Jedno dugoročno pitanje od posebnog interesa je takozvani problem solarnih neutrina. Ovo ime se odnosi na činjenicu da je nekoliko terestričkih eksperimenata, koji su rađeni protekle tri decenije, dosljedno posmatralo manje solarnih neutrina nego što bi bilo potrebno za proizvodnju energije emitovane od Sunca. Jedno od mogućih rješenja je da neutrini osciliraju – tj. Elektronski neutrini stvoreni na Suncu prelaze u muon- ili tau-neutrino dok putuju na Zemlju. Zbog toga što je mnogo teže izmjeriti niskoenergetski muon- ili tau-neutrino, takva konverzija bi objasnila zašto nismo primetili tačan broj neutrina na Zemlji.
Tag Archives: neutrini
Iznenađujući eksperiment iz fizike je otkrio česticu koja ne bi trebala postojati
Površinski objekat za eksperiment IceCube, koji se nalazi ispod 1,6 kilometara leda na Antarktiku. IceCube sugeriše da duh neutrini ne postoje, ali novi eksperiment pokazuje suprotno.
Kredit: IceCube Neutrino opservatorije
Naučnici su proizveli čvrste dokaze o takozvanim sterilnim neutrinama, misterioznim česticama koje prolaze kroz materiju, bez interakcije sa njom.
Prvi nagovještaji ovih čestica pojavili su se prije nekoliko decenija. Ali nakon godina posvećenih pretraživanju, naučnici nisu mogli pronaći nijedan drugi dokaz za njih, uz mnoge eksperimente koji su u suprotnosti sa tim starim rezultatima. Ovi novi rezultati sada ostavljaju naučnike sa dva robustna eksperimenta koji pokazuju postojanje sterilnog neutrina, iako drugi eksperimenti i dalje ukazuju na to da sterilni neutrini uopšte ne postoje.
To znači da se u Univerzumu nešto čudno dešava što čini najsavremenije fizičke eksperimente čovječanstva u suprotnosti jedne s drugima.
Sterilni neutrini
Sredinom devedesetih godina, detektor neutrino tečnog scintilatora (LSND), eksperiment u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos u Novom Meksiku, otkrio je misterioznu novu česticu: “sterilni neutrino” koji prolazi kroz materiju bez interakcije sa njom. Ali taj rezultat se ne može replicirati; drugi eksperimenti jednostavno nisu mogli pronaći nikakav trag skrivene čestice. Tako je rezultat bio zanemaren.
Sada, MiniBooNE – eksperiment u Fermi National Accelerator Laboratoriji (Fermilab), koji se nalazi blizu Čikaga – ponovo je pokupio miris skrivenih čestica. Novi papir objavljen na serveru preprinta arXiv nudi toliko dovoljno pouzdane dokaze o nedostajućem neutrinu da su fizičari digli alarm u vezi toga.
Ako novi rezultati MiniBooNE-a budu ispravni, “To bi bilo ogromno, to je van standardnog modela, što bi zahtjevalo nove čestice … i potpuno novi analitički okvir”, rekla je Kate Scholberg, fizičarka čestica na Duke Univerzitetu koja nije bio uključena u eksperiment.
Standardni model fizike dominirao je naučnicima da shvataju Univerzum više od pola vijeka. To je lista čestica koja, zajedno, idu dug put ka objašnjenju kako materija i energija interaguju u kosmosu. Neke od ovih čestica, poput kvarkova i elektrona, prilično se mogu zamisliti: oni su građevinski elementi atoma koji čine sve što ćemo ikada dodirivati rukama. Drugi, poput tri poznata neutrina, su apstraktniji: oni su visoko-energetske čestice koje protiču kroz univerzum, jedva su u interakciji sa drugom materijom. Milijarde neutrina sa Sunca prolaze kroz nas svake sekunde, ali uglavnom nemaju nikakav uticaj na čestice napeg tijela.
