Elektron neutrino
Elektron, który utraciłby swój ładunek elektryczny
Najprostszym sposobem wyobrażenia sobie neutrina jest wyobrażenie sobie elektronu, który utracił swój ładunek elektryczny.
Z tego powodu neutrina promieniotwórcze są nazywane przez fizyków neutrinami elektronowymi. Określenie to pozwala odróżnić je od dwóch innych rodzajów neutrin, neutrin mionowych i neutrin taonowych. eutrino elektronowe, wraz z elektronem, jest jednym z dwóch aktorów promieniotwórczości beta, aktorem prawie niewidocznym, niezwykle trudnym do wykrycia. W najczęstszym przypadku promieniotwórczości beta-minus występuje nie neutrino, lecz jego antycząstka, tan antyneutrino-elektron. Antyneutrino-elektron jest partnerem elektronu dodatniego lub pozytonu.
Neutrino jest czwartym członkiem rodziny czterech korpuskuł, które odgrywają fundamentalną rolę w otaczającym nas świecie. Pierwsze dwa to kwarki „góra” i „dół” składowe materii jądrowej, trzeci to elektron. Fizycy nazywają leptonami parę złożoną z elektronu i neutrina. Kwarki i leptony to maleńkie ciałka, zbyt małe, aby można je było kiedykolwiek zaobserwować pod mikroskopem.Na rysunku, reprezentacja kwarków i leptonów przez wirujące wierzchołki jest oczywiście symboliczna.
IN2P3Elektron-neutrino jest partnerem elektronu w rodzinie 4 fundamentalnych składników materii. Pozostałymi dwoma członkami tej rodziny są tzw. kwarki górny i dolny, elementarne składniki protonów i neutronów, a więc ostateczne składniki jądra atomowego. Elektron, neutrino elektronowe, kwarki górne i dolne tworzą w oczach fizyków pierwszą generację cząstek elementarnych.
To, co odróżnia kwarki od elektronu i jego neutrina, to fakt, że te pierwsze są wrażliwe na bardzo silne oddziaływania, które cementują jądra. Kwarki są więc trudne do zaobserwowania, ponieważ pozostają uwięzione w materii jądrowej.
Elektrony i neutrina nie są wrażliwe na oddziaływania silne. Odlatują, by odkrywać świat! Ale neutrina są ponadto elektrycznie neutralne: nie mają ładunku elektrycznego, który pozwala elektronom tworzyć chmurę elektronową otaczającą jądro atomu. Są wrażliwe jedynie na siły odpowiedzialne w szczególności za radioaktywność beta, które fizycy nazywają oddziaływaniami słabymi.
Przez długi czas zakładano, że neutrina nie mają masy (podobnie jak fotony). Ostatnie eksperymenty wykazały, że mają one bardzo małą masę. Aby dać wyobrażenie, masa neutrino-elektronu jest znacznie mniejsza niż milionowa część masy elektronu, cząstki już bardzo lekkiej.
Praktycznie bezmasowe korpuskuły, neutrina podróżują z prędkością światła. W ten sposób w 1987 roku zaobserwowano, wraz z maleńkim rozbłyskiem światła pochodzącym z odległej eksplozji supernowej, przybycie bicza neutrin … po podróży trwającej 180 000 lat świetlnych !
Neutrina, takie jak elektrony i kwarki, mają dwa możliwe stany rotacji lub spinu. Powstaje tylko jeden z tych dwóch stanów: neutrina posiadające „lewoskrętną helikoidalność”, jak pokazano na rysunku w odniesieniu do kierunku ruchu. Neutrina prawoskrętne nie są obserwowane: nie są produkowane i nie oddziałują. W świecie antymaterii jest odwrotnie: tylko prawoskrętne antyneutrina są produkowane i obserwowane. Ta niezwykła właściwość jest cechą oddziaływań słabych.
IN2P3Podobnie jak elektrony, neutrina mają dwa możliwe stany rotacji (lub spinu), które są nazywane lewo- i prawoskrętną helikoidalnością, gdy oś rotacji jest wybrana paralelnie do kierunku ruchu. Jednak neutrina oddziałują ze sobą tylko poprzez siły słabe, które rozróżniają te dwa stany helikalności (zjawisko to fizycy nazywają „naruszeniem parzystości”). Tylko neutrina lewoskrętne są produkowane i obserwowane. Neutrina prawoskrętne nie oddziałują.
Neutrina oddziałują z materią tylko za pośrednictwem tych słabych sił, ich prawdopodobieństwo (zwane przekrojem poprzecznym) oddziaływania jest bardzo małe. Aby dać wyobrażenie o tej małości, w swoim eksperymencie prowadzącym do odkrycia neutrina w 1956 r. Reines i Cowan zmierzyli przekrój wynoszący 0,063 miliardowej części miliardowej części stodoły.
Stodoła to jedność używana przez fizyków do mierzenia przekrojów. Na przykład, przekrój poprzeczny wychwytu neutronu przez jądro uranu-238 jest rzędu kilku stodół. Energie neutrin w rozpadach promieniotwórczych są na ogół poniżej 1 MeV. Nawet przekrój poprzeczny neutrina o energii 1 MeV, znacznie przekraczający te zmierzone przez Reinesa i Cowana, pozostaje bardzo niski. To wyjaśnia, dlaczego neutrina pochodzące z rozpadów radioaktywnych zachodzących na Słońcu są w stanie przejść przez Ziemię.
Prawdopodobieństwo interakcji (przekrój poprzeczny) neutrina z protonem lub neutronem rośnie wraz z energią. Dane przedstawione na rysunku przedstawiają wzrost prawdopodobieństwa interakcji z energią. Prawdopodobieństwo oddziaływania jest bardzo małe dla neutrin powstających w wyniku radioaktywności. Ze względu na ich wysoką energię, znacznie łatwiej jest wykryć neutrina znajdujące się w wiązkach dużych akceleratorów cząstek.
Image credit: J.W. Rohlf, retrieved from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.eduFizycy znaleźli dwa inne gatunki neutrin, neutrino mionowe i neutrino taonowe. Neutrino mionowe jest towarzyszem mionu, ciężkiego elektronu obserwowanego w promieniach kosmicznych. Neutrino taonowe jest towarzyszem taonu, superciężkiego elektronu (waży dwa razy więcej niż proton) odkrytego w 1975 roku przez amerykańskiego fizyka Martina Perla.
Ostatni aspekt tych fascynujących cząstek! Pod wpływem oddziaływania słabego neutrina mogą przekształcać się w inne gatunki. Fizycy mówią, że „oscylują”. Tak więc neutrino urodzone w Słońcu jako neutrino elektronowe może zostać wykryte jako neutrino mionowe po przybyciu na Ziemię. Zaobserwowany deficyt neutrin elektronowych pochodzących ze Słońca jest jednym z dowodów na oscylacje neutrin.
Access to page in french