Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 1
.pdf
Физика нейтрино отличается от исследований на коллайдерах не только предметом
исследований, но и ожидаемыми результатами.
Для чего построили БАК и что получилось.
1. Происхождение массы элементарных частиц в рамках хиггсовского механизма.
Когда в 60-70 годы создавалась СМ, предположили, что в первоначальной форме все частицы
безмассовы, что конечно неверно. Масса частицы возникает в результате ее взаимодействия с
Хиггсовым полем. Этот процесс, назван Хиггсовым механизмом. m
f v/√2, v =
f =
5,0
ГэВG 2462
Энглер и Браут придумали такое скалярное поле, но было непонятно, как это поле наблюдать в
эксперименте. Шотландский ученый Хиггс сообразил, что флуктуация поля и есть частица, которую
можно наблюдать в эксперименте.
Хотя Хиггсов механизм позволил ввести массу в теорию, он не может предсказать величину массы
кварка, лептона или даже самого Хиггса. Скалярный бозон Хиггса наблюдали на БАК в 2012г
2. Проблема иерархии масс и механизм SUSY.
Если происхождение масс частиц, связано с Хиггсовым бозоном, то почему массы так малы (по
сравнению с массой Планка МП = 1.2х 10
19
ГэВ/c2)?
Стандартная модель стремится «улететь» на энергетический
масштаб, на 16 порядков превышающий масштаб электрослабых
явлений (246 ГэВ). Внутри Стандартной модели нет никакого
сдерживающего фактора, останавливающего рост массы
хиггсовского бозона за счет виртуальных частиц. Эта трудность
называется проблемой иерархии масс.
В рамках СМ диаграммы, дающие вклад в массу бозона
Хиггса, квадратично расходятся.
Расходимость
может быть устранена
только при импульсах
порядка массы Планка.
Это означало бы, что масса Хиггса, а, следовательно, и масса W
порядка массы Планка, или константа Ферми GF порядка константы
Ньютона. Но известно, что первая на 33 порядка больше второй, а масса W ~ 100 GeV.
Есть две варианта решения этой проблемы:
1. Хиггсовский бозон изначально имел ненормальные свойства, и лишь после того, как он приобрел
виртуальную шубу, все ненормальности точно скомпенсировались.
2. В природе есть какие-то другие частицы, влияющие на массу хиггсовского бозона. Во многих
моделях физики вне Стандартной модели (например, SUSY) эта компенсация сама по себе возникает.
Фермионная петля имеет отрицательный знак, а бозонная положительный, первая диаграмма могло бы
компенсировать вторую и третью. Для этого
необходима симметрия между фермионами и
бозонами. Иными словами, для каждой СМ
частицы должен существовать партнер со
спином, отличающегося на ½.
На БАК частицы SUSY пока не
обнаружены.
Особенности физики нейтрино
Почти вся физика нейтрино лежит вне СМ.
Стандартная модель требует, чтобы нейтрино были строго
безмассовые. Однако экспериментально доказано, что
нейтрино имеют массу.
Кроме того, нейтрино гораздо активнее смешиваются, чем
нижние кварки, постоянно перетекая из одного типа в
другой. Похоже на то, что массы и смешивание нейтрино
происходит не из-за хиггсовского механизма, а за счет
явления какой-то иной природы. В Стандартной модели
таких явлений нет.
Осцилляции возможны только если у
нейтрино есть масса.
1957г Б.М. Понтекорво -гипотеза о
существовании осцилляций.
1998г SK, SNO подтверждение
существования осцилляций.
2010г OPERA,Т2 К – прямое наблюдение
осцилляций. Осцилляции возможны только
если у нейтрино есть масса.
Измеренные параметры осцилляции:
2
∆m
∆m
=7х10-5эв2, θ12 ~33
12
2
=2,5 х10-3эв2, θ23 ~ 450 , θ
23
0
8,4
13 ~
На протяжении многих лет все экспериментальные данные более или менее укладывались
в схему с тремя активными нейтрино. Единственным исключением был эксперимент LSND, который
наблюдал осцилляции между мюонными и электронными антинейтрино с разностью разности
квадратов масс около 1 эВ2. Все эксперименты с обычными нейтрино дают величину ∆m
2
на три
-пять порядков меньше. Этот результат не вписывался в стандартную схему трех нейтрино.
