ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΝΕΤΡΙΝΩΝ

Πυρετζή Κων/να 12461Μπαντερμά Σταματία-Αγλαΐα 12419

Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗΣ ΤΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ

1930—ο Pauli υποθέτει την ύπαρξη των νετρίνων σαν ποσότητα για την διατήρηση της κρίσης της ενέργειας της β-διάσπασης.

1956—ο Fred Reines και ο Clyde Cowan ανακάλυψαν νετρίνα χρησιμοποιώντας πυρηνικό αντιδραστήρα.

1957-62—οι θεωρητικοί φυσικοί αναζήτησαν ταλαντώσεις νετρίνων: Pontecorvo (sterile) and Sakata et al (flavor)

1961—τα μιονικά νετρίνα ανακαλύφθηκαν στα Brookhaven National Laboratories.

Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗΣ ΤΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ

1968—ο Ray Davis και οι συνεργάτες του άρχισαν τα πρώτα ραδιοχημικά πειράματα για ηλιακά νετρίνα χρησιμοποιώντας καθαριστικό υγρό στο Homestake Mine στη North Dakota, όπου τα αποτελέσματα που παρατηρήθηκαν είναι γνωστά ως πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων.

1976—το ταυ σωματίδιο ανακαλύφθηκε από τον Marty Perl στο SLAC στο Stanford, Calif.

1985—η ανωμαλία των ατμοσφαιρικών νετρίνων παρατηρείται από το IMB και το Kamioka.

Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗΣ ΤΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ

1995—η ανακάλυψη του τοπ quark στο Fermilab,ολοκληρώνει την λίστα των έξι quarks.

1996—το Super-Kamiokande, ο μεγαλύτερος ανιχνευτής ξεκινάει την έρευνα για αλληλεπιδράσεις νετρίνων στις 1 Απριλίου στην τοποθεσία του πειράματος Kamioka με μια ομάδα επιστημόνων από την Ιαπωνία και τις Η.Π.Α.

1998—μετά από ανάλυση γεγονότων για παραπάνω από 500 ημέρες η ομάδα του Super-Kamiokande αναφέρει ότι βρήκε ταλαντώσεις και, άρα μάζα στα μιονικά νετρίνο.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΟ? Είναι ένα υποατομικό σωματίδιο Είναι ηλεκτρικά ουδέτερο Έχει πολύ μικρή μάζα, μπορεί και μηδενική Εμφανίζει μικρή αλληλεπίδραση με την ύλη Συμμετέχει στις ασθενείς πυρηνικές

αλληλεπιδράσεις, αλλά όχι στις ισχυρές Είναι λεπτόνιο

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΟ? Τα φορτισμένα σωματίδια, ηλεκτρόνια,

μιόνια και ταυ εμφανίζονται σε δυάδες με τα αντίστοιχα νετρίνα τους.Q Le Lμ Lτ

0 νe νμ ντ

-1 e- μ- τ-

ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΡΟΕΡΧΟΝΤΑΙ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΟ? Πιστεύεται ότι τα περισσότερα νετρίνο

δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του Bing Bang, είναι σχεδόν ακίνητα, οπότε δύσκολο να ανιχνευτούν

Οι φυσικές πηγές νετρίνων περιλαμβάνουν τις ραδιενεργές διασπάσεις κάποιων στοιχείων που συμβαίνουν στο εσωτερικό της γης.

ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΡΟΕΡΧΟΝΤΑΙ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΟ? Ένα ποσοστό της εκπεμπόμενης ενέργειας

από τον Ήλιο μεταφέρεται με τα νετρίνο που παράγονται κατά τις αντιδράσεις σύντηξης που συμβαίνουν στον Ήλιο

Οι Σούπερνόβα επίσης είναι κατά βάση ένα φαινόμενο νετρίνων

Κάποια νετρίνα είναι το αποτέλεσμα των κοσμικών ακτίνων που χτυπάνε στην ατμόσφαιρα της γης.

ΜΕΡΙΚΑ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ….. Ο Wolfgang Pauli πρώτος μίλησε για

την ύπαρξη του νετρίνου το 1930. Ήταν αυτός που υπέδειξε ότι αν ένα σωματίδιο ουδέτερο που αλληλεπιδρά ελάχιστα -ένα νετρίνο- εκπέμπεται κατά τη διάσπαση-β οι νόμοι διατήρησης δεν θα παραβιάζονταν.

ΜΕΡΙΚΑ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ….. 25 χρόνια μετά οι Frederick Reines και

Clyde Cowan παρατήρησαν κατά την αντίστροφη αντίδραση της β-διάσπασης

νe(αντινετρίνο) + p -> n + e+

το αντινετρίνο.

