Neutrino ni chembe msingi ambayo inafanana sana na elektroni, lakini haina chaji ya umeme. Ina molekuli ndogo sana, ambayo inaweza hata kuwa sifuri. Kasi ya neutrino pia inategemea wingi. Tofauti katika muda wa kuwasili wa chembe na mwanga ni 0.0006% (± 0.0012%). Mnamo 2011, wakati wa jaribio la OPERA, ilibainika kuwa kasi ya neutrinos inazidi kasi ya mwanga, lakini uzoefu wa kujitegemea haukuthibitisha hili.
Chembe Isiyotoweka
Hii ni mojawapo ya chembe zinazojulikana sana katika ulimwengu. Kwa kuwa inaingiliana kidogo sana na maada, ni ngumu sana kugundua. Elektroni na neutrino hazishiriki katika mwingiliano mkali wa nyuklia, lakini kwa usawa hushiriki katika dhaifu. Chembe zenye sifa hizi huitwa leptoni. Mbali na elektroni (na kinza chembe yake, positron), leptoni zinazochajiwa ni pamoja na muon (molekuli 200 za elektroni), tau (molekuli za elektroni 3500), na antiparticles zao. Wanaitwa hivyo: elektroni-, muon- na tau-neutrinos. Kila moja yao ina kijenzi cha kupambana na nyenzo kiitwacho antineutrino.
Muon na tau, kama elektroni, zina chembechembe zinazoambatana nazo. Hizi ni muon na tau neutrinos. Aina tatu za chembe ni tofauti kutoka kwa kila mmoja. Kwa mfano, neutrino za muon zinapoingiliana na lengo, daima hutoa muon, kamwe tau au elektroni. Katika mwingiliano wa chembe, ingawa elektroni na elektroni-neutrino zinaweza kuundwa na kuharibiwa, jumla yao bado haijabadilika. Ukweli huu husababisha mgawanyiko wa leptoni katika aina tatu, ambayo kila moja ina leptoni iliyochajiwa na neutrino inayoandamana nayo.
Vigunduzi vikubwa sana na nyeti sana vinahitajika ili kugundua chembe hii. Kwa kawaida, neutrino zenye nishati kidogo zitasafiri miaka mingi ya mwanga kabla ya kuingiliana na maada. Kwa hivyo, majaribio yote ya msingi pamoja nao yanategemea kupima sehemu yao ndogo inayoingiliana na virekodi vya ukubwa unaofaa. Kwa mfano, kwenye Kichunguzi cha Sudbury Neutrino, kilicho na tani 1000 za maji mazito, takriban neutrino za jua 1012 kwa sekunde hupita kwenye kigunduzi. Na 30 pekee kwa siku hupatikana.
Historia ya uvumbuzi
Wolfgang Pauli alipendekeza kuwepo kwa chembe kwa mara ya kwanza mwaka wa 1930. Tatizo lilizuka wakati huo kwa sababu ilionekana kuwa nishati na kasi ya angular hazikuhifadhiwa katika uozo wa beta. Lakini Pauli alibainisha kuwa ikiwa chembe ya neutrino isiyoingiliana itatolewa, basi sheria ya uhifadhi wa nishati itazingatiwa. Mwanafizikia wa Kiitaliano Enrico Fermi alianzisha nadharia ya uozo wa beta mwaka wa 1934 na kuipa chembe hiyo jina lake.
Licha ya utabiri wote, kwa miaka 20 neutrino hazikuweza kutambuliwa kwa majaribio kwa sababu ya mwingiliano wake dhaifu na maada. Kwa kuwa chembe hizo hazina umemekushtakiwa, haziathiriwa na nguvu za umeme, na, kwa hiyo, hazisababisha ionization ya suala. Kwa kuongezea, wao huguswa na maada tu kupitia mwingiliano dhaifu wa nguvu kidogo. Kwa hivyo, ni chembe za subatomic zinazopenya zaidi, zinazoweza kupita idadi kubwa ya atomi bila kusababisha athari yoyote. Ni 1 tu kati ya bilioni 10 ya chembe hizi, zinazosafiri kupitia maada umbali sawa na kipenyo cha Dunia, humenyuka ikiwa na protoni au neutroni.
Mwishowe, mnamo 1956, kikundi cha wanafizikia wa Kiamerika wakiongozwa na Frederick Reines walitangaza ugunduzi wa elektroni-antineutrino. Katika majaribio yake, antineutrinos iliyotolewa kutoka kwa kinu ya nyuklia iliingiliana na protoni kuunda nyutroni na positroni. Saini za kipekee (na adimu) za nishati za bidhaa hizi ndogo za hivi punde hutoa ushahidi wa kuwepo kwa chembe hiyo.