Для доминирования материи во Вселенной, необходимо нарушения комбинированной четности.
Нарушение CP-симметрии было экспериментально обнаружено только в кварковом секторе. Однако и
малость масс кварков по сравнению с масштабом шкалы электрослабого взаимодействия (~100 ГэВ) не
позволяет объяснить наблюдаемый дисбаланс между веществом и антивеществом во Вселенной.
Новая физика вне СМ - физика частиц с тяжелыми массами.
Кроме трех известных сортов нейтрино существуют более тяжелые майорановские нейтрино.
2
D
LR
, M ~ mR >> mD > mL, mL = 5x10-2ev, m
mmm
R
= 1015GeV, mD= (5x10
-11
x1015)
1/2
~2x102GeV
Механизм качелей на самом деле не объясняет, почему левосторонние нейтрино намного
легче заряженных лептонов; он объясняет, почему правосторонние нейтрино настолько тяжелые, что
их никто не наблюдал.
Механизм качелей использует три массовых
масштаба: mL ≪mD ≪M. Массовый
масштаб mL является масштабом массы
левосторонних нейтрино; масштаб
массы mD определяет смешение левых и правых
нейтрино; масштаб массы M это массовый масштаб
тяжелых правосторонних нейтрино.“Качающаяся”
природа этого механизма проистекает из того
факта, что вклад шкалы массы правой руки в
наблюдаемые массы нейтрино левой руки
составляет порядка (mD)2 /M.
Если M идет вверх, этот вклад идет вниз.
вниз. Если M является достаточно большим, это
объясняет, почему:
а) мы еще не наблюдали тяжелое нейтрино. LHCB B
-
→2µ- + X Не обнаружен!
б) почему их вклад в наблюдаемые массы левосторонних нейтрино незначителен.
Роль ускорителей в решении проблем физики нейтрино.
Наблюдение нейтральных токов в CERN (PS) с пузырьковой камерой Гаргамель, в 1973 г
Наблюдение мюонных нейтрино на протонном синхротроне AGS ( BNL), в 1961 году
Наблюдение тау-нейтрино на теватроне FNAL в 2000 г
Прямое наблюдение осцилляций нейтрино. Эксперименты Т2К (2017г.),ОPERA (2018г.)
Измерение числа ароматов нейтрино. LEP. FNAL ( LSND 1997 г). через десять лет MiniBOONE.
Физика нейтрино отличается от исследований на коллайдерах не только предметом
исследований, но и ожиданиями ученых.
Если на коллайдерах эпоха гарантированных фундаментальных открытий заканчивается и
дальше мы исследуем микромир практически вслепую, то нейтринные исследования
дадут ответы на вопросы:
1. каковы массы нейтрино и их происхождение.
2. каковы параметры смешивания нейтрино,
3. есть ли в нейтринном секторе CP-нарушение и насколько оно сильно,
4. совпадают ли нейтрино со своими античастицами,
5. существуют ли дополнительные типы нейтрино.
История открытия нейтрино
Конец 19 века Беккерель обнаружил неизвестное излучение урана. Позже стало
ясно, что оно состоит из трех, не похожих друг на друга альфа-, бета- и гамма-излучений.
1914 Чедвик. Спектр электронов
В 1922 г. Л. Мейтнер предложила, что β-электроны растрачивают часть
своей энергии внутри атома, когда пролетают через его электронную оболочку.
Эксперимент опроверг этот вариант.
Гипотеза Бора заключалась в предположении, что закон сохранения
энергии нарушается в элементарных актах β-распада, но выполняется
статистически для достаточно большого числа таких актов.
1930 г Паули. При -распаде рождается какая-то частица с малой массой.
«Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно
невероятным, потому что, если бы нейтрино существовало, оно было бы давно
открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает.» Задача 9 (
10 см
Откуда появился электрон при радиоактивном распаде ядра?
Раньше считалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Задачи 1,2,3,4.
1. Если электроны входят в состав ядра, то магнитные моменты ядер должны в 2000 раз
больше ядерного.
2. Энергия электрона в ядре. 20 МэВ. Это выше кулоновского барьера для
электронов в самых тяжелых ядрах (Вк≈ 15МэВ), и энергии электронов β-распада.
После открытия нейтрона в 1932 г. была выдвинута гипотеза, что атомное ядро
состоит из нейтронов и протонов. Модель не давала ответ на вопрос: «Если в составе
243
)
атомного ядра нет электронов, то откуда берутся электроны при радиоактивном
n
p
e
n
p
e
eрn
распаде ядер?»
Ответ на этот вопрос был дан в 1934 г. Энрико Ферми в созданной им теории
-распада. Он предложил называть частицу Паули, "нейтрино", что буквально означает
"нейтрончик", по аналогии с нейтроном. Ферми предположил, что -распад аналогичен
испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме
нет до момента излучения.
Э. Ферми исходил из 4-фермионного
взаимодействия нуклонов и лептонов
по аналогии с электрон-нуклонным
взаимодействием в электродинамике.
В отличие от электромагнитного
взаимодействия, к-рое является
дальнодействующим взаимодействие
Ферми локальное. Изучение -распада показало, что испускание электронов вызвано новым
типом взаимодействия, которое было названо слабым.
Ферми представил процесс ядерного -распада как распад
одного из нейтронов ядра на три частицы – протон, электрон
и нейтрино.
Согласно теории бета – распада Ферми распад нейтрона происходит в
результате взаимодействия двух токов. Один ток (
протон – адронный. Другой ток, (
) - лептонный, рождает электрон и
), переводящий нейтрон в
антинейтрино. (Оператор не только уничтожает нейтрино, но и рождает
антинейтрино).
Эти же токи должно приводить к реакции превращения нейтрона в протон
e
Произведение сопряженных токов
neр
(он происходит в некоторых ядрах, в которых энергия связи
e
дает распад протона
)( pn )( e
pen
протона меньше энергии связи нейтрона).
Итак, есть положительный слабый ток
+
и отрицательный
.
( )( )
e e
np e pn e
Теория Ферми (1934г) объяснила основные черты β-распада, и её успех привёл физиков к
признанию нейтрино. Однако сомнения в существовании нейтрино ещё оставались.
Наблюдение нейтрино
Экспериментальное подтверждение существования нейтрино произошло лишь
спустя 22 года (в 1953 - 1956 г.г.), когда Райнесу и Коуэну удалось наблюдать результаты
взаимодействия антинейтрино
е
Почему так долго ждали?
Сечение реакции:
(
е
enр
)≈ 10
-43 E2,
Расстояние от Земли до Солнца примерно 150 млн. км. Нейтрино могут проникать через
плиту из свинца, толщина которой в 10
15
/ 108 = 107 раз превышает расстояние до Солнца!!
Длина пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде 1020 см или 50 световых лет.
Для регистрации нейтрино необходим очень интенсивный источник нейтрино.
Это может быть ядерный взрыв, ядерный реактор или ускорительная «фабрика нейтрино»
Первый реактор построен Э. Ферми в 1942 г. Долгое время регистрация нейтрино от
реактора считалась невозможной, так как фон от быстрых нейтронов на реакторе в 106 раз
больше, чем эффект от регистрации антинейтрино. (в зоне доступной для персонала).
Поэтому первоначальная Райнес и Коуэн планировали регистрировать взаимодействия
антинейтрино от взрыва атомной бомбы. Атомная бомба - сильно надкритичный реактор на
быстрых нейтронах. 20 Кт
25
105,1 N
от ядерного реактора.
enр
где Е – энергия над порогом реакции в МэВ.
