Geistenteilchen: Neutrino

Geistenteilchen: Neutrino

Alexey Levin
Populäre Mechanik ı3, 2010

Während Sie den kurzen Titel dieses Artikels gelesen haben, ist Ihr Körper ungehindert durchgeflogen 1014 Neutrino.

Vor etwa hundert Jahren begannen die Physiker durch das seltsame Verhalten von Elektronen gestört zu werden, die von instabilen Kernen während des Beta-Zerfalls emittiert wurden. Experimentelle Daten zeigten, dass die kinetische Energie dieser Teilchen in ziemlich weiten Grenzen variiert. Gleichzeitig gab es immer mehr Gründe zu glauben, dass solche Kerne diskret und in gleichen Teilen Energie verlieren. Aber in diesem Fall scheint jeder spezifische Typ des Beta-Zerfalls Elektronen mit der gleichen Energie zu erzeugen, aber das ist nicht geschehen. In ähnlicher Weise sah der Vergleich der Winkelmomente, die anscheinend auch nicht fortbestanden, gleich aus.

Im Prinzip kann diese Anomalie durch die Nichtbeachtung der fundamentalen Erhaltungssätze erklärt werden, aber fast alle Physiker hielten dies für ein exzessives Opfer. Die Situation rettete Wolfgang Pauli, ein dreißigjähriger, aber schon berühmter Professor für Theoretische Physik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. Als "letzter Ausweg" (seine eigenen Worte) der Rettung der Gesetze der Erhaltung der Energie undder Drehimpuls Pauli nahm an, dass elektrisch neutrale Lichtteilchen mit halbem Spin im Kern verborgen sind. Er schlug vor, diese hypothetischen Leptonen Neutronen zu nennen. Nach seiner Hypothese tragen sie den Rest der vom Kern verlorenen Energie mit sich, daher muss in jedem Akt des Beta-Zerfalls die Summe der Energien dieses Teilchens und des Elektrons konstant sein.

Pauli verstand, dass seine Idee sehr anfällig für Kritik war. Er berichtete zum ersten Mal in einem Brief vom 4. Dezember 1930 an Radioaktivisten, die in Tübingen versammelt waren, daß er es nicht für möglich halte, seine Hypothese in einer wissenschaftlichen Zeitschrift zu veröffentlichen. Der informelle Charakter dieser Botschaft drückt sich auch in dem Aufruf "Sehr geehrte radioaktive Damen und Herren!" Aus. Als er annahm, dass seine Annahme "fast unglaublich" sei, bat Pauli seine Kollegen immer noch darüber nachzudenken, wie man das hypothetische Teilchen im Experiment erkennen könne.

Neutrinos kamen fast ein Jahr vor dem Dirac-Antielektron in die Physik und auf eine ganz andere Art und Weise. Paul Dirac kam zu dem Schluss, dass es ein Elektron mit positiver Ladung gibt, das versucht, eine vernünftige Interpretation der paradoxen Lösungen seiner Gleichung zu finden.Und das Neutrino als eine rein theoretische Annahme wurde von einem anderen großen Physiker erfunden, ohne irgendeine formale mathematische Begründung in gewissem Sinne, einfach aus Verzweiflung. Bild: Beliebte Mechanik

Sprachinnovation Pauli änderte bald den Adressaten – sie nannten das neutrale Analogon des Protons, das James Chadwick 1932 als Neutron entdeckte. Aber die Idee selbst war äußerst fruchtbar. In den Jahren 1933-1934 entwickelte der Italiener Enrico Fermi eine mathematische Theorie des Beta-Zerfalls unter Beteiligung eines von Pauli vorgeschlagenen Teilchens, das von Fermi als das Neutrino bezeichnet wurde. Allerdings hat er eine völlig neue Art, sein Aussehen zu erklären. Wenn Pauli glaubte, dass sein hypothetisches Teilchen als fertiges Produkt im Kern vorhanden ist, vermutete Fermi, dass Neutrinos gleichzeitig mit der Umwandlung eines der intranukleären Neutronen in ein Proton und ein Elektron geboren werden. Das Proton verbleibt in der Zusammensetzung des Tochterkerns mit der um eins erhöhten Ordnungszahl, und das Elektron und das Neutrino fliegen in den umgebenden Raum. Fermi postulierte, dass die Masse des Neutrinos Null ist (woher es folgt, dass es eine Lichtgeschwindigkeit hat) und dass sein Aussehen Vermittler in der Form irgendwelcher Hilfsteilchen nicht braucht.