Ugunduzi wa leptoni za muon zilizochajiwa ukawa mahali pa kuanzia kwa utambulisho uliofuata wa aina ya pili ya neutrino - muon. Utambulisho wao ulifanyika mnamo 1962 kulingana na matokeo ya jaribio katika kiongeza kasi cha chembe. Neutrino za muonic zenye nguvu nyingi zilitolewa na kuoza kwa pi-mesoni na kutumwa kwa kigunduzi kwa njia ambayo athari zao na maada zinaweza kuchunguzwa. Ingawa hazina tendaji, kama aina zingine za chembe hizi, imegunduliwa kuwa katika hafla adimu zinapoguswa na protoni au neutroni, muon-neutrino huunda muons, lakini kamwe sio elektroni. Mnamo 1998, wanafizikia wa Amerika Leon Lederman, Melvin Schwartz na Jack Steinberger.alipokea Tuzo ya Nobel ya Fizikia kwa utambulisho wa muon-neutrino.
Katikati ya miaka ya 1970, fizikia ya neutrino ilijazwa tena na aina nyingine ya leptoni za chaji - tau. Tau neutrino na tau antineutrino zilihusishwa na lepton hii ya tatu inayochajiwa. Mnamo 2000, wanafizikia katika Maabara ya Kitaifa ya Kuongeza kasi. Enrico Fermi aliripoti ushahidi wa kwanza wa majaribio wa kuwepo kwa aina hii ya chembe.
Misa
Aina zote za neutrino zina wingi ambao ni mdogo sana kuliko ule wa neutrino zinazochajiwa. Kwa mfano, majaribio yanaonyesha kwamba molekuli ya elektroni-neutrino lazima iwe chini ya 0.002% ya molekuli ya elektroni na kwamba jumla ya wingi wa aina tatu lazima iwe chini ya 0.48 eV. Kwa miaka mingi ilionekana kuwa wingi wa chembe ulikuwa sufuri, ingawa hapakuwa na ushahidi wa kinadharia wa kushawishi kwa nini hii inapaswa kuwa hivyo. Kisha, mwaka wa 2002, Kituo cha Uchunguzi cha Sudbury Neutrino kilitoa ushahidi wa kwanza wa moja kwa moja kwamba elektroni-neutrino zilitolewa na athari za nyuklia katika aina ya mabadiliko ya msingi ya Jua wanaposafiri kupitia humo. "Oscillations" kama hizo za neutrinos zinawezekana ikiwa aina moja au zaidi ya chembe zina misa ndogo. Uchunguzi wao wa mwingiliano wa miale ya ulimwengu katika angahewa ya Dunia pia unaonyesha kuwepo kwa wingi, lakini majaribio zaidi yanahitajika ili kubaini kwa usahihi zaidi.
Vyanzo
Vyanzo asilia vya neutrino ni kuoza kwa mionzi kwenye matumbo ya dunia, ambapomkondo mkubwa wa elektroni za chini-nishati-antineutrinos hutolewa. Supernovae pia ni jambo la kawaida la neutrino, kwani ni chembe hizi tu zinaweza kupenya nyenzo zenye nguvu zaidi zinazozalishwa katika nyota inayoanguka; sehemu ndogo tu ya nishati inabadilishwa kuwa mwanga. Hesabu zinaonyesha kuwa karibu 2% ya nishati ya Jua ni nishati ya neutrinos zinazozalishwa katika athari za muunganisho wa thermonuclear. Kuna uwezekano kwamba vitu vingi vya giza katika ulimwengu vinaundwa na neutrinos zinazozalishwa wakati wa Big Bang.
Matatizo ya fizikia
Nyuga zinazohusiana na neutrinos na astrofizikia ni tofauti na zinaendelea kukua kwa kasi. Maswali ya sasa yanayovutia idadi kubwa ya juhudi za majaribio na kinadharia ni kama ifuatavyo:
- Wingi wa neutrino tofauti ni nini?
- Je, zinaathiri vipi Kosmolojia ya Big Bang?
- Je, zinazunguka?
- Je, neutrino za aina moja zinaweza kubadilika na kuwa nyingine zinaposafiri kupitia mada na angani?
- Je, neutrino ni tofauti kimsingi na vizuia chembechembe zake?