Elektronski, muonski i tau neutrini – tri poznata “ukusa” – međutim, međusobno djeluju sa materijom, iako kroz slabu silu (jednu od četiri osnovne sile Univerzuma) i gravitaciju. (Njihovi antimaterijski blizanci ponekad imaju veze i sa materijom.) To znači da ih specijalizovani detektori mogu naći, izlazeći iz Sunca, kao i iz određenih ljudskih izvora, kao što su nuklearne reakcije. Ali eksperiment LSND-a, Scholberg je rekao za Live Science, pružio je prvi čvrst dokaz da ono što ljudi mogu otkriti možda nije puna slika.
Kako talasi neutrina prolaze kroz prostor, periodično “osciliraju”, skakaju napred i nazad između jednog ukusa i drugog, objasnila je ona. I LSND i MiniBooNE uključuju pucanje greda neutrina kod detektora skrivenog iza izolatora kako bi se blokiralo sve drugo zračenje. (U LSND, izolator je bio voda, u MiniBooNE-u, to je dno ulja.) I pažljivo procjenjuju koliko neutrina svake vrste napada detektor.
Oba eksperimenta su sada prijavila više detekcija neutrina nego što opisuje standardni model oscilacije neutrina koji su opisali autori u radu. To sugeriše, napisali su, da neutrini osciliraju u skrivene, teže, “sterilne” neutrine koje detektor ne može direktno detektovati prije osciliranja nazad u detektabilnu oblast. Rezultati MiniBooNE-a su imali standardnu devijaciju mjerenu na 4,8 sigma, samo su sjajni od fizičkih pragova 5,0. (Rezultat 5-sigma ima 1-u-3,5 miliona šanse da je rezultat slučajnih fluktuacija u podacima.) Istraživači su napisali da MiniBooNE i LSND zajedno predstavljaju rezultat od 6,1 sigma (što znači vjerojatnost od jedan u 500 miliona mada su neki istraživači izrazili skeptičan stav o toj tvrdnji.
Ako su LSND i MiniBooNE bili jedini eksperimenti sa neutrinima na Zemlji, Scholberg je rekao, to bi bio kraj toga. Standardni model bi se ažurirao da uključi neku vrstu sterilnog neutrina.
Ali postoji problem. Drugi glavni neutrino eksperimenti, poput podzemnog projekta Oscilacija sa eksperimentom za praćenje emulzije u Švajcarskoj, nisu našli anomaliju koju su sada vidjeli i LSND i MiniBooNE.
Još nedavno, 2017. godine, nakon što Opservatorij IceCube Neutrino na Antarktiku nije uspio da prikaže dokaze o sterilnim neutrinama, istraživači su uložili slučaj na Live Science da je još jedan prijavljeni signal čestica – nedostajućih antineutrina oko nuklearnih reaktora – bila greška i zapravo je rezultat loših proračuna.
Sterilni neutrini nisu bili odbačena ideja, rekao je Šolberg, ali nisu prihvatili nauku.
Rezultat MiniBooNE-a komplikuje sliku čestica.
“Postoje ljudi koji sumnjaju u rezultat”, rekla je ona, “ali nema razloga da mislite da nešto nije u redu [sa samim eksperimentom].”
Moguća je, rekla je ona, da se anomalija u eksperimentima LSND i MiniBooNE može ispostaviti kao “sistematična”, što znači da postoji nečije pitanje o tome kako neutrini interaguju sa eksperimentalnim postavkama koje naučnici još uvijek ne razumiju. Ali, takođe je sve više i više moguće da će naučnici morati objasniti zašto mnogi drugi eksperimenti ne otkrivaju vrlo stvarne sterilne neutrine koji se pojavljuju u laboratorijama Fermilab i Los Alamos Lab. Ako je to slučaj, moraće da revidiraju svoje cijelo razumjevanje Svemira u tom procesu.
Izvor: www.space.com
Nova studija bi mogla da obezbjedi najbolje objašnjenje za tamnu materiju do sad
Šta ako već znamo jednu od čestica tamne materije?
Fizičari koji pokušavaju da razumiju osnovnu strukturu prirode oslanjaju se na dosljedne teorijske okvire koji mogu objasniti ono što vidimo i istovremeno prave prognoze koje možemo testirati.