Die Fermi-Theorie beschreibt eine andere Art von Beta-Zerfall, bei der Kerne mit einer um eins verringerten Ordnungszahl entstehen. Sie erklärt diesen Zerfall durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron, begleitet von der Freisetzung eines Positrons und eines Neutrinos. Ein Antineutrino wird in seinem Artikel nicht explizit erwähnt, aber seine ganze Logik diktiert seine Existenz. Da ein Positron ein Antiteilchen eines Elektrons ist, ist es natürlich anzunehmen, dass ein Neutrino auch ein Antiteilchen hat. Es wird vermutet, dass während des Beta-Zerfalls von Elektronen Antineutrinos entstehen und während Positronen-Neutrinos (nach der Theorie von Dirac, nach denen Teilchen und Antiteilchen immer paarweise erzeugt werden). In den frühen 1950er Jahren wurde ein Konzept formuliert, das jedem Lepton die Zahl 1 und der Antiepton-Zahl die Zahl -1 zuweist. Bei beiden Arten des Beta-Zerfalls bleiben diese Zahlen (sie werden auch Lepton-Ladungen genannt) erhalten: zuerst gibt es überhaupt keine Leptonen, dann werden Leptonen und Antileptone (Elektron und Antineutrino oder Positron und Neutrino) geboren, und daher bleibt die Lepton-Zahl vor und nach dem Zerfall Null .

Neutrinos haben eine phänomenale Durchschlagskraft. Im selben Jahr 1934 berechneten Hans Bethe und Rudolf Peierls, dass Neutrinos mit Energien in der Größenordnung einiger MeV so schwach mit der Materie wechselwirkendass sie eine tausend Lichtjahre dicke Schicht flüssigen Wasserstoffs leicht überwinden können! Pauli hat während eines Besuchs der kalifornischen Technologie erfahren, dass er eine schreckliche Sache gemacht hat – er hat die Existenz eines Teilchens vorhergesagt, das überhaupt nicht entdeckt werden konnte!

Paulis pessimistische Prognose wurde 1955-1956 widerlegt, nachdem amerikanische Physiker unter der Leitung von Clyde Cowan und Frederick Reynes experimentell die Existenz von Neutrinos bestätigten (für die Reines 1995 den Nobelpreis erhielt, den Cowen nicht erfüllte).

Die Quelle der Neutrinos für ihr Experiment war einer der Reaktoren des Kernkomplexes Savannah River im Bundesstaat South Carolina. Kraftvolle Antineutrino – Ströme (10 Billionen Teilchen pro 1 cm2 pro Sekunde!) erzeugt durch Beta-Zerfälle von Uran- und Plutoniumkernen. Nach Fermis Theorie erzeugt ein Antineutrino ein Positron und ein Neutron, wenn es mit einem Proton kollidiert (dies ist der sogenannte umgekehrte Beta-Zerfall). Diese Transformationen wurden unter Verwendung eines Behälters aufgezeichnet, der mit Sensoren beladen war, die mit einer wässrigen Lösung von Cadmiumchlorid gefüllt waren. Fast alle Antineutrinos gingen ungehindert hindurch, aber in einigen Fällen wechselten sie trotzdem mit Wasserstoffkernen.Die resultierenden Positronen vernichten mit Elektronen und erzeugen ein Paar von Gamma-Quanten mit Energien in der Größenordnung von 0,5 MeV. Neugeborene Neutronen wurden von Cadmiumkernen absorbiert, die Gammastrahlen unterschiedlicher Frequenz emittierten. Die lange Registrierung solcher Gammastrahlung erlaubte es, die Realität des Neutrinos zuverlässig zu beweisen, über die die Experimentatoren Pauli im Juni 1956 ein spezielles Telegramm übermittelten.