- Nyota huangukaje na kuunda supernovae?
- Ni nini nafasi ya neutrino katika cosmology?
Mojawapo ya matatizo ya muda mrefu ya kuvutia zaidi ni kinachojulikana kama tatizo la neutrino ya jua. Jina hili linarejelea ukweli kwamba wakati wa majaribio kadhaa ya msingi ya ardhini yaliyofanywa kwa muda wa miaka 30 iliyopita, chembe chache zilizingatiwa mara kwa mara kuliko zinahitajika ili kutoa nishati inayotolewa na jua. Moja ya ufumbuzi wake iwezekanavyo ni oscillation, yaani, mabadiliko ya umemeneutrinos ndani ya muons au tau wakati wa kusafiri duniani. Kwa kuwa ni vigumu zaidi kupima muon au tau neutrino zenye nishati kidogo, mabadiliko ya aina hii yanaweza kueleza kwa nini hatuzingatii idadi sahihi ya chembe kwenye Dunia.
Tuzo ya Nne ya Nobel
Tuzo ya Nobel ya 2015 katika Fizikia ilitunukiwa Takaaki Kajita na Arthur McDonald kwa ugunduzi wao wa misa ya neutrino. Hii ilikuwa tuzo ya nne kama hii inayohusiana na vipimo vya majaribio ya chembe hizi. Huenda wengine wakashangaa kwa nini tujali sana kuhusu kitu ambacho hakiingiliani kwa urahisi na jambo la kawaida.
Ukweli kwamba tunaweza kugundua chembe hizi za ephemeral ni ushuhuda wa werevu wa mwanadamu. Kwa kuwa sheria za mechanics ya quantum ni uwezekano, tunajua kwamba ingawa karibu neutrinos zote hupitia Dunia, baadhi yao wataingiliana nayo. Kigunduzi kikubwa cha kutosha kutambua hili.
Kifaa cha kwanza kama hicho kilijengwa miaka ya sitini ndani ya mgodi huko Dakota Kusini. Mgodi ulijaa lita elfu 400 za maji ya kusafisha. Kwa wastani, chembe moja ya neutrino kila siku huingiliana na atomi ya klorini, na kuibadilisha kuwa argon. Ajabu, Raymond Davis, ambaye alikuwa msimamizi wa kigunduzi, alikuja na njia ya kugundua atomi hizi chache za argon, na miongo minne baadaye, mnamo 2002, alitunukiwa Tuzo ya Nobel kwa kazi hii ya kiufundi ya kushangaza.
Astronomia Mpya
Kwa sababu neutrino huingiliana kwa nguvu sana, zinaweza kusafiri umbali mrefu. Zinatupa fursa ya kutazama mahali ambapo tusingewahi kuona. Neutrinos Davis aligundua zilitolewa na athari za nyuklia ambazo zilifanyika katikati kabisa ya Jua, na ziliweza kutoroka mahali hapa penye mnene na moto kwa sababu tu haziingiliani na vitu vingine. Inawezekana hata kugundua neutrino ikiruka kutoka katikati ya nyota inayolipuka zaidi ya miaka laki ya mwanga kutoka duniani.
Kwa kuongeza, chembe hizi hurahisisha kutazama ulimwengu kwa kiwango kidogo sana, kidogo zaidi kuliko kile ambacho Gari Kubwa la Hadron Collider huko Geneva, ambalo liligundua kifua cha Higgs, kinaweza kutazama. Ni kwa sababu hii kwamba Kamati ya Nobel iliamua kutoa Tuzo ya Nobel kwa ugunduzi wa aina nyingine ya neutrino.
Ajabu Haipo
Ray Davis alipotazama neutrino za jua, alipata tu theluthi moja ya idadi iliyotarajiwa. Wanafizikia wengi waliamini kuwa sababu ya hii ilikuwa ufahamu duni wa unajimu wa Jua: labda mifano ya mambo ya ndani ya nyota ilizidisha idadi ya neutrinos zinazozalishwa ndani yake. Bado kwa miaka mingi, hata mifano ya jua ilipoboreshwa, uhaba uliendelea. Wanafizikia walielekeza umakini kwenye uwezekano mwingine: shida inaweza kuhusishwa na uelewa wetu wa chembe hizi. Kulingana na nadharia iliyokuwepo wakati huo, hawakuwa na wingi. Lakini baadhi ya wanafizikia wamebishana kuwa chembe hizo zilikuwa na umbo lisilo na kikomowingi, na misa hii ilikuwa sababu ya uhaba wao.
