Какво е неутрино?
Неутрино са фундаментални частици, които изграждат част от Вселената. Те са едни от най-слабо изучените частици.
Неутрино приличат на добре познатите ни електрони, но имат една значителна разлика – те нямат електричен заряд. Понеже неутрино са електронеутрални частици, на тях не им действа електромагнитната сила. На неутрино им действа само „слаба” сила на податомно ниво, която има много по-малък обхват от електромагнитната сила и за това имат способността да преминават безпрепятствено през материята без да бъдат повлияни от нея. Ако неутрино имат маса, на тях им влияе и гравитацията, но тя е най-слабата сила от четирите фундаментални и практически не указва никакво влияние на неутрино.
Има три вида неутрино, съответстващи на три заредени частици: електронно неутрино, мюонно неутрино и тау неутрино. Тези частици са важни за разбирането на звездите, Вселената и допълването на Стандартния модел. За тази цел в последните години се строят специални обсерватории за наблюдаване и изследване на неутрино. Понеже неутрино си взаимодействат много слабо с околната среда, неутрино детекторите са много големи и често са дълбоко под земята.
Супер Камиоканде
Супер Камиоканде (или Супер-К за по-кратко) е неутрино обсерватория в Япония. Нейното предназначение е да търси разпадащи се протони, да изучава слънчевите и атмосферни неутрино и да следи за избухвания на свръхнови в нашата галактика.
Супер-К се намира на 1000 метра под земята в изоставена мина близо до град Хида. Той съдържа 50 000 тона чиста вода, обградена от около 11 200 фотоелектрични множители . Цилиндричната структура е висока 41,4 метра и е широка 39,3 метра. Взаимодействието на неутрино с електрони или ядра от водата може да доведе до частица, движеща се със скорост, по-голяма от тази на светлината във вода (но по-малка от скоростта на светлината във вакуум). Това поражда конус от светлина, познат като „ефект на Черенков”, който е оптичният еквивалент на свръхзвуковия гръм. По чертите на това проблясване може да се установи вида и посоката на неутрино частицата. Разликата във времената на засичане на проблясъка от детекторите на стените, дъното и тавана показват посоката на неутриното. Колкото е по-голяма разликата във времената на засичане, толкова е по-голям ъгъла от хоризонта на частицата. Според остротата на ъгъла на конуса се определя типа неутрино. При електронните неутрино разпръскването на електрони е голямо, което води до мъгляви конуси светлина, докато при релативистични (движещи се със скорост, съизмерима с тази на светлината) мюонни неутрино се наблюдават пръстени.
Конструкцията на Подземната обсерватория Камиока (предшественик на настоящата обсерватория Камиока) към Токийския университет започна през 1982 г. и беше завършена през април 1983 г.. Целта на обсерваторията беше да засече разпадане на протони – един от най-фундаменталните въпроси на физиката на елементарните частици. Детектора, наречен KamiokaNDE, представляваше резервоар с 3000 тона чиста вода и около 1000 фотомножителни тръби (ФМТ), прикрепени към вътрешните страни на стените. Резервоарът беше 16 метра висок и 15,6 метра в диаметър. През 1985 г. започна надграждането на детектора с цел наблюдаване на слънчеви неутрино. След пускането на обновения детектор (KamiokaNDE-ІІ) той беше достатъчно чувствителен да засече неутрино от SN 1987А – свръхнова от Големия магеланов облак, наблюдавана през февруари 1987 г.. Слънчеви неутрино бяха наблюдавани през 1988 година, което отбеляза напредъка в неутрино астрономията и неутрино астрофизиката. Камиоканде доказа, че Слънцето е източник на неутрино частици.
Въпреки наблюденията на неутрино, Камиоканде не засече разпадане на протони – главната му цел. Дори беше нужна по-голяма чувствителност даже и за засичане на неутрино с висока статистическа точност. Това доведе до конструиране на Супер-Камиоканде с десет пъти повече вода и ФМТ от предшествениците си. Той започна работа през 1996 година.
Супер-К откри факта, че неутрино осцилират и потвърди прогнозата на някои физици, че неутрино имат маса, макар и малка.
На 12 ноември 2001 година няколко хиляди ФМТ имплодираха, очевидно предизвиквайки шокова вълна. През юни 2006 година бяха добавени 6000 ФМТ и Супер-Камиоканде-ІІІ започна работа.
Неутрино обсерваторията Съдбъри (НОС)
НОС е разположена на 2073 метра под земята в мина близо до Грейтър Съдбъри, Онтарио, Канада. Детектора е предназначен да засича слънчеви неутрино, като наблюдава взаимодействията им с деутериеви ядра и атомни електрони. Детектора започна работа през 1999 г., а спирането му е предназначено за края на 2006 година.
Първото слънчево неутрино е било засечено през 1960-те, а до преди пускането на НОС всички детектори отчитали само половината неутрино, които били предвидени от Стандартния слънчев модел. Когато няколко експеримента потвърдиха този дефицит на неутрино, той стана известен като „проблема със слънчевите неутрино”. През десетилетията са давани много идеи в опити да обяснят този ефект, една от които беше хипотезата, че неутрино сменят вида си. НОС е изключително чувствителен към електронните неутрино, но не и към мюонните и тау неутрино. НОС е проектиран да провери, дали неутрино сменят вида си, като едновременно измери общия поток на неутрино и потока на електронните неутрино.