Als die Cowan und Reines Gruppe ihr Experiment abschloss, glaubten die Physiker, dass alle Neutrinos gleich seien. In den späten 1950er Jahren jedoch deuteten Theoretiker der Sowjetunion, der Vereinigten Staaten von Amerika und Japans an, dass die Neutrinos, die die Myonenproduktion begleiten, sich von denen der Elektronen und Positronen unterscheiden (diese Idee wurde zuerst ein Jahrzehnt früher zum Ausdruck gebracht, vergaß sie dann aber). . So entstand die Hypothese eines neuen Myon-Neutrinos (natürlich und Antineutrino). 1961-1962 wurde es am Brookhaven National Laboratory bestätigt, und 1988 erhielten Leon Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger dafür den Nobelpreis. Später verstanden Theoretiker und Experimentatoren verifizierten, dass das dritte und massivste geladene Lepton, das Tau-Teilchen,hat auch sein eigenes Neutrino. So beschäftigt sich die Physik nun mit neutralen Leptonen dreier Typen – Elektronen-, Myon- und Tau-Neutrinos. Jedes Leptonpaar entspricht einem Quarkpaar (in der gleichen Reihenfolge) – einem u-Quark und einem d-Quark, einem c-Quark und einem s-Quark, einem t-Quark und einem b-Quark.

Empfindliche Augen

Neutrino Observatorien neigen dazu, sich tief im Untergrund, unter Wasser oder unter Eis zu verstecken. Kilometerwände und das Dachloch eliminieren verschiedene Interferenzen, aber für die alles durchdringenden Neutrinos schaffen selbst tausende Kilometer Fels keine nennenswerten Hindernisse. Japanisches Observatorium Super kamiokande befindet sich in einer Tiefe von 1000 m in einer alten Zinkmine Motsumi 180 km von Tokio entfernt. Der Observatoriumsdetektor ist ein Stahlglas mit 50.000 Tonnen ultrareinem Wasser und einem Satz von fast 13.000 solcher hochempfindlicher Photomultiplier, die die Cherenkov-Strahlung aus der Verlangsamung der erzeugten Neutrinos-Myonen im Wasser verfolgen.

Die Existenz von drei Arten von Neutrinos erklärt die paradoxen Ergebnisse der Bestimmung der Flussdichte von Neutrinos, die die Erde erreichen, geboren in thermonuklearen Reaktionen im Zentrum der Sonne. Der erste solare Neutrinodetektor Ray Davis und seine Kollegen installierten in der zweiten Hälfte der 1960er Jahre in einer Tiefe von eineinhalb Kilometern eine Goldmine in South Dakota.Die Ergebnisse ihrer Arbeit erwiesen sich als unerwartet – die Dichte des solaren Neutrinoflusses war mindestens zweimal geringer als der Wert, der dem Modell der intrasolaren Prozesse entspricht (bereits gut entwickelt und als ziemlich zuverlässig angesehen). Im Laufe der Zeit bestätigten Neutrino-Observatorien in Italien, der UdSSR und Japan die Daten der Amerikaner und zeigten mit unterschiedlichem Grad an Überzeugungskraft, dass die solare Neutrino-Flussdichte etwa dreimal geringer ist als die berechnete. Es ist anzumerken, dass das von der Davis-Gruppe auf der Grundlage der Neutrinustransformation von Chlor-37 zu Argon-37 verwendete Nachweisverfahren zuerst von dem aus Fermi in die UdSSR emigrierten italienischen Physiker Bruno Pontecorvo vorgeschlagen wurde.

Die erhaltenen Ergebnisse wurden versucht, auf verschiedene Arten zu interpretieren, aber am Ende triumphierte die Erklärung, die vor mehr als 40 Jahren von Pontecorvo und Vladimir Gribov angeboten wurde. Nach ihrer Hypothese verändern Elektron-Neutrinos, die in den Tiefen der Sonne auf ihrem Weg zur Erde geboren werden, teilweise ihre Natur und verwandeln sich in Myon-Neutrinos. Die Detektoren, über die wir gesprochen haben, haben sie nicht registriert (oder fast nicht registriert), also waren die Ergebnisse zu niedrig.Als sich herausstellte, dass es drei verschiedene Neutrinos gab, wurde deutlich, warum die gemessenen Parameter dreimal weniger als erwartet ausfielen.