Na najmanjoj skali elementarnih čestica, standardni model fizike čestica daje osnovu našeg razumjevanja.
Na skali kosmosa, većina našeg razumjevanja zasniva se na “standardnom modelu kosmologije”.
Prema Einsteinovoj teoriji opće relativnosti, ona postavlja Que najviše mase i energije u svemiru i sastoji se od misteriozne, nevidljive materije poznate kao tamna materija (što čini 80 posto materije u svemiru) i tamne energije.
Tokom proteklih nekoliko decenija, ovaj model je bio izuzetno uspješan u objašnjavanju širokog spektra posmatranja našeg univerzuma.
Ipak, i dalje ne znamo šta čini tamnu materiju – znamo samo da postoji zbog gravitacionog djelovanja na klasterima galaksije i drugim strukturama.
Nekoliko čestica je predloženo kao kandidat, ali ne možemo sigurno reći koja jedna ili više čestica čine tamnu materiju.
Sada nova studija – koja nagovještava da izuzetno lagane čestice koje nazivaju neutrini vjerovatno čine nešto tamne materije – dovodi u pitanje trenutno razumjevanje njegovog sastava.
Vruće i hladno
Standardni model smatra da je tamna materija “hladna”. To znači da se sastoji od relativno teških čestica koje su inicijalno imale lagane pokrete.
Kao posljedica toga, veoma je lahko susjednim česticama da se sastanu da bi se oblikovali objekti vezani gravitacijom.
Prema tome, model je predviđao da univerzum treba da bude napunjen malim “haloima” od mračne materije, od kojih će se neki spajati i formirati progresivno masivnije sisteme – pravljenje “grudvenog” kosmosa.
Međutim, nije nemoguće da je bar neki dio tamne stvar “vruć”.
Ovo bi sadržavalo relativno lake čestice koje imaju vrlo visoke brzine – što znači da čestice mogu lako da pobjegnu iz gustih regiona kao što su galaksije.
Ovo bi usporilo akumulaciju nove materije i dovelo do univerzuma u kojem je formiranje strukture potisnuto (manje grupisano).
Neutrini, koji imaju ekstremno velike brzine, dobar su kandidat za vruću tamnu materiju.
Konkretno, oni ne emituju ili apsorbuju svjetlost – što ih čini “mračnim”.
Dugo se pretpostavljalo da neutrini, koji postoje u tri različite vrste, nemaju masu.
Ali oni su pokazali da mogu da se promjenu (osciliraju) od jedne vrste do druge.
Značajno je da su naučnici pokazali da ova promjena zahtijeva od njih masu – što ih čini legitimnim kandidatom za toplu tamnu materiju.
Međutim, proteklih nekoliko decenija, eksperimenti fizike čestica i različite astrofizičke linije argumenta isključili su neutrine kao potencijalne nosioce većine tamne materije u svemiru.
Štaviše, standardni model pretpostavlja da su neutrini (i vruća tamna materija uopšte) toliko mali da se njihov doprinos tamnoj materiji može potpuno ignorisati (u većini slučajeva pretpostavlja se da je 0 procenata).
I do nedavno, ovaj model je prilično dobro reprodukovao širok spektar kosmoloških opažanja.
Promjena slike
U proteklih nekoliko godina, količina i kvalitet kosmoloških opservacija je naglo porasla.
Jedan od najistaknutijih primjera ovoga bio je pojava “posmatranja gravitacionog zakretanja”.
Opšta relativnost nam govori da materija zakrivljuje prostor-vrijeme, tako da se svjetlost od udaljenih galaksija može odbaciti masivnim predmetima koji leže između nas i galaksija. Astronomi mogu izmjeriti takav odklon kako bi procjenili rast strukture (“grudvstost”) u svemiru preko kosmičkog vremena.
Ovi novi skupovi podataka prezentovali su kosmologima niz načina da detaljno testiraju predviđanja standardnog modela.
Slika koja počinje da izlazi iz ovih poređenja je da raspodjela mase u svemiru izgleda manje grupisana nego što bi trebalo da bude ako je tamna materija potpuno hladna.