Детектора на НОС представлява акрилен съд с радиус 6 метра, в който има 1000 тона „тежка вода”. Кухината около детектора е запълнена с нормална вода за да поддържа едновременно акрилния съд и да служи като радиационен щит. Тежката вода се наблюдава от 9600 ФМТ, монтирани на геодезична сфера с радиус 850 сантиметра. Експеримента не наблюдава пряко неутрино частици, а следи за електрони, движещи се със скорост близка до тази на светлината. При загубата на енергия, тези електрони излъчват светлина (ефекта Черенков), която бива засичана от ФМТ. НОС е чувствителен към три различни неутрино взаимодействия и чрез изучаването им, той може да провери дали неутрино сменят вида си.
– Реакция зареден ток. При това взаимодействие неутрино конвертира неутрон в деутрон (ядро на деутериев атом), който се превръща в протон. При тази реакция се абсорбира неутрино, а се освобождава електрон. Слънчевите неутрино имат енергия, по-малка от масата на мюоните и тау частиците така, че само електронните неутрино могат да участват в тази реакция. Електрона отнася по-голямата част от енергията на неутриното, която е в порядъка 5-15 MeV и може да бъде засечена. Новополученият протон няма достатъчно енергия, за да бъде засечен. Електроните, получени чрез тази реакция, се разпръскват във всички посоки, но има тенденция те да се движат в посока, обратна на посоката на абсорбираното неутрино.
– Реакция неутрален ток. При тази реакция неутриното се отделя от деутрона, при което той се чупи на неутрон и протон. Неутриното продължава с доста ниска енергия и всичките три вида неутрино могат да участват в тази реакция. Тежката вода (вода с деутерий, вместо водород) има голямо напречно сечение за неутрино и когато неутрон достигне до деутериево ядро се отделя гама лъч с енергия 6 MeV. Посоката на гама лъча няма никаква връзка с местоположението на Слънцето. Някои от неутроните достигат отвъд тежката вода и влизат в резервоара с нормалната вода и след като тя има много голямо напречно сечение за прехващане на неутрони, те биват абсорбирани много бързо. При този процес се отделя гама лъч с енергия 2 MeV, което е под възможностите на детекторите.
– Еластично разпръскване на електрони. При тази реакция неутрино се сблъсква с електрон, обикалящ атомно ядро и му придава част от енергията си. Всичките три вида неутрино могат да участват в тази реакция, чрез обмяна на неутралния Z-бозон, а електронните неутрино участват и чрез обмяна на заредени W-бозони. Поради тази причина засечените електронни неутрино са повече от останалиите два вида. По този начин функционира и Супер-Камиоканде обсерваторията, за която стана дума по-горе. Това взаимодействие е релативистичният еквивалент на билярда и поради тази причина получените електрони обикновено се движат в посока на неутрино, т.е. избягват от Слънцето. Понеже в реакцията влизат атомните електрони, тя се наблюдава еднакво и в двата контейнера – с тежка и лека вода.
На 18 юни 2001 година бяха публикувани първите резултати от наблюденията на обсерваторията. НОС установи, че неутрино сменят вида си (осцилират) докато преминават през Слънцето. Тази осцилация показва, че неутрино имат маса, различно от нула. Общият брой на преминалите през НОС неутрино е много близък до предвидения от моделите.
НОС може да бъде използван и за засичане на неутрино от свръхнови. Неутрино пътуват по-бързо от фотоните и така ако детектора е включен може да се получи информация, която да даде представа на астрономите къде ще избухне свръхнова.
MINOS
MINOS (Main Injector Oscillation Search) е експеримент във Фермилаб, предназначен да изучава феномена неутрино осцилации, за първи път наблюдаван в Супер-К през 1989 година. Неутрино, получени чрез NuMI (Neutrinos at Main Injector) лъчи биват наблюдавани от два детектора – единия много близко до началото на лъча (близкия детектор), а другият (който е по-голям) на 735 км от началото на лъча (далечния детектор). На 30 март 2006 година екипа на MINOS обяви, че анализа на данните, получени през 2005 година е в съответствие с модела на неутрино осцилациите.
Далечният детектор тежи 5400 тона. Той се намира в мината Соудан в Северна Минесота на дълбочина 716 метра. Далечният детектор работи от лятото на 2003 година и получава данни за атмосферни мюони и неутрино още от времето на конструирането си. Близкият детектор е подобен на далечния, но е много по-малък – тежи само 980 тона. Той се намира в Националната лаборатория Ферми на няколкостотин метра от протонната мишена на около 100 метра под земята. Близкият детектор беше завършен през декември 2004 година и в момента е напълно функционален. Експеримента MINOS започна да засича неутрино от NuMI лъча през февруари 2005 година.
NuMI лъч? Това е сноп от неутрино частици. За да се направи такъв лъч трябва да се блъскат протони с енергия 120 GeV в графитна мишена, охлаждана с вода. В резултат на сблъсъците се получават пиони и каони (вид хадрони), които биват фокусирани чрез система от магнитни рогове. Пионите и каоните се разпадат, при което се отделят неутрино частиците, формиращи NuMI лъча.
Взаимодействията на неутрино частиците в близкия детектор имат за цел да измерят първоначалния поток на мюонните неутрино и техният енергиен спектър. Понеже неутрино си взаимодействат много слабо с материята, те преминават през близкия детектор, продължават през 735-километровата скала и почва, преминават през далечния детектори и продължават в космоса. По пътя им към Соудан част от мюонните неутрино частици осцилират и се трансформират в други типове. MINOS измерва количеството мюонни неутрино в близкия детектор и количеството им в далечния детектор и така става ясно какъв процент от мюонните неутрино осцилират и разликата в енергиите им. Двата детектора на MINOS са стоманени скинтилатори (устройства, абсорбиращи високоенергийни частици и излъчващи определена флуоресцентна светлина). MINOS има възможността да разграничава неутрино от анти-неутрино взаимодействията, което дава възможност да се тества теорията на СРТ-симетрията.