Minos-Experiment (Hauptinjektor-Neutrinooszillationssuche) wurde entwickelt, um Neutrinooszillationen zu beobachten. Entsprechend dem Unterschied in der Anzahl registrierter Myon – Neutrinos von zwei Detektoren (einer in Fermilabdie zweite, 720 km davon, in Minnesota), wird es möglich sein, eine Schlussfolgerung über das Vorhandensein von Schwingungen zu machen. Bild: Beliebte Mechanik

Die komplizierte Natur der Neutrinos wurde von den Mitarbeitern des kanadischen Neutrino-Observatoriums am zuverlässigsten nachgewiesen.Sudbury-Neutrino-Observatorium). Sie dienten als Detektor, der in der bestehenden Grube (in einer Tiefe von 2 km) installiert wurde, die aus Plexiglas bestand und mit Tausenden von Tonnen schwerem Wasser gefüllt war. Dieses Neutrinoteleskop wurde mit zwei verschiedenen Methoden nachgewiesen – eine registriert nur Elektron-Neutrinos, die andere – alle. Im Frühjahr 2002 gaben Experimentatoren bekannt, dass der zweite Indikator dreimal so hoch war wie der erste. Dies bedeutete, dass die erforderliche Anzahl von Elektron-Neutrinos auf der Sonne geboren wurde, aber auf dem Weg zur Erde wird ein Drittel von ihnen zu Myonen und ein weiteres Drittel zu Tau-Neutrinos (dieser Vorgang wird als Neutrino-Oszillation bezeichnet).

Das Vorhandensein von Schwingungen ist wirklich grundlegend.Sie sind nur möglich, wenn die Neutrinos in allen ihren Formen eine Masse ungleich Null haben. Sein Wert wurde noch nicht genau gemessen; wahrscheinlich ist es der Bruchteil eines Elektronenvolts, der mindestens eine Million mal kleiner ist als die Masse eines Elektrons. Die Tatsache, dass es existiert, erlaubt uns jedoch, die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zu erklären.

Terrestrischer Ursprung

Oszillationen werden nicht nur in Neutrino-Flüssen außerirdischen Ursprungs gesucht, sondern auch in künstlich erzeugten Neutrino-Strahlen. Ein solches Experiment Booster-Neutrino-Experiment (Boone)im Jahr 2002 kommen Fermilabwo Neutrinos unter Verwendung eines 8-GeV-Protonenbeschleunigers erhalten werden. Neutrinos werden durch Impulse mit einer Dauer von 1,5 ms fünfmal pro Sekunde erzeugt. Der Strahl wird zum Detektor geschickt – ein kugelförmiger Behälter mit hochreinem Mineralöl, das 15 enthält20 hochempfindliche elektronische Photomultiplier, die die Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie durch eine charakteristische Spur – den Kegel der Cherenkov-Strahlung – markieren. Solche Ereignisse treten ungefähr einmal alle 20 Sekunden auf (1 Million Ereignisse pro Jahr). Analysiert man die Position der Photomultiplier, auf die das Licht fällt, können Physiker das resultierende Teilchen bestimmen – das Lepton (Elektron, Myon oder Tau) und damit die Art des Neutrinos, die es erzeugt hat.Vergleicht man die anfängliche Anzahl von Neutrinos desselben Typs mit der Anzahl, die nach dem Passieren eines bestimmten Pfades verbleibt, können wir Rückschlüsse auf das Vorhandensein oder Fehlen von Neutrinooszillationen ziehen.

Ringe aus Licht
Das Licht, das empfindliche elektronische Photomultiplier sehen können, ist Cherenkov-Strahlung. Es entsteht durch die Verlangsamung von Teilchen, die aus der Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie in einem Kugeltank mit einem Durchmesser von 12 m entstehen, der mit 800 Tonnen Öl gefüllt ist. Bild: Beliebte Mechanik

Die Geschichte über kosmische Neutrinos wird sich als unvollständig erweisen, wenn nicht zu erwähnen ist, dass neben hochenergetischen Neutrinos, die im Inneren von Sternen und Supernova-Explosionen entstanden sind, sehr niederenergetische Neutrinos aus dem Urknall existieren. Die berechnete Dichte dieser Reliktpartikel stimmt mit der Dichte von Reliktphotonen überein, aber es ist immer noch unmöglich, sie zu erkennen (es gibt keine Vorrichtungen).