Существует 2 типа атомных бомб: пушечные (Little Boy) и имплозионные (Fat man)
Имплозионная
схема, прототип
Толстяка). 5 кг
плутония. Вес
4,630 кг,
мощность 21 Кт.
Первая ступень - нейтронный инициатор представляет собой бериллиевую
сферическую оболочку, диаметром 2 см и толщиной 0.6 см. Внутри нее находится бериллиевый
вкладыш диаметром 0.8 см. На внутренней поверхности оболочки проделаны клиновидные
щели, глубиной 2 мм. Поверхность оболочки и внутренней сферы покрыта слоем золота. На
внутренней сфере и щелях в оболочке осаждено 50 кюри Ро
210
(11 мг). Плутониевый заряд(5кг)
окружен корпусом из природного урана массой 120кг. Этот корпус образует 7 см слой вокруг
плутония. Толщина урана обусловлена задачей сохранения нейтронов. При имплозионном
взрыве происходит сжатие сборки до 2.5 раз по сравнению с обычной плотностью.
Имплозионные «линзы». Классический футбольный мяч, состоит из 20 шестиугольников и 12
пятиугольников. В таком «мяче» из взрывчатки каждый из сегментов снабжен несколькими
электродетонаторами. Полная сборка имеет диаметр около полутора метров и массу 2,5 тонны.
Завершает конструкцию электрическая схема, подрывающая детонаторы в строго определенной
последовательности с точностью до микросекунды.
При детонации взрывчатка обжимает сборку. Плутоний при давлениях в зоне сжатия
порядка сотен тысяч атмосфер перейдет скачком из фазы плотность 15.9) в фазу (плотность
19.2). За 40 микросекунд сборка уран-плутоний превысит критическую массу в несколько раз.
Дойдя до инициатора, волна сжатия сомнет всю его конструкцию в монолит. При этом
золото-никелевая изоляция разрушится, полоний-210 (50 кюри 2х10
12
ɑ/сек) проникнет в
бериллий, что вызовет колоссальный поток нейтронов,
Реакция
2
4
4
9
6
,
nCHeBe
12
Q = 5,5 МэВ отличается
чрезвычайно большим выходом нейтронов, запускающих
цепную реакцию деления во всем объеме плутония.
Поток «быстрых» нейтронов, рожденный распадом плутония, вызовет взрыв
урана-238.
Схема опыта Райнеса и Коуэна
На 30 метровой вышке размещалась атомная бомба мощностью 20 килотонн. Ее взрыв
является источником огромного числа нейтрино. «Little Boy», сброшенный на Хиросиму,
имел мощность 13-18 Кт. Мощность бомбы сброшенной на Нагасаки 21 Кт. Чем ближе к
эпицентру взрыва, тем сильнее нейтринный поток, но и сильнее ударная волна.
Установку решили сбросить в
вакуумную шахту в момент
взрыва. Тогда ударная волна в
земле не повредит детектор, и он,
пролетев пару секунд в
свободном падении и
зарегистрировав за это время
несколько нейтринных событий,
мягко приземлится на резиновую
подкладку. Через несколько дней,
когда радиационная обстановка
на поверхности станет
безопасной, детектор
планировали откопать и узнать
наконец тайну существования
нейтрино.
Исследуя возможности понизить фон от нейтронов и гамма-квантов, было решено в
реакции обратного бета-распада регистрировать не только позитроны, но и нейтроны.
Таким образом, идентификация антинейтрино производилась с помощью
запаздывающих совпадений, что существенно уменьшает фон.
Многократное подавление фона сделало возможным использовать в качестве источника
не ядерную бомбу, а работающий ядерный реактор. Вдобавок такой способ позволяет
проводить экспозицию месяцы. Учитывая "призрачные" свойства нейтрино, эксперимент был
назван "Проект Полтергейст.
Сечение реакции:
(
е
enр
) ≈ 10
-43 E2,
где Е ≈ рс – энергия над порогом
реакции в МэВ.
Расстояние от Земли до Солнца примерно 150 млн. км. Нейтрино могут проникать сквозь
плиту из свинца, толщина которой в 10
15
/ 108 = 107 раз превышает расстояние до Солнца!!