ΜΕΡΙΚΑ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ… Το 1957 η C.S. Wu ανακάλυψε την παραβίαση

της parity στην πυρηνική β-διάσπαση, αποδεικνύοντας ότι αυτή η αλληλεπίδραση δεν ήταν συμμετρική. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμφθηκαν στη β-διάσπαση του 60Co βρίσκονται να είναι αριστερόστροφα το οποίο δείχνει ότι το εκπεμπόμενο αντινετρίνο πρέπει να είναι δεξιόστροφο εάν η γωνιακή ορμή διατηρείται στην ασθενή αλληλεπίδραση. Άρα το νετρίνο εκπέμπεται στη β-διάσπαση αριστερόστροφα.

MAJORANA ΚΑΙ DIRAC ΝΕΤΡΙΝΟ Το σωματίδιο Majorana καθορίζεται

από την ομοιότητα του σωματιδίου με το δικό του αντισωματίδιο και έχει δύο καταστάσεις, spin πάνω και spin κάτω.

Το σωματίδιο Dirac δεν παρουσιάζει ομοιότητα με το αντισωματίδιό του και έχει τέσσερις καταστάσεις, δύο spin καταστάσεις για νετρίνο και δύο ακόμα για το αντινετρίνο.

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΙΝΩΝ Απαιτούνται τεράστιοι και πολύ ευαίσθητοι ανιχνευτές,

καθώς ένα τυπικό νετρίνο χαμηλής ενέργειας θα ταξιδέψει πολλά έτη φωτός μέσα από τη συνηθισμένη ύλη πριν αλληλεπιδράσει με αυτήν. Οι ειδικές αυτές πειραματικές διατάξεις των ανιχνευτών είναι γνωστές ως "τηλεσκόπια νετρίνων".

Χρειάζονται φωτοπολλαπλασιαστές, επειδή ένα από αυτά τα σωματίδια αλληλεπιδρά με ένα μόριο νερού ή κάποιου άλλου υγρού και προκύπτει ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό το φορτισμένο σωματίδιο ταξιδεύει μερική απόσταση στο νερό. Καθώς αυτό κινείται με υψηλή ταχύτητα, ακτινοβολεί φως Cerenkov, το οποίο ανιχνεύεται με αυτούς

ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ Β-ΔΙΑΣΠΑΣΗ…. Tο νετρίνο είναι άμεσα συνδεδεμένο με την β-διάσπαση

του πυρήνα Μια διάσπαση τύπου β μπορεί να γραφεί στη γενική

μορφή, A

Z X   --->  ΑΖ+1Ψ + e-

Σε όλες αυτές τις αντιδράσεις, η διαφορά μάζας ανάμεσα στα νουκλίδια X κα Ψ είναι αποτέλεσμα της μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο

Tο ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται, μια και η αύξηση του αριθμού των πρωτονίων - που έχουν φορτίο +1- στο δεύτερο μέλος της αντίδρασης, αντισταθμίζεται από την εμφάνιση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων.

ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ Β-ΔΙΑΣΠΑΣΗ Μετρήσεις της ενέργειας των ακτίνων β, που

έγιναν απο τον Chadwick, αποκάλυψαν το εξής παράδοξο : Tο ενεργειακό φάσμα των εκπεμπομένων ηλεκτρονίων ήταν συνεχές

Ο Ν. Bohr διατύπωσε αμφιβολίες για την ισχύ της αρχής διατήρησης της ενέργειας

Επίσης, παρατηρήθηκε ότι στις β-διασπάσεις και οι νόμοι διατήρησης της ορμής και στροφορμής φαίνονταν να παραβιάζονται

ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ Β-ΔΙΑΣΠΑΣΗ Όπως όμως παρατήρησε ο Pauli, το

1930, όλες οι παραπάνω δυσκολίες παρακάμπτονται με την εισαγωγή ενός νέου σωματίου

του νετρίνου!!

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ FERMI.. Tο 1933, ο Fermi διατύπωσε τη θεωρία της β-

διάσπασης, με βάση την παρατήρηση του Pauli, την οποία και θεμελίωσε θεωρητικά. 

Η πιθανότητα μετάπτωσης ή ο ρυθμός διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου δίνεται από τη σχέση:W = 2π/ћ * G² * |M|² * d N/dE0

Ο παράγοντας πυκνότητας καταστάσεων καθορίζεται από το πλήθος των τρόπων που μπορούμε να μοιράσουμε τη διαθέσιμη ενέργεια Ε0 Ε0 + d E0 μεταξύ των προϊόντων

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ FERMI..Στο παράδειγμα της διάσπασης του νετρονίου μεταξύ

τωνπρωτονίου, ηλεκτρονίου και αντινετρίνου , μέσα από

μια σειράυπολογισμών μπορούμε να οδηγηθούμε στο φάσμα τουηλεκτρονίου:

Ν(p)dp ~p²(E0 – E)²dp και αν παραστήσουμε το [N(p)/p2]1/2 ως συνάρτηση του

Ε τότε θαπροκύψει ευθεία γραμμή που θα κόβει τον άξονα χ στο

Ε = Ε0 καιαυτό είναι το διάγραμμα Curie.