Im Jahr 1937 veröffentlichte der frühe, phänomenal begabte italienische theoretische Physiker Ettore Majoran den Artikel "Die symmetrische Theorie eines Elektrons und Positrons". Nach seiner Theorie sind elektrisch neutrale Teilchen und Antiteilchen völlig identisch und daher nicht voneinander zu unterscheiden.Neutrinos mit diesen Eigenschaften spielen eine Schlüsselrolle in der Theorie, die die kosmische Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erklärt.

"Wenn ein Neutrino keine Masse hat, ist die Frage, ob es sich von seinem Antiteilchen unterscheidet oder mit ihm übereinstimmt, bedeutungslos. Aber das Vorhandensein von Masse bedeutet, dass beide Möglichkeiten möglich sind. Im ersten Fall heißt das Neutrino Dirac, in der zweiten – Majorana. Und es ist noch nicht bekannt, wie die Natur es entsorgt hat ", sagte Andre de Guvea, Professor für Theoretische Physik an der Northwestern University, zu Popular Mechanics. – Bisher haben Experimente gezeigt, dass Leptonzahlen in allen Kernreaktionen streng erhalten bleiben. Wenn das Neutrino ein Dirac-Teilchen ist, sollte dieses Gesetz niemals verletzt werden. Aber für die Majorana-Neutrinos kann sie nur näherungsweise beobachtet werden und erlaubt daher Verletzungen. Experimentatoren wissen sogar, wo sie zu finden sind. Es gibt einen solchen intranukleären Prozess, doppelten Beta-Zerfall: Zwei Neutronen werden auf einmal Protonen und emittieren ein Paar Elektronen und ein Paar Antineutrinos. Diese Transformationen treten äußerst selten auf, treten jedoch immer noch auf.Jetzt gibt es viele Orte, wo sie versuchen, den doppelten neutrinolosen Betazerfall zu entdecken – der Kern springt zwei Positionen nach rechts auf das Periodensystem mit der Emission von nur Elektronen. Und wenn es gefunden wird, muss man zustimmen, dass die Lepton-Zahl möglicherweise nicht konserviert wird und dass das Neutrino als ein Majorana-Teilchen betrachtet werden sollte. "

Eisfischen
An einem etwa 2 km tiefen Loch in der Eishülle der Antarktis, das das AMANDA-Neutrinoteleskop bildet, legen Wissenschaftler ein Kabel mit empfindlichen Photodetektoren an (Antarktischer Myon- und Neutrino-Detektor-Array). Der Globus dient als Schutzfilter für dieses Teleskop, das Neutrinos aus den Tiefen des Weltraums aufnimmt. Bild: Beliebte Mechanik

In allen Experimenten werden Neutrinos beobachtet, in denen der Spin dem Impuls entgegengesetzt ist – solche Teilchen werden als linkshändige Teilchen bezeichnet. In Antineutrinos sieht der Spin in die gleiche Richtung wie der Impuls – das sind rechtshändige Teilchen. Aber wenn ein Neutrino der Majoran-Gleichung gehorcht, kann es sich in schwachen Wechselwirkungen und als ein Teilchen mit der richtigen Orientierung manifestieren. Es stimmt, im Experiment wurden ähnliche Neutrinos nicht gefunden, aber das ist nicht fatal.Es kann angenommen werden, dass aufgrund der riesigen Masse in der Größenordnung von 1014-1016 GeV wurden sie nur in der Zusammensetzung super-heißer Materie geboren, die zum ersten Mal Momente nach der kosmologischen Inflation existierte. Da sie extrem instabil waren, lösten sie sich fast sofort auf und entstanden aufgrund der fortschreitenden Abkühlung des Universums nicht mehr.