Chembe yenye nyuso tatu
Kulingana na nadharia ya neutrino oscillations, kuna aina tatu tofauti za neutrino katika asili. Ikiwa chembe ina wingi, basi inaposonga, inaweza kubadilika kutoka kwa aina moja hadi nyingine. Aina tatu - elektroni, muon na tau - wakati wa kuingiliana na maada inaweza kubadilishwa kuwa chembe ya kushtakiwa inayolingana (elektroni, muon au tau lepton). "Oscillation" hutokea kutokana na mechanics ya quantum. Aina ya neutrino sio mara kwa mara. Inabadilika kwa wakati. Neutrino, ambayo ilianza kuwepo kwake kama elektroni, inaweza kugeuka kuwa muon, na kisha kurudi. Kwa hivyo, chembe inayoundwa kwenye msingi wa Jua, kwenye njia yake ya kwenda Duniani, inaweza kugeuka mara kwa mara kuwa muon-neutrino na kinyume chake. Kwa kuwa kigunduzi cha Davis kiliweza tu kugundua neutrino za elektroni zenye uwezo wa kusababisha ubadilishaji wa nyuklia wa klorini kuwa argon, ilionekana kuwa neutrino zilizokosekana zimegeuka kuwa aina zingine. (Inavyoonekana, neutrino huzunguka ndani ya Jua, sio njiani kuelekea Duniani.)
Majaribio ya Kanada
Njia pekee ya kujaribu hii ilikuwa kutengeneza kigunduzi ambacho kilifanya kazi kwa aina zote tatu za neutrino. Tangu miaka ya 1990, Arthur McDonald wa Chuo Kikuu cha Queen's Ontario ameongoza timu iliyofanya hivi katika mgodi wa Sudbury, Ontario. Kituo hicho kilikuwa na tani za maji mazito kwa mkopo kutoka kwa serikali ya Kanada. Maji mazito ni aina ya maji adimu lakini ya asili ambayo hidrojeni, iliyo na protoni moja,kubadilishwa na deuterium yake ya isotopu nzito, ambayo ina protoni na nyutroni. Serikali ya Kanada ilihifadhi maji mazito kwa sababu yanatumika kama kipozezi katika vinu vya nyuklia. Aina zote tatu za neutrino zinaweza kuharibu deuterium kuunda protoni na neutroni, na neutroni zilihesabiwa. Kigunduzi kilisajili takriban mara tatu ya idadi ya chembe ikilinganishwa na Davis - nambari haswa ambayo ilitabiriwa na miundo bora zaidi ya Jua. Hii ilipendekeza kwamba elektroni-neutrino inaweza kujigeuza na kuwa aina zake nyingine.
Jaribio la Kijapani
Wakati huohuo, Takaaki Kajita wa Chuo Kikuu cha Tokyo alikuwa akifanya jaribio lingine la ajabu. Kigunduzi kilichowekwa kwenye mgodi nchini Japani kilisajili neutrino zinazotoka kwenye matumbo ya Jua, lakini kutoka anga ya juu. Wakati protoni za miale ya cosmic zinapogongana na angahewa, mvua za chembe nyingine hutengenezwa, ikiwa ni pamoja na neutrino za muon. Katika mgodi, waligeuza viini vya hidrojeni kuwa muons. Kigunduzi cha Kajita kiliweza kuona chembe zinazokuja pande mbili. Baadhi zilianguka kutoka juu, zikitoka kwenye angahewa, huku nyingine zikisogea kutoka chini. Idadi ya chembe ilikuwa tofauti, ambayo ilionyesha asili yao tofauti - walikuwa katika sehemu tofauti za mizunguko yao ya oscillation.
Mapinduzi katika sayansi
Yote ni ya kigeni na ya kustaajabisha, lakini kwa nini msisimko na wingi wa neutrino huvutia watu wengi sana? Sababu ni rahisi. Katika mfano wa kawaida wa fizikia ya chembe iliyokuzwa zaidi ya miaka hamsini iliyopita ya karne ya ishirini,ambayo ilielezea kwa usahihi uchunguzi mwingine wote katika vichapuzi na majaribio mengine, neutrinos zinapaswa kuwa nyingi. Ugunduzi wa wingi wa neutrino unaonyesha kuwa kuna kitu kinakosekana. Muundo wa Kawaida haujakamilika. Vipengele vilivyokosekana bado havijagunduliwa, ama kupitia Large Hadron Collider au mashine nyingine ambayo bado haijaundwa.