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ CURIE ΤΩΝ ΕΠΙΤΡΕΠΤΩΝ ΜΕΤΑΠΤΩΣΕΩΝ ΓΙΑ ΜΗΔΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΗ ΜΑΖΑ ΝΕΤΡΙΝΟΥ.

Για μη μηδενική μάζα νετρίνων ητελευταία σχέση τροποποιείται στηνΝ(p)dp F(Z, p) ~p2(E0 – Ε)2

[1 – (mνc2/E0 – E)2]1/2 dp όπου F είναι ο διορθωτικόςπαράγοντας Coulomb. Στην περίπτωσηαυτή το διάγραμμα Curie τέμνει τον άξονα χ στη θέση Ε = Ε0 – mνc2.Έτσι η μορφήτου διαγράμματος (σχήμα 2) κοντά στοτέλος μας επιτρέπει τον καθορισμό τηςμάζας του νετρίνου.

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ FERMI.. Tο 1967, ο φυσικός Weinberg προσπαθώντας να

μελετήσει την πιθανή ενοποίηση των ηλεκτρικών δυνάμεων με τις ασθενείς που προκαλούν τη β-διάσπαση, θεώρησε την ύπαρξη μιας συμμετρίας όπου το ηλεκτρόνιο δεν ξεχωρίζει από το αντίστοιχό του νετρίνο.

Tο ίδιο υπέθεσε και για το μιόνιο, μ, πού έχει ίδιο φορτίο με το ηλεκτρόνιο και συνοδεύεται απο το αντίστοιχο νετρίνο του και το σωμάτιο ταύ, τ , επίσης με το αντίστοιχο νετρίνο του

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ FERMI.. Πριν τη ρήξη της αρχικής συμμετρίας, όλα

τα λεπτόνια παραμένουν χωρίς μάζα. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή όροι μάζας “γεννιώνται” στη συνέχεια για το ηλεκτρόνιο και τα άλλα δύο φορτισμένα σωματίδια, δηλ. το μιόνιο και το σωμάτιο ταύ. 

Κατά πόσο είναι έγκυρο το περιεχόμενο τουStandard Model??

ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΤΗ ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΝΕΤΡΙΝΟΥ

Υπάρχει η ένδειξη ότι οι μάζες των ηλεκτρονικών νετρίνων βρίσκονται στην περιοχή

17e V < mνe < 40e V και βρέθηκε από τον Lubimov et al. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με τρίτιο εμφυτευμένο σε ένα σύνθετο οργανικό μίγμα

ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΤΗ ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΜΙΟΝΙΚΟΥ ΝΕΤΡΙΝΟΥ

Από τη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής (θέτω c =1) αποκτούμε: m 2

νμ = m2π+ + m2

μ – 2mπ+ (p2μ+ + m2

μ+)1/2

Μια μέτρηση της μιονικής ορμής από την πιονικήδιάσπαση οδηγεί σε πληροφορίες για τη μάζα τουΝετρίνου. Τα καλύτερα πειραματικά όρια που αποκτήθηκανγια τη μάζα του μιονικού νετρίνου μέχρι τώρα συνδέονταιμε την ομάδα στο SIN στην Ελβετία. Το πάνω όριο για τη μάζα του νετρίνου βρέθηκε:

m νμ < 250 keV / c2 at 90% c.l.

ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΤΗ ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΤΑΥ ΝΕΤΡΙΝΟΥ Η τ- διάσπαση αναλύοντας την ενέργεια ή τη σταθερή μάζα των

αναδυόμενων φορτισμένων σωματιδίων οδηγεί σε πληροφορίες για την μάζα του τ- νετρίνου. Τα πρώτα όρια προήλθαν από τη συνεργασία Delco στο Spear όπου εξέτασαν τa “quasi β-decay” φάσματα:τ = e + νe(αντινετρίνο) + ντ

τ = μ + νμ(αντινετρίνο) + ντ

Και βρέθηκε: mντ < 250MeV 90% c.l.Τα πιο αυστηρά όρια επιτεύχθηκαν στον συγκρουστήρα e+e DORIS

at DESY στο Αμβούργο. m ντ < 56 MeV at 95% c.l.

