- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Простое объяснение для непрофессионалов того, как сделать луч из нейтрино (детали зависят от конкретной экспериментальной лаборатории).
Сначала создайте луч из протонов – точно так же, как если бы вы нагружали Большой адронный коллайдер (это отдельная история, а пока примем, как данность, существование луча протонов).
Затем столкните протонный луч с мишенью – тонким листом материала. Протоны будут сталкиваться с ядрами атомов материала и разбивать их – не только разделяя на протоны и нейтроны, но и порождая множество других частиц, включая пионы (пример адронов) как с положительным, так и отрицательным электрическим зарядом. Все эти частицы будут вылетать с обратной части листа материала, в результате чего мы получим луч из протонов, нейтронов, пионов и некоторых других частиц.
Теперь совместите луч и магнит. Магнит искривит путь заряженных частиц. Направление искривления зависит от заряда частицы; степень искривления зависит от энергии частицы. Так что нейтроны пройдут прямо, отрицательно заряженные пионы пойдут в одну сторону, а протоны и положительно заряженные пионы пойдут в другую. Дайте большинству частиц уйти в стену; там, где вы оставите проход, частицы, проходящие сквозь него, будут обладать примерно равными энергиями и электрическими зарядами. Таким образом, разместив проход в нужном месте, вы можете получить луч, состоящий преимущественно из положительно заряженных пионов с одинаковыми энергиями.
Пионы начнут распадаться, превращаясь в антимюон и нейтрино. Вскоре уже ваш луч будет состоять из положительно заряженных мюонов, нескольких пока ещё не распавшихся пионов и затесавшихся протонов, а также нейтрино.
Теперь совместите луч с другим магнитом. Нейтрино, как электрически нейтральные, будут проходить далее. Положительно заряженные частицы – мюоны, и оставшиеся пионы с протонами, отклонятся в одну сторону. Пусть они уйдут в стену. И что останется? Луч нейтрино. Не особенно узкий, конечно, но если вы начинали с большого количества протонов, он будет весьма мощный.
Управляя направлением движения начальных протонов и промежуточных пионов, можно направить этот луч в любом направлении. К примеру, его можно создать в ЦЕРН и направить в сторону горы Гран-Сассо-д’Италия, где проходит эксперимент OPERA [1]. Этот луч не будет узким – к тому времени, как он пройдёт 730 км до Гран-Сассо, он будет иметь 2 км в поперечнике. Но его будет достаточно для наших целей.
Простое объяснение для непрофессионалов того, как сделать обнаружить нейтрино.
Нейтрино постоянно проходят через ваше тело. Их поток идёт от Солнца, из его центральной печи, и даже если вы находитесь на ночной стороне планеты, эти нейтрино проходят сквозь Землю и сквозь ваше тело так, будто никакой Земли там и нет. Космические лучи (высокоэнергетические частицы, прилетающие из космоса) часто ударяют атомы в верхних слоях атмосферы и порождают несколько нейтрино. Они тоже проходят сквозь вас.
Почти всегда. Но очень-очень малая часть нейтрино во что-то врезается.
Если нейтрино входит в ядро атома, проходит внутри одного из протонов или нейтронов и (грубо говоря) оказывается слишком близко к кварку (или антикварку), находящемуся внутри протона или нейтрона, тогда существует неплохой шанс на то, что нейтрино и кварк (или антикварк) столкнутся. То же можно сказать и о нейтрино, сталкивающемся с электроном на задворках атома. Но этот процесс происходит нечасто, ибо в нём участвует слабое ядерное взаимодействие, и (особенно для нейтрино с низкой энергией) слабость этого взаимодействия гарантирует редкость таких столкновений.
Допустим, нейтрино всё же столкнулся с кварком или антикварком внутри атомного ядра: что происходит дальше? Если у нейтрино достаточно энергии, он разбивает ядро на отдельные протоны и нейтроны, и часто, если его энергия высока, приводит к появлению пионов (ещё одного типа адронов: частицы, состоящей из кварков, антикварков и глюонов, как и протон с нейтроном). Нейтрино продолжает свой путь незарегистрированным, но получившиеся протоны, нейтроны и пионы можно наблюдать, поскольку и они в свою очередь сталкиваются с другими атомными ядрами, и разбивают их на части. Конкретные особенности методов наблюдения зависят от детекторов.
Есть и ещё одна возможность. Иногда во время столкновения с кварком или антикварком, нейтрино может превратиться в заряженный лептон, например, электрон, мюон или тау. Тип лептона зависит от того, какого типа был нейтрино, и даже может зависеть от того, что нейтрино делал до того, как прибыл на место.
Возможность этого варианта диктует особенность слабого ядерного взаимодействия, осуществляющего это преобразование через W-поле, волнами которого являются W-частицы. В данном случае можно обнаружить не только разлетающиеся от первого и последующих столкновений протоны, нейтроны и пионы, но и электрон, мюон, или продукты распада тау, в которые превратился нейтрино. В последнем случае продукты распада тау включают электрон, мюон или пион с несколькими фотонами – и всё это можно зафиксировать.
Получается, что хотя мы не можем легко и надёжно зафиксировать наличие нейтрино так, как это можно сделать с электронами или мюонами (сталкивающимися с атомами при прохождении сквозь материю) или протонами и нейтронами (сталкивающимися с большим количеством атомных ядер при прохождении сквозь материю), мы всё же можем иногда их наблюдать. Если у вас есть достаточно нейтрино, например, после того, как не очень далёкая звёзда превратилась в сверхновую, или в центре луча нейтрино, или даже просто постоянный поток нейтрино от Солнца, мы можем обнаружить эти нейтрино, когда какой-нибудь из них сталкивается с атомным ядром внутри детектора. Всё благодаря тому, что даже одно столкновение с одним несчастным ядром может создать каскад протонов, нейтронов и пионов (которые мы легко обнаружим), и, возможно, электронов и мюонов (которые мы тоже легко обнаружим).
Получается, что один из способов изучения нейтрино – создать мощные лучи нейтрино, построить детектор, способный улавливать протоны, нейтроны, пионы, мюоны и/или электроны, летящие из ядра, разбитого нейтрино, и запастись терпением (эксперименту OPERA потребовалось три года, чтобы обнаружить 16000 нейтрино – всего полтора десятка в день). В мире есть и множество других детекторов нейтрино, они используют разные материалы и разные стратегии. Распространённый способ – построить огромный детектор, заполненный водой или другой чистой жидкостью, расположенный глубоко под землёй, чтобы защититься от космических лучей, и терпеливо ждать какого-нибудь случайного нейтрино от Солнца или одного из космических лучей, или от сверхновой, который сможет породить «брызги». И брызги получаются ощутимыми – за недавнее время при помощи нейтрино уже было сделано несколько важных открытий. Возможно, наиважнейшее из них было сделано на OPERA. [Незадолго до написания статьи в сентябре 2011 года в этом эксперименте были получены данные, согласно которым некоторые нейтрино демонстрировали движение с превышением скорости света. После тщательных проверок выяснилось, что причиной тому послужила ошибка эксперимента – прим. перев.]
Автор: Вячеслав Голованов
Источник [2]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/fizika/264642
Ссылки в тексте:
[1] OPERA: https://ru.wikipedia.org/wiki/OPERA_(%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82)
[2] Источник: https://geektimes.ru/post/293527/
Нажмите здесь для печати.