Međutim, upoređivanje standardnog modela sa novim skupovima podataka možda nije jednostavno kao prvo mišljenje.
Naročito, istraživači su pokazali da na očitu grudvastost svemira ne utiče samo tamna materija, već i složeni procesi koji utiču na normalnu materiju (protone i neutrone).
Prethodna poređenja pretpostavljala su da normalna materija, koja “osjeća” i gravitaciju i snage pod pritiskom, distribuira kao tamna materija, koja samo osjeća gravitaciju.
Sada je naša nova studija proizvela najveći paket kosmoloških kompjuterskih simulacija normalne i tamne materije do sada (nazvane BAHAMAS).
Takođe smo pažljivo upoređivali širok spektar nedavnih opservacija.
Zaključujemo da je neslaganje između novih opservacionih skupova podataka i standardnog modela hladne tamne materije čak i veće nego što se ranije tvrdilo.
Pogledali smo efekte neutrina i njihove poteze u detalje. Kao što se očekivalo, kada su uključeni neutrini u model, formiranje strukture u kosmosu je isprano, čineći univerzum manje grupisanim.
Naši rezultati sugerišu da neutrini čine između 3 i 5 procenata ukupne mase mračne materije.
Ovo je dovoljno da dosljedno reproducira širok spektar opservacija – uključujući i nova mjerenja gravitacionog lensiranja.
Ako je veći dio tamne materije “vruć”, rast strukture u univerzumu je previše potisnut.
Istraživanje može takođe pomoći da se riješi misterija o tome šta je masa pojedinačnog neutrina.
Iz različitih eksperimenata, fizičari čestica izračunali su da bi zbir tri vrste neutrina trebalo da bude najmanje 0,06 elektron volta (jedinica energije, slična džulima).
To možete pretvoriti u procjenu ukupnog doprinosa neutrina tamnoj materiji, a vrijedi 0,5 posto.
S obzirom da smo utvrdili da je u stvari šest do deset puta veći od ovoga, možemo zaključiti da bi masa neutrina trebalo da bude zapravo 0.3-0.5 eV.
Razgovor
Ovo je uzbudljivo blisko vrijednostima koje se zapravo mogu izmjeriti predstojećim eksperimentima fizike čestica.
Ako ova mjerenja potvrde mase koje smo našli u našim simulacijama, to bi bilo vrlo ohrabrujuće – dajući nam konzistentnu sliku o ulozi neutrina kao tamne materije kod najveće kosmološke skale do skale fizike najsitnijih čestica.
Izvor: www.sciencealert.com
Neutrini, čestice koje kroz vaše tijelo prolaze kao da ga nema
Neutrini su električki neutralne elementarne čestice iz skupine leptona. Zbog toga na njih pored gravitacijske djeluje još samo slaba nuklearna sila. Označavaju se grčkim slovom ni: ν. Spin im iznosi 1/2, pa spadaju u fermione.
Vrste neutrina
Neutrini u standardnom modelu
elementarnih čestica
Fermion Oznaka Masa
1. generacija
Elektronski neutrino νe < 2,2 eV
Elektronski antineutrino νe < 2,2 eV
2. generacija
Mionski neutrino νμ < 170 keV
Mionski antineutrino νμ < 170 keV
3. generacija
Tau neutrino ντ < 15,5 MeV
Tau antineutrino ντ < 15,5 MeV
Postoje tri vrste neutrina koje su pridružene trima vrstama nabijenih leptona. To su elektronski, mionski i tau neutrino. Tri vrste neutrina uz tri vrste nabijenih leptona odgovaraju trima generacijama elementarnih fermiona u standardnom modelu.
Masa
Poznata je samo gornja granica mase mirovanja pojedinih vrsta neutrina, ali se zna da je ona različita od nule zbog neutrinskih oscilacija. Zbog izuzetno male mase, neutrini se najčešće gibaju relativističkim brzinama.
Izvori neutrina:
Ljudske aktivnosti
Aktivnosti Zemlje
Atmosferski neutrini
Solarni neutrini
Kozmologijske pojave
Kozmičko pozadinsko zračenje