 

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΝΕΤΡΙΝΩΝ… Οι ταλαντώσεις των νετρίνων είναι ένα

ασυνήθιστο κβαντικό μηχανικό αποτέλεσμα. Γνωρίζουμε μόνο τι σωμάτιο είναι από τον

τρόπο που παράγεται ή αλληλεπιδρά, και έτσι το ονομάζουμε

Ένας άλλος τρόπος να γνωρίζουμε το σωματίδιο είναι από το βάρος του, όπως εκφράζεται από την ταχύτητα δοσμένη σε καθορισμένη ποσότητα ενέργειας, και επίσης πώς αυτό έλκεται από τη βαρύτητα.

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΝΕΤΡΙΝΩΝ… Συνήθως αυτές οι ταυτότητες είναι ίδιες για κάθε

σωματίδιο, αλλά τα μιονικά νετρίνο εμφανίζονται να είναι πολύ μπερδεμένα.

Η παράξενη κατάσταση των νετρίνων, διαφορετική από όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια, είναι ότι η κατάσταση του σωματιδίου που ονομάζουμε μιονικό νετρίνο μπορεί να μην είναι η ίδια με την κατάσταση της μάζας του σωματιδίου.

Το μιονικό νετρίνο προφανώς συντίθεται από δυοδιαφορετικές μάζες.

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΝΕΤΡΙΝΩΝ… Το μιονικό νετρίνο μπορεί να συντίθεται από τη μισή από

την κάθε κατάσταση από τις δύο των οποίων οι μάζες διαφέρουν ελάχιστα και που ταλαντώνονται σε και εκτός φάσης μεταξύ τους καθώς ταξιδεύουν.

Επιπλέον τα ηλεκτρονικά νετρίνα και τα μιονικά ή τα ταυ νετρίνα διαδίδονται με διαφορετικό τρόπο σε ένα ηλεκτρονικό μέσο. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της εξάρτησης της ενεργού διατομής της αλληλεπίδρασης από τους κβαντικούς αριθμούς της γεύσης.

Το μήκος κύματος της ταλάντωσης των νετρίνων μπορεί να εκφραστεί από τη σχέσηΛ = 4π Ε/Δm2 = 2.5 E/Δm2 [meters]

αν τα Ε και Δm2 εκφράζονται σε MeV και (eV)2 αντίστοιχα.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΟι ταλαντώσεις απαιτούν τα νετρίνα να έχουνΜάζα!! Κενό:• Οι ταλαντώσεις των νετρίνων στο κενόπρωτοαναφέρθηκαν από τον Pontecorvo. • Η ανάμιξη φαίνεται ότι είναι μια θεμελιώδηςιδιότητα της Φύσης. • Μελετούμε τη γεύση – ανάμιξη μάζας:νe = (cosθ)ν1 + (sinθ)ν2 (1)νμ = (cosθ)ν2 – (sinθ)ν1

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Στο κενό οι καταστάσεις ν1 και ν2 με καθορισμένεςμάζες συμπίπτουν με τις ιδιοκαταστάσεις τηςΧαμιλτονιανής: οι ν1 και ν2 έχουν καθορισμένεςενέργειες και διαδίδονται ανεξάρτητα. Εξαιτίας της διαφοράς μάζας τα ν1 και ν2 πακέταέχουν διαφορετικές ταχύτητες φάσης (υph = E/k≈ 1 +m2/2k2), και Δυph = Δm2/2k2, όπου k είναι η ορμήτου νετρίνου. (2) Αυτό καταλήγει στην εναλλασσόμενη διαφορά φάσης μεταξύ τωνσυστατικών ν1 και ν2 κατά τη διάρκεια της διάδοσης της μικτήςκατάστασης:Δφ(t) = Δυph * k * t = Δm2/2k * t, όπου t = x (c = ћ = 1) είναι ο χρόνος(απόσταση). (3)

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Τη στιγμή tπ = 2πk/Δm2 μια πρόσθετη φάση

εμφανίζεται στη σχέση του Δφ(t) και συνεπώς το νe μετασχηματίζεται σε νμ ολοκληρωτικά.

Τη στιγμή t2π = 2tπ, Δφ = 2π επιστρέφουν στην αρχική κατάσταση.

Έτσι οι περιοδικοί μετασχηματισμοί νe νμ νe … (ταλαντώσεις) παίρνουν μέρος.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Η απόσταση πάνω από την οποία τα νετρίνα

επιστρέφουν στην αρχική κατάσταση ονομάζεται μήκος ταλάντωσης. Από τη συνθήκη Δφ (lν) = 2π και τη σχέση Δφ(t) παίρνουμε:lν = 4πk/Δm2. (4)

Στη γενική περίπτωση οι ταλαντώσεις είναι το αποτέλεσμα της συμβολής στα ν1 και ν2 κύματα.

Συνοψίζοντας στο κενό μια ταλαντούμενη κατάσταση είναι το μίγμα από 2 ή παραπάνω νΗ ιδιοκαταστάσεις. Επίσης, τα νετρίνα ταλαντώνονται “γύρω” από μια ν – ιδιοκατάσταση.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Ύλη:• Όσον αφορά στην ύλη τα κύματα των

νετρίνων κατά τη διάδοσή τους εντός αυτής υφίστανται σκέδαση και απορρόφηση.

• Αν το πλάτος του υλικού είναι επαρκώς μικρό και η ενέργεια είναι επίσης μικρή, τότε το κύριο αποτέλεσμα είναι η ελαστική οπισθοσκέδαση και τα σκεδαζόμενα κύματα αθροίζονται συνεπώς.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Άθροιση τέτοιων κυμάτων είναι ισοδύναμη με την

εμφάνιση ενός διαθλαστικού πίνακα στα αρχικά κύματα:(nα – 1) = ∑ fi

α(0) * Νi/k² (6), όπου α = e, μ, fi

α(0) είναι το πλάτος της να οπισθοσκέδασης πάνω στο i-συστατικό του υλικού και Νi είναι η συγκέντρωση του i-συστατικού.

Οι διαθλαστικοί πίνακες αλλάζουν τις ταχύτητες φάσης. Αν το υλικό παρουσιάζει ασυμμετρία, τότε εμφανίζεται μια πρόσθετη διαφορά φάσης:Δφm = k(ne – nμ)*t = ∑ Δfi(0) * Ni/k * t. (7)

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Εξαιτίας των φορτισμένων ρευμάτων, τα νe και νμ

σκεδάζονται διαφορετικά στα ηλεκτρόνια:fe

e(0) – feμ(0) = √2GFk, (8)

και από τη σχέση (8) ακολουθεί ότιΔφm = √2GFΝe * t. (9)

Η απόσταση πάνω από την οποία μία επιπρόσθετη διαφορά φάσης των 2π συμβαίνει ονομάζεται “το διαθλαστικό μήκος”. Από τη σχέση (9) παίρνουμε l0 = 2π(√2GFΝe)-1. (10)

Το αντίστοιχο πλάτος του υλικού είναιd0 = l0 * ρ = 2πmΝ/√2GF = 3.5 * 109 g/cm². (11)

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗ Γενικά αυτό που έχουμε να πούμε για

την ύλη είναι ότι εκεί, νiH = νim δε

συμπίπτουν με τις καθορισμένες καταστάσεις μάζας.

Οι γεύσεις των νim εξαρτώνται από την πυκνότητα του υλικού, και αλλάζουν αν τα νετρίνα διαδίδονται μέσω ενός ανομοιογενούς μέσου.

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ MINOS.. Το πρώτο σημαντικό εύρημα του πειράματος Minos (Main

Injector Neutrino Oscillation Search) αφορά στην ύπαρξη μάζας για τα νετρίνα.

Υπάρχουν τρία είδη – ή “γεύσεις” – νετρίνων και για να εξετάσουν τις ιδιότητές τους, οι επιστήμονες δημιούργησαν νετρίνα μιονίου σε έναν επιταχυντή σωματιδίων στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermilab στο Ιλλινόις

Πυροδοτήθηκε μια ακτίνα υψηλής έντασης αυτών των σωματιδίων που δημιουργήθηκε σε έναν ανιχνευτή σωματιδίων στο Fermilab, και έπειτα ανιχνεύτηκε σε έναν άλλον ανιχνευτή μέσα σε ένα μη χρησιμοποιούμενο ορυχείο στο Σουδάν των ΗΠΑ και σε απόσταση 724 km μακριά.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΑΠΟ ΤΟ MINOS

Οι επιστήμονες που εξέτασαν τον αριθμό τους στο Σουδάν είδαν πολύ λιγότερα από αυτά που περίμεναν

Αυτό συνέβη γιατί είχαν μετατραπεί σε έναν άλλο τύπο νετρίνων. Οι φυσικοί ονομάζουν τη διαδικασία της αλλαγής από το έναν τύπο σε έναν άλλο τύπο, ταλάντωση γεύσης. Και για να είναι σε θέση να εξηγήσουν αυτόν τον μετασχηματισμό, η θεωρία της φυσικής σωματιδίων δηλώνει ότι τα σωματίδια χρειάζεται να έχουν μάζα.

Παραπάνω παρουσιάζονται τα είδη των νετρίνων και τα στάδια από τα οποία διέρχονται κατά την πορεία τους από το εργαστήριο του Fermi στο υπόγειο εργαστήριο Σουδάν.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ LSND…

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ LSND… To 1995 το πείραμα LSND

δημοσίευσε δεδομένα που δείχνουν υποψήφια γεγονότα τα οποία είναι σύμφωνα με τις νμ νe (αντινετρίνα) ταλαντώσεις

Επιπρόσθετα γεγονότα που έχουν καταγραφεί εδώ παρέχουν ισχυρότερη απόδειξη για τις νμ νe (αντινετρίνα) ταλαντώσεις καθώς επίσης για τις νμ νe ταλαντώσεις.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ LSND… Το πείραμα του υγρού σπινθηριστή – ανιχνευτή

νετρίνων (LSND) στο Los Alamos σχεδιάστηκε για να ερευνά με μεγάλη ευαισθησία τις νμ νe (αντινερίνα) ταλαντώσεις από τη μ+ διάσπαση.

Ο ανιχνευτής αποτελείται από μία σχεδόν κυλινδρική δεξαμενή των 8.3 μέτρων σε μάκρος και των 5.7 μέτρων σε διάμετρο. Το κέντρο του ανιχνευτή είναι 30 μέτρα από την πηγή των νετρίνων. Στην εσωτερική επιφάνεια της δεξαμενής φωτοσωλήνες παρέχουν 25% κάλυψη της φωτοκαθόδου. Η δεξαμένη είναι γεμάτη με 167 μετρικούς τόνους υγρού σπινθηριστή αποτελούμενου από μεταλλικό λάδι και 0.031g/l του b-PBD.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΑΠΟ ΤΟ LSND

Παρατηρεί τις εξελίξεις των γεγονότων και για τις δύο έρευνες ταλάντωσης, νμ νe (αντινετρίνα) και νμ νe, αντιστοιχώντας σε πιθανότητες ταλάντωσης των (0.31±0.12±0.05)% και (0.26±0.10±0.05)% αντίστοιχα.

Αυτές οι δύο έρευνες έχουν εντελώς διαφορετικό υπόβαθρο και σύστημα και μαζί παρέχουν ισχυρή απόδειξη για τις ταλαντώσεις των νετρίνων στην περιοχή 0.2 < m2 < 2.0 eV2.

Αυτό υποδεικνύει ότι το λιγότερο ένα νετρίνο έχει μια μάζαμεγαλύτερη από 0.4 eV.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SNO…… Το SNO αποτελείται από έναν κιλοτόνο βαρύ νερό

και φωτοπολλαπλασιαστές που ανιχνεύουν την ακτινοβολία Cerenkov. Ο ανιχνευτής θάφτηκε σχεδόν 2Km κάτω από το έδαφος.

Ο SNO παρέχει την ικανότητα να μετρούμε και τη ροή και το ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονικών νετρίνων με την άμεση ανακατασκευή του φορτισμένου – ρεύματος γεγονότων.

Μια μη μηδενική ροή των μη ηλεκτρονικών νετρίνων είναι μια σαφής ένδειξη των ταλαντώσεων των ηλιακών νετρίνων.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SNO……

Καθώς το νετρίνο πλησιάζει τον πυρήνα δευτερίου ένα W μποζόνιο ανταλλάσσεται ανάμεσα στο ηλεκτρονικό νετρίνο και ένα  d quark στο νετρόνιο. Αυτό αλλάζει το νετρόνιο στο δευτέριο σε ένα πρωτόνιο και το νετρίνο σε ένα ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο θα εκπέμψει ακτινοβολία Cherenkov και αυτός ο κώνος φωτός θα ανιχνευθεί από τη διάταξη του φωτοπολλαπλασιαστή-σωλήνα του SNO.Τo ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονικών νετρίνων θα δείξει μια παραμόρφωση από το θεωρητικό σχήμα εάν τα ηλιακά νετρίνα ταλαντώνονται.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SNO……

Προκειμένου να μετρήσουν τα e- νετρίνα που φθάνουν στη γη, η ομάδα του SNO καταγράφει μικροσκοπικές λάμψεις φωτός που παράγονται όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα μόρια βαρέος ύδατος - δηλαδή νερού στο οποίο τα άτομα υδρογόνου έχουν αντικατασταθεί από άτομα δευτερίου. Η ομάδα SNO δεν μπορεί να ανιχνεύσει τα μιονικά νετρίνα και τα ταυ νετρίνα διότι αυτά δεν διασπούν τα μόρια βαρέος ύδατος.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SNO..Η ομάδα του MIT στο SNO εμπλέκεται σε διάφορες αναλύσεις και δραστηριότητες  που σχετίζονται με την τελευταία φάση του πειράματος.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SNO….. Το πρόγραμμα SNO μετρά τα νετρίνα

ηλεκτρονίων. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με έναν πυρήνα δευτέριου μετατρέπει το νετρόνιο σε ένα πρωτόνιο και εκτινάσσει ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο, το οποίο εκπέμπει έπειτα την περίφημη ακτινοβολία Cherenkov.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SNO……

