Физика нейтрино

 Время вспять, или Физик, физик, где ты был

Возможно, так оно было с Джозефсоном. Но не так это было с Мёссбауэром. Слава не вскружила ему головы. Хотя он не уклонялся от ответственности (он был одним из первых директоров ИЛЛ, т.Pе. международного Института Ланжвена фон Лауэ, основанного на использовании исследовательского реактора, построенного в Гренобле Францией, Германией и Великобританией), он в течение многих лет работал усердно и умно над применениями эффекта Мёссбауэра. (Теперь он занимается физикой нейтрино.) Вернемся на минуту к его открытию. Открытие безусловно было достойно Нобелевской премии; за это ее и дают за открытия. Почти тридцать лет спустя я все еще убежден, что оно заслуживало премии, чего не могу сказать о некоторых других открытиях, подобно награжденных. Но что придало открытию Мёссбауэра особую важность, так это существование радиоактивного изотопа 57Fe. Все в этом изотопе, от его изотопического изобилия до замечательных особенностей его распада, а также то, что это изотоп железа, сделало из него, как по заказу, отборное орудие для химии, металлургии, магнетизма, а с изучением гемоглобина и для биологии

 Проблема солнечных нейтрино

В настоящее время в ряде стран ведутся эксперименты по определению массы покоя нейтрино. Независимо от того, каков будет окончательный ответ, идея Б. Понтекорво была и будет эпохальной. ПОДЗЕМНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НЕЙТРИНО Появление больших подземных детекторов открыло новый этап в физике нейтрино. Такие детекторы, способные регистрировать нейтрино, рожденные в атмосфере, на Солнце и звездах, позволяют исследовать свойства этих частиц с очень высокой точностью. Недавние результаты, полученные на детекторе Супер-Камиокандэ (SK) в Японии, дающие богатую информацию для физики элементарных частиц и астрофизики, уже представили доказательство того, что нейтрино обладают ненулевой массой. Детекторы сооружают на глубине от 500 до 2 000 м, чтобы заэкранировать от космических мюонов (частицы, подобные электронам, но гораздо более тяжелые, со временем жизни 2·10-6 с) и других вторичных частиц. SK – самый большой из современных подземных детекторов – имеет резервуар с высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 кт воды. Детектор состоит из внутренней и наружной частей.

 Звезды: их рождение, жизнь и смерть

По этим причинам нейтрино должны обладать совершенно исключительной способностью проникать через огромные толщи вещества. Подсчитано, что без заметного поглощения пучок нейтрино с энергией в миллион электронвольт может пройти через стальную плиту, толщина которой в сотню раз превосходит расстояние от Земли до ближайших звезд! Ясно, что для таких частиц пройти «насквозь» через любую звезду, как говорится, «пустое дело»... Но столь удивительно слабая способность нейтрино взаимодействовать с веществом имеет и свою «обратную сторону». Потребовалось 25 лет после гениального теоретического предсказания Паули, чтобы эта необычайная частица была обнаружена в лабораторном эксперименте и тем самым из разряда гипотетических перешла в разряд вполне реальных элементарных частиц. После этого открытия физика нейтрино значительно продвинулась вперед. Как и всякая «порядочная» элементарная частица, нейтрино обладает «двойником»P античастицей, получившей название «антинейтрино». Выдающийся советский физик академик Б. М. Понтекорво теоретически предсказал существование двух «сортов» нейтриноP «электронных» и «мюонных»

 Шпора по Концепциям современного естествознания

Исторически первыми экспериментарно обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон.Казалось, что этих частиц и фотона(кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества-атомов и молекул.Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее.Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от неё лишь знаком заряда.Для частиц с нулевым зарядом античастица совпадает с частицей(н-р, фотон).По мере развития экспериментарной ядерной физики к этим частицам добавились ещё свыше 300 частиц.Адроны - частицы, участвующие в сильном взаимодействии.Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, сущ-т частицы – переносчики взаимодействий. 1)Лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь. Среди лептонов наиболее известен электрон.Другой хорошо известный лептон- нейтрино.Достаточно широко распространы в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения.Другие лептоны-тау- лептон и др.2)Адроны крайне нестабильные частицы.Встречаются в двух разновидностях-электрически заряженные и нейтральные.Наиболее распространены такие адроны, как нейтрон и протон.3)Переносчики взаимодействий – 17.Фундаментальные физические взаимодействия.

 Безумные идеи

Потоки нейтрино и антинейтрино из космоса, вероятно, гораздо слабее, поэтому предстоит огромная работа по увеличению чувствительности аппаратуры и устранению мешающего влияния частиц, образующихся в результате радиоактивных процессов в веществе, окружающем установку. Эта трудность так велика, что я не уверен в том, что упомянутая задача будет решена в ближайшее время, охлаждает наш пыл с несвойственным ему пессимизмом Понтекорво. Хочется думать, хочется надеяться, что эта трудность будет преодолена. Возможно, самим Понтекорво. Он сделал немало, чтобы изучить характер и свойства загадочных нейтрино и антинейтрино. Его работа в области физики нейтрино была удостоена Ленинской премии 1963 года. А может быть, другим или другими учеными. Да это и несущественно. Главное новая вершина будет взята. Путешествие к «концу света» И несогласие согласие рождать способно. из Овидия Заметка в журнале Как-то девятилетний сын Эйнштейна, Эдуард, спросил отца: «Папа, почему, собственно, ты так знаменит?» Эйнштейн рассмеялся, потом серьезно объяснил: «Видишь ли, когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут, мне же посчастливилось заметить это»

 Наука - Физика

При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их уничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д. У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения. Элементарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего существования. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным временем существования относят электроны и позитроны. К стабильным относят также протоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном сроке жизни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему времени назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобной периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена. б) Современные представления о характере фундаментальных физических взаимодействий и типах элементарных частиц В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

 Нильс Бор в физике 19-20 вв.

Интересно также понимание Бором проблем психологии. Дирак вспоминал : “Как-то раз на прогулке Бор обратил внимание на то , что когда он ударяет своей тростью по земле , то кажется что чувство осязания находится не в руке , а на конце палки. Тут же он провел аналогию с мозгом человека , который подобно руке настраивается с помощью фактов и органов чувств на анализ воспринимаемой информации. ” 7. В глубь ядра.Ч то же происходило в квантовой науке в предвоенные годы?. В 1930 году Бор прочитает лекцию в Лондонском химическом обществе , в которой говорит весьма пророческие слова : “.в атомной теории , несмотря на достигнутые успехи , мы должны быть готовы к новым сюрпризам ”. И сюрприз не заставил себя ждать. Началось интенсивное исследования атомного ядра, которое привело к рождению ядерной физики. Уже в 1930 году была предложена протонно- нейтронная модель ядра , позже Ферми обнаруживает нейтрино , а дальше буквально обрушивается поток новых открытий. 1934 год Кюри открывают искусственную радиоактивность, Юкава вводит идею о мезонах, Ферми регистрирует искусственную радиоактивность при бомбардировке тяжелых элементов нейтронами.

 Кварки

Следующими этапами в познании строения атома было открытие тяжелой заряженной сердцевины атома – атомного ядра (1911 г.) и его составных частей: протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.). Элементарными частицами современная физика условно называет большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время истинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других известных нам ныне частиц, являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки. В последние годы очень большого успеха достигла классификация сильновзаимодействующих частиц – адронов – на основе кварковой модели. Согласно этой модели (которая была предложена еще в 60-е годы) любой адрон состоит из двух-трех истинно элементарных частиц – кварков – с весьма необычными свойствами. Предполагается, что существует шесть типов (ароматов) кварков (и столько же антикварков), взаимодействие между которыми осуществляется глюонами. Кварки и глюоны имеют специфический заряд, который называется цветом.

 Глобальная история Вселенной (физика)

Но реакция превращения электрона и позитрона в нейтрино и антинейтрино – полный абсурд. То есть массивные заряженные частицы превращаются в безмассовые частицы, не имеющие заряда. Это еще одно полное игнорирование закона сохранения энергии. Энергия частиц уходит в никуда. Не хотелось бы повторяться, но что это: опять проделки бесконечного вакуума? Неужели вся элементарная физика строится по принципу: «Из вакуума вышло и в вакуум ушло»? Это что за безрассудство, глупость или непонимание проблемы? И все уверения физиков что: «Все это мы можем объяснить» – просто абсурдны. Ведь законы гравитации, сохранения энергии, импульса незыблемы в той же механике. В микромире же они теряют всякий смысл. Но ведь это нонсенс. Механика строится на физических телах. Физические тела состоят из молекул. Молекулы из атомов. Атомы из элементарных частиц. То есть смело можно утверждать, что механика основана на элементарных частицах, а не наоборот. Иными словами, если законы механики работают на уровне физических тел, то на уровне микромира эти законы должны работать обязательно. И они не работают в лабораториях не потому, что этого не происходит, а потому, что мы не знаем, как это происходит.

 Проблема солнечных нейтрино

Однако развитие физики в нашем столетии совершенно неожиданно открыло возможность хотя бы в принципе подойти к решению этой, считавшейся неразрешимой проблемы. Открытие нейтрино В 1931 году швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, исходя из твердого убеждения в выполнении законов сохранения для элементарных процессов и анализируя тогда во многом еще не ясное явление b-распада, выдвинул смелую гипотезу о существовании новой элементарной частицы. Эта частица, получившая название “нейтрино”, должна обладать массой покоя ничтожно малой, скорее всего, даже нулевой. По этим причинам нейтрино должны обладать совершенно исключительной способностью проникать через огромные толщи вещества. Подсчитано, что без заметного поглощения пучок нейтрино с энергией в миллион вольт может пройти через стальную плиту, толщина которой в сотню раз превосходит расстояние от Земли до ближайших звезд! Ясно, что для таких частиц пройти “насквозь” через любую звезду, как говорится, “пустое дело”. Но столь удивительно слабая способность нейтрино взаимодействовать с веществом имеет и “обратную сторону”. Потребовалось 25 лет после гениального теоретического предсказания Паули, чтобы эта необычайная частица была обнаружена и тем самым из разряда гипотетических перешла в разряд вполне реальных элементарных частиц.

 Моделирование в физике элементарных частиц

Оказалось, что требование малого радиуса действия ядерных сил приводит к обменным частицам с массой, превышающей массу электрона примерно в 200-300 раз. Эти частицы были названы мезонами. Усилия многих ученых были направлены на то, чтобы обнаружить частицы, предсказанные Хидеки Юкава. В тридцатых годах, когда физики еще не имели в своем распоряжении мощных ускорителей, единственным источником частиц высокой энергии служили космические лучи. В 1937г мезоны были обнаружены экспериментально К. Андерсоном и Недермеером в космических лучах. Но и эти частицы в 207 э.м. (электронных масс), назвали мю-мезонами ((-мезоны), или мюонами, не могли рассматриваться как кванты ядерного поля. Недостающее звено связи частиц в ядре было обнаружено лишь в 1947г С. Поуэллом. В верхних слоях атмосферы, где космические лучи встречаются с ядрами ионизированных газов, от соударений рождаются короткоживущие частицы с массой, превышающей электронную в 273 раза. Эти частицы, названные пи- мезонами ((-мезоны), или пионами, существуют около двух стомиллионных долей секунды, а затем распадаются на (-мезоны и нейтрино: Рис 2 ( ( ( ( (- ( (- ( (0 ( ( (Земли достигают лишь продукты их распада (-мезоны, которые и были обнаружены ранее.

 Развитие физики во второй половине ХХ в.

Теоретической физике пока сложно ответить на ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией остальных взаимодействий; почему существует только 6 типов кварков и 6 типов лептонов; почему масса нейтрино очень мала и т.д.(9. с. 416). Эти и многие другие вопросы требуют дальнейшего исследования. Но стремительное проникновение в глубь материи, новое понимание пространства, времени, причинно-следственных связей, которыми отличается физика ХХ века, коренным образом изменило представление об окружающем нас мире. Начавшаяся в 50-х гг. в США научно-техническая революция(НТР) в последующие десятилетия охватила все промышленно развитые страны мира. Наука и технология стали ведущей силой цивилизации. Бурное развитие физики повлекло за собой множество открытий, получивших инженерно-промышленное воплощение. