa się często wektorami wierszowymi lub kolumnowymi, co wynika z zastosowań macierzy w algebrze liniowej. W informatyce macierze modeluje się zwykle za pomocą (najczęściej dwuwymiarowych) tablic.

Macierz $U$ nazywa się nieformalnie macierzą MNS (Makiego–Nakagawy–Sakaty). Jest ona analogiczna do macierzy CKM występującej w sektorze kwarkowym Modelu standardowego.

Zobacz też

Model Standardowy

Podwójny bezneutrinowy rozpad beta

Super-Kamiokande

Sudbury Neutrino Observatory

Eksperyment MINOS