Εικόνα που πάρθηκε στο SNO. Στην εικόνα αυτή οι λευκές γραμμές δείχνουν πως οι 10.000 φωτοπολλαπλασιαστές (PMT) φτιάχνουν μιά σφαίρα. Το φως εκπέμπεται κωνικά γύρω από την διαδρομή του σωματιδίου κι έτσι δημιουργεί ένα κυκλικό ίχνος καθώς πέφτει στα τοιχώματα του ανιχνευτή. Τα έγχρωμα εξάγωνα αποκαλύπτουν τις ΡΜΤ που έχουν δεχτεί φως σε αυτό το γεγονός. Στη ροζ περιοχή είχαμε την παραγωγή μιονίων από την αλληλεπίδραση νετρίνων και ανιχνευτή. Το δεύτερο δαχτυλίδι σχηματίστηκε πιθανά από ένα σωματίδιο (π-μεσόνιο) το οποίο δημιοργήθηκε όταν ένα κουάρκ (ενός πρωτονίου ή νετρονίου κάποιου πυρήνα βαρέως ύδατος) χτυπήθηκε από το νετρίνο και εκσφενδονίστηκε.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΎΠΤΟΥΝ ΑΠO ΤΟ SNO..

Οι ερευνητές κατέληξαν οριστικά λοιπόν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, αν και είναι πολύ μικρή.

Στη συνέχεια οι ερευνητές συνέκριναν τον αριθμό των νετρίνων που μέτρησαν με αυτόν ενός άλλου πειράματος στον ανιχνευτή Super-Kamiokande στην Ιαπωνία.

Οι ερευνητές συμπέραναν ότι τα ηλιακά νετρίνα των ηλεκτρονίων πρέπει να μετασχηματίζονται στους δύο άλλους τύπους κατά τη διαδρομή τους προς τη Γη.

TA ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ KAMIOKANDE KAI IMB.. Στα 1980, μεγάλα υπόγεια πειράματα,

που αρχικά σχεδιάστηκαν για την παρατήρηση της διάσπασης του πρωτονίου, άρχισαν να ψάχνουν για νετρίνο.

Τα πειράματα Kamiokande καθώς και τα  IMB και Soudan πειράματα στις ΗΠΑ, παρατήρησαν αυτό που ονομάστηκε "ανωμαλία ατμοσφαιρικών νετρίνο".

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SUPER-KAMIOKANDE.. Βρίσκεται στην περιοχή Gifu και στα

ορυχεία της Kamioka Mine Company, και περιέχει 50 κιλοτόνους νερό.

Τα νέα στοιχεία που παρουσίασε τον τελευταίο χρόνο αυξάνουν την πεποίθηση ότι η ανωμαλια των ατμοσφαιρικών νετρίνων οφείλεται σε νέα "φυσική". 

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SUPER-KAMIOKANDE..

Ευρισκόμενος στην Ιαπωνία, ο Super-Kamiokande  είναι ένας ανιχνευτής που μελετάει τα ασύλληπτα σωματίδια γνωστά ως νετρίνα. Αυτή είναι μια εικόνα του ανιχνευτή τοίχου και της κορυφής μαζί με τους περίπου 12000 σωλήνες-φωτοπολλαπλασιαστές που βοηθούν στην ανίχνευση των νετρίνων.  

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SUPER-KAMIOKANDE..

Κάθε μέρα λειτουργίας του ο ανιχνευτής που βρίσκεται ένα χιλιόμετρο περίπου κάτω από το έδαφος μαζεύει πληροφορίες από ένα μικρό αριθμό νετρίνων από τα απίστευτα που τον διασχίζουν. Τα τελευταία 10 χρόνια τα πειράματα της ταλάντωσης του νετρίνου έχουν αναμφισβήτητα αποδείξει ότι τα νετρίνα έχουν μάζες, απίστευτα μικρές.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SUPER-KAMIOKANDE..

Ένας ανιχνευτής νετρίνων τυπικά περιέχει ένα μεγάλο σώμα από υγρό, το οποίο αυξάνει τις ευκαιρίες για αλληλεπίδραση σωματιδίου. Ο ανιχνευτής Super-Kamiokande περιέχει σε μια κοιλότητα από ανοξείδωτο ατσάλι πλαισιωμένη, σκαλισμένη κάτω από τις ιαπωνικές Άλπεις, 12.5 εκατομμύρια γαλόνια υπέρ αγνό νερό και περιβαλλόμενα από 13,000 φωτοπολλαπλασιαστές – σωλήνες, μεγάλης περιοχής φωτεινούς ανιχνευτές παραταγμένους να μαζεύουν την ακτινοβολία που προκαλείται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νετρίνων και των μορίων του νερού.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SUPER-KAMIOKANDE..

Μία ομάδα από Ιάπωνες και Αμερικανούς φυσικούς έχουν παράγει την απόδειξη-ένδειξη της μάζας και των ταλαντώσεων στα νετρίνα. Τα  αποτελέσματα έρχονται από τα δεδομένα των πρώτων δύο χρόνων από τον Super-Kamiokande.

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ SUPER-KAMIOKANDE..

Εργάτες επιδιορθώνουν έναν από τους 11,200 φωτοπολλαπλασιαστές σωλήνες που πλαισιώνουν τον Super-Kamiokande ανιχνευτή νετρίνων και ανιχνεύει το φως που παράγεται καθώς τα νετρίνα μετακινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός μέσα στο νερό. Courtesy Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo.

ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΑΠΟ ΤΟ SK..

Τα δεδομένα μας, μας λένε αναμφισβήτητα ότι τα μιονικά νετρίνο ταλαντώνονται, αν και δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι με ποια άλλη κατάσταση νετρίνου.

Το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι βλέπουμε μιονικά νετρίνο να εξαφανίζονται αναλογικά στα μονοπάτια πτήσης τους και αντιστρόφως ανάλογα με την ενέργειά τους.

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ.. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του

ηλιακού προτύπου, ο ρυθμός αντίδρασης των νετρίνων υπολογίζεται σε 8 SNU. Όμως τα πειράματα μετρούν μόνο 2 SNU.

Υπάρχουν δυο πιθανές ερμηνείες..

1Η ΕΡΜΗΝΕΙΑ.. Το ηλιακό πρότυπο δεν είναι σωστό και

προβλέπει λανθασμένη ροή νe. Όμως, υπολογισμοί με βάση τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, δίνουν την ακριβή ισορροπία μεταξύ της θερμικής πίεσης και της ισχυρής βαρύτητας στον ήλιο, ενισχύοντας το θεμελιώδες ηλιακό πρότυπο. Σε αντίθετη περίπτωση, ο ήλιος θα είχε καταρρεύσει ή εκραγεί. 

2Η ΕΡΜΗΝΕΙΑ.. Το ηλεκτρονικό νετρίνο αποτελείται

στην πραγματικότητα από μια μίξη ιδιοκαταστάσεων

Η επιβεβαίωση των “ταλαντώσεων” (όπως ονομάζονται) των νετρίνων, συνεπάγονται αναπόφευκτα και την ύπαρξη μάζας, έστω και πολύ μικρής. 

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ..

Ο λόγος του παρατηρούμενου αριθμού των μιονικού τύπου προς ηλεκτρονικού τύπου νετρίνα είναι 1:1 ενώ από τη θεωρία προβλέπεται 2:1.

Οι υποθέσεις περιλαμβάνουν 1)μεγαλύτερη αφθονία των ηλεκτρονικών νετρίνων, 2)ένα πρόβλημα με υπολογισμούς της ροής των νετρίνων.

H ασυμφωνία αυτή, ωστόσο μπορεί να εξηγηθεί με ακριβώς ανάλογο τρόπο με εκείνον για τα ηλιακά νετρίνα, δηλαδή τις ταλαντώσεις, στην περίπτωση που το μιονικό νετρίνο είναι μίξη ιδιοκαταστάσεων μη μηδενικής μάζας.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ……. Το νετρίνο, είναι μία οντότητα με ιδιαίτερη

σημασία τόσο για την φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, όσο και για την κοσμολογία και την αστροφυσική.

Η επιβεβαίωση της μη-μηδενικής μάζας και μίξης των νετρίνων ήταν και είναι ο στόχος μιας μεγάλης σειράς πειραμάτων για τα επόμενα χρόνια.

Στα πλαίσια αυτά έχει δημιουργηθεί και στην χώρα μας, στον υποθαλάσσιο χώρο κοντά στην Πύλο, ο ερευνητικός σταθμός NESTOR.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ… Βιβλία:

“ Netrino physics ” ed. by H.V. Klapdor and Β. Povh

“ 5th force netrino physics ” ed. by O.Fackler and J. Tran Thanh Van

“ Neutrinos” ed. by H.V. Klapdor “ Εισαγωγή στη φυσική υψηλών ενεργειών”

ed. by Donald H. Perkins

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ… Internet:

www.google.com www.scholar.google.com www.wikipedia.com http://web.mit.edu/josephf/www/nudm/SNO.html http://www.neutrino.lanl.gov/ dnp.nscl.msu.edu/current/lsnd.html cerncourier.com/.../28089/1/neutrinos1_10-99 www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp. www.phys.hawaii.edu:80/~jgl/ http://www.ps.uci.edu/~superk/pic/ www.aip.org/png/html/super-k.htm cerncourier.com/.../cern/27982/1/neutrinos2_4-99 www.physics.carleton.ca/.../reactions.htm focus.aps.org/story/v23/st17

ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΉ ΣΑΣ!!!