Und hier beginnt der Spaß. Supermassive Majorana-Neutrinos oder einfach Mayerane werden in Higgs-Bosonen und Leptonen umgewandelt. Da Lepton-Zahlen in diesen Zerfällen nicht konserviert sind, können sie mehr Elektronen als Positronen erzeugen. Ebenso muss die Anzahl der neu geborenen leichten Neutrinos nicht mit der Anzahl der Antineutrinos übereinstimmen. Als Ergebnis erscheint eine Nicht-Null-Lepton-Zahl im Universum, die nach dem vollständigen Zerfall des gesamten Majorans praktisch unverändert bleibt. Dieser Prozess wird als Leptogenese bezeichnet.

Große Vernichtung

Nach allgemein akzeptierten kosmologischen Theorien, nach dem Verlassen der Inflation Expansionsphase, das Universum (sein Alter war damals 10-34 c) enthielt genau die gleiche Menge an Materie und Antimaterie. Dann gab es Prozesse, die sie vollständig von Antimaterie befreiten, aber etwas von der Materie behielten.So entstand eine Population von Protonen, Neutronen und Elektronen, die später zum Rohstoff für die Herstellung aller Atome unserer Welt wurde.

Derzeit für alle 5 m3 Der Weltraum hat im Durchschnitt eine Milliarde Quanten relativer elektromagnetischer Strahlung, ein Elektron und ein Proton, die aus drei Quarks bestehen. Die Anzahl der Neutronen ist um so weniger, und sie werden nicht im freien Zustand gefunden. Aber Positronen, Antiprotonen und Antineutronen sind zwar an manchen Stellen geboren, aber in einer so kleinen Zahl, dass sie auf einer kosmologischen Skala vernachlässigt werden können. Aber das war nicht immer der Fall. Als das Alter des Universums sich einer Millionstelsekunde näherte, gab es für jede Milliarde Quanten etwa 3 Milliarden Antiquarks und 3 Milliarden und 3 Quarks. Sie traten in die Vernichtung ein, die alle Antiquarks "aß", aber einen winzigen Bruchteil der Quarks zurückließ, die Antipartners nicht lebend fanden. Die überlebenden Quarks verbanden sich zu Protonen und Neutronen, die nicht länger als vier oder fünf Mikrosekunden dauerten. Als das Alter des Universums eine Sekunde erreichte, wurden die Positronen, die sich in der gleichen unbedeutenden Ungleichheit mit Elektronen befanden, vernichtet und verschwanden.Und so erschien das Universum, in dem sich die Antimateriendichte praktisch nicht von Null unterscheidet.

Aber wenn es zunächst kein Ungleichgewicht zwischen Teilchen und Antiteilchen gab, wie ist es entstanden? Physiker und Kosmologen streiten seit mehreren Jahrzehnten darüber, aber bisher sind sie sich nicht einig. In den letzten Jahren wurde jedoch eine Theorie vorgeschlagen, die überzeugender zu sein scheint als konkurrierende Modelle. Als eine Erklärung zieht es Quantentransformationen an, die Neutrinos mit sehr hoher Energie involvieren.

Dies ist nicht das Ende der Geschichte. Die Wechselwirkung zwischen den Leptonen ultrahoher Energien, die nach dem Zerfall der Majorana zurückblieben, kann zum Auftreten von Quarks und Antiquarks führen, die vorher einfach nicht existierten. Dies ist Baryogenese – das Auftreten von Baryonen, Teilchen, die an starken Wechselwirkungen beteiligt sind. Es gibt plausible Szenarien, in denen das Ungleichgewicht zwischen Leptonen und Anti-Blinds zu einem Überschuss an Quarks gegenüber Antiquarks, Baryonen gegenüber Anti-Baryonen, wird. Und dann geschah die Große Vernichtung mit all ihren Konsequenzen. Die Baryogenese durch Leptogenese ist die populärste Interpretation des Antimaterie-Mangels in unserem Universum.

"Das ist natürlich nur eine Theorie", erklärt Professor de Guvea. – Wir wissen nicht einmal, ob es möglich ist, ein Neutrino als ein Majorana-Teilchen zu betrachten. Wenn diese Hypothese experimentell bestätigt wird, werden sich die Positionen des Leptogenese-Modells deutlich verstärken. "

Derzeit erklärt das Modell mit der Beteiligung von Majorana-Neutrinos am besten das Geheimnis der absoluten Vorherrschaft der Materie über Antimaterie in unserem Universum, sagt Ex-Präsident der American Physical Society, theoretische Physikerin Helen Quigg von der Stanford University. Sie stellt fest, dass die Geburt von Neutrinos im Zerfall von Majoran uns erlaubt, ihre unbedeutende Masse zu erklären – eine sehr schöne Theorie, der sogenannte Säge-Säge-Mechanismus, wurde dafür erfunden. Dr. Quigg betonte jedoch, dass diese Idee in absehbarer Zeit nicht durch Experimente verifiziert werden könne. Gemäß ihr ist es sogar möglich, dass dieses Modell eine schöne Hypothese bleiben wird.