Длина пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде 1020 см или 50 световых лет.
Таким образом, зарегистрировать одиночные нейтрино низкой энергии по их
взаимодействию невозможно!
Исследуя возможности понизить фон от нейтронов (основной фон), было решено
регистрировать не только позитроны, но и нейтроны. Для этого в мишень детектора (400
литров воды) добавлен кадмий. Образующиеся в реакции нейтроны замедлялись в мишени
до тепловых энергий и поглощались ядрами кадмия. Кадмий имеет большое сечение
реакции захвата тепловых нейтронов. Среднее время замедления нейтронов в
водородосодержащей среде ~10 мкс. В результате захвата нейтронов образовывались
изотопы кадмия в возбуждённом состоянии. Переход в основное состояние сопровождался
испусканием 3-5 гамма-квантов.
Таким образом, идентификация антинейтрино производилась с помощью запаздывающих
совпадений.
Многократное подавление фона сделало возможным использовать в качестве источника уже не
ядерную бомбу, а работающий реактор. Вдобавок такой способ позволяет проводить экспозицию
месяцы и годы. Учитывая "призрачные" свойства нейтрино, эксперимент был назван "Проект
Полтергейст".
На расстоянии 10 метров от реактора поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр
составлял примерно 1013 частиц в секунду.
Гамма-кванты регистрировались в жидком сцинтилляторе, помещенном в 3 емкости,
расположенные по обе стороны от протонных мишеней.
1. два жидких сцинтилляционных детектора (1400 л каждый) для регистрации
антинейтрино;
2. сцинтилляционный детектор (также
1400л) для регистрации фона космических
лучей, включенный в антисовпадения с
детектором 1;
3. две водяные мишени объемом 200 л
каждая,
4. две группы фотоумножителей,
включенные на совпадение;
5. третья группа фотоумножителей,
включенная на антисовпадения;
6. электронная аппаратура;
7. двулучевой осциллограф;
8. свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.
В серии экспериментов, длившихся в течение 100 дней на атомном реакторе в СаваннаРивер (США) зарегистрировано 567 событий, вызванных взаимодействием антинейтрино
с протоном, при этом фон составлял 209 событий. Регистрировали 1,7 события в час (40
событий в сутки). Предполагалось регистрировать 2000 событий, меры борьбы с фоном
так сильно понизили счет. Какой макс счет (без учета тел угла) можно ожидать?
Для сечения захвата антинейтрино протоном, получено значение:
, теоретическая оценка .
В 1956 г. Райнес и Коуэн телеграфируют Паули о своем открытии.
Получив телеграмму, Паули прервал заседание в ЦЕРНе для того, чтобы зачитать
собравшимся столь важную новость. А после, в честь этого открытия, Вольфганг с
друзьями распили ящик шампанского. Много лет спустя стал известен текст так никогда и
не отправленного ответа: Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет
ждать. Паули
За участие в этих исследованиях и последующие эксперименты Фредерик Райнес
был удостоен Нобелевской премии.
Семинар
ЗАДАЧА 1 Если электроны входят в состав ядра какой будет у ядра магнитный момент?
Если электроны входят в состав ядра, то магнитные моменты ядер должны быть близки атомному
магнетону Бора (
), величина ~ в 2000 раз больше ядерного.
me2
е
Задача 2. Энергия электрон в составе ядра? Если они там есть
-12
см, минимальная величина импульса электрона в
, что соответствует энергии электрона ≈ 20 МэВ. Это
сэВrhp /106,610/106,6/
ядре.
Энергия электрона в ядре. При, Δr = rя≤ 10
41216
выше кулоновского барьера для электронов в самых тяжелых ядрах (Вк≈ 15МэВ), и энергии
электронов β-распада.
ЗАДАЧА 3 Определить верхнюю границу спектра позитронов при бета распаде ядра
кремния 27
(масса атома 25137.961 МэВ A,Z) в алюминий 27 (25133.150 A, Z-1)
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)