Tiefe Verbindung

Versuche, ein schwer fassbares (oder fast schwer fassbares) Teilchen – das Neutrino – zu nutzen, begannen kurz nach seiner experimentellen Detektion. Diese Gelegenheit wird diskutiert und Science-Fiction-Autoren und Wissenschaftler.

Um Informationen an Bord des U-Bootes in einer untergetauchten Position zu übertragen, werden VLF-Bänder verwendet.(sehr niedrige Frequenzen, Einheiten von kHz, nahe der Oberfläche, bis zu 50 Bit / s) und ELF (extrem niedrige Frequenzen, einige Dutzend Hz, in einer Tiefe von 1 Bit pro Minute). Laut Patrick Huber vom Virginia Polytechnic Institute (Virginia Tech), die Verwendung von Neutrinos wird es ermöglichen, die Geschwindigkeit des Informationstransfers bis zu 1-100 bit / s sogar in großen Tiefen zu erhöhen. Um Informationen zu erhalten, müssen Sie das U-Boot mit Myon-Detektoren oder superempfindlichen Photodetektoren ausstatten.

Zum ersten Mal wurde die Möglichkeit, Informationen mittels Neutrinos zu übertragen, 1967 von dem Physiker Méchislav Subotovich in der polnischen Fachzeitschrift geäußert Postepy Techniki Jadrowej ("Schritte der Kerntechnik"). Im selben Jahr wurde der Roman "Die Stimme des Himmels" von Stanislav Lem veröffentlicht, basierend auf der Möglichkeit einer Neutrinoverbindung.

Eine Gruppe von Forschern aus dem Naval Research Laboratory, im Jahr 1977 in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft Der Artikel "Kommunikation mit Neutrinostrahlung" (Telekommunikation mit Neutrino-Strahlen), verfolgt eher weltliche Ziele. Genauer gesagt, insbesondere unter Wasser – zur Kommunikation mit Atom-U-Booten im Kampfeinsatz. Zugegebenermaßen erlaubte es das damalige technische Niveau nicht, ein solches System in der Praxis zu implementieren.Aber seither taucht diese Idee regelmäßig auf den Seiten wissenschaftlicher Zeitschriften auf, obwohl die Möglichkeiten moderner Myonenspeicherringe zur Erzeugung von Neutrino-Strahlen für eine sichere Kommunikation noch nicht ausreichen. Es ist möglich, dass auf diese Weise Informationsübertragungsraten von 1 bis 100 Bits pro Sekunde erreicht werden können.

In den letzten Jahren wurden exotischere Projekte diskutiert. Zum Beispiel, mit einem fokussierten Neutrino-Strahl, durchleuchten Sie die Dicke der Erde auf der Suche nach Bunkern mit Atomwaffen (und deaktivieren Sie sogar seine Reserven). Es wird angegeben, dass zur Durchführung der ersten Aufgabe Strahlen mit einer Energie von Teilchen von 10 TeV erforderlich sind, für die zweite etwa 1 PeV (1015 eV). Ist es erwähnenswert, dass das Empfangen und Targeting solcher Strahlen noch weit über moderne Technologien hinausgeht?

Theoretischer Physiker von Fermilab Stephen Park, auf Wunsch von PM, sprach über einige sehr fantastische Neutrinotechnologien: "Wenn wir uns auf der anderen Seite unserer Galaxis mit Zivilisationen verbinden wollen, dann können nur Neutrino-Strahlen diese Möglichkeit bieten. Es gibt Anwendungen auf der Erde: Mit Hilfe eines Neutrino-Telefons könnten Botschaften aus den USA und Europa nach China übertragen werden,Japan und Australien sind 15-20 Millisekunden schneller als herkömmliche Kanäle, direkt durch die Erddicke und nicht über Kabel oder Satellitenkommunikation. Finanzmakler könnten, wenn sie eine solche Verbindung exklusiv zur Verfügung hätten, viel Geld verdienen! "

Obwohl es in letzter Zeit unglaublich schien, dass Neutrinos eine praktische Anwendung finden können, sieht diese Idee jetzt nicht mehr so ​​fantastisch aus. Am Ende des zwanzigsten Jahrhunderts erschienen Detektoren, die mit einer Genauigkeit von bis zu 1,5% die Dichte von starken Neutrinoflüssen mit Teilchenenergien in der Größenordnung von einigen MeV messen. Die Kerne von Brennelementen werden üblicherweise aus einer Mischung von Uran-235 und Uran-238 hergestellt, die während der Kettenspaltungsreaktionen Neutronen und Antineutrinos emittieren. Die Kerne von Uran-238 absorbieren Neutronen und verwandeln sich in Plutonium-239-Kerne, die wiederum in eine Kettenreaktion übergehen und wieder zu Quellen von Antineutrinos werden. Da die Intensität der Antineutrino-Produktion durch verschiedene Isotope nicht gleich ist, ändern sich die Raten der Erzeugung dieser Partikel im Laufe der Zeit. Die kontinuierliche Überwachung der Neutrinoflussdichte ermöglicht es, die Wirkungsweise des Reaktors und die Konzentration verschiedener Isotope in seinem aktiven Kern zu beurteilen.

Eine der möglichen Konstruktionen der "Neutrino-Fabrik" (Neutrino-Fabrik) – eine Kaskade von Beschleunigern, die Protonen auf Energien in der Größenordnung von einigen GeV beschleunigen und sie zu einem Quecksilberziel führen, um Pionen zu erhalten, die dann in Myonen zerfallen. Sie werden mit Hilfe einer weiteren Beschleunigerkaskade auf Energien von einigen zehn GeV beschleunigt und an Speicherringe gesendet, wo kollimierte Neutrino-Strahlen während des Zerfalls von Myonen erhalten werden. Bild: Beliebte Mechanik

Physiker vom Livermore National Laboratory und Sandia Laboratory haben drei Prototypen von kompakten Antineutrino-Detektoren entwickelt. Sie wurden im südkalifornischen Kernkraftwerk getestet. Kernkraftwerk San Onofre (Lieder). In diesen Zählern wurde die Reverse-Beta-Zerfallsreaktion registriert, mit der die Cowan und Reynes-Gruppe erstmals die Pauli-Hypothese experimentell bestätigten.

Der erste SONGS1-Detektor trat Ende 2003 in Kraft. Es war mit einer Substanz mit einer hohen Konzentration von Wasserstoff gefüllt, der Gadolinium hinzugefügt wurde und die gleiche Rolle wie Cadmium im Experiment von Cowan und Reynes spielte. Positronen, die durch Reverse-Beta-Zerfall entstanden sind, vernichten mit Elektronen und Gadolinium absorbiert die zugehörigen Neutronen. Diese Reaktionen führten zu einem Paar Gammastrahlenblitzen.Diese Blitze wurden in Intervallen von 30 Mikrosekunden erzeugt und mit Photomultipliern aufgezeichnet. Von 1017 Antineutrinos, die täglich in den Detektor eindrangen, kollidierten nur 4.000 mit szintillierenden Fluidprotonen, und nur 400 von ihnen hinterließen zuverlässige "Signaturen". Die SONGS2- und SONGS3-Detektoren, die 2007 installiert wurden, enthielten auch Gadolinium, jedoch arbeitete in der ersten ein Festpolymerszintillator, und im zweiten wurde Reinstwasser als solches verwendet. Im Sommer 2008 wurden die Detektoren demontiert und die Wissenschaftler begannen, die erzielten Ergebnisse zu analysieren. Gegenwärtig entwickeln die Entwickler dieser Einrichtungen zusammen mit Mitarbeitern der Universität Chicago Neutrinometer der nächsten Generation auf Argon und Germanium. Zwei solcher Detektoren sollen bereits in diesem Jahr installiert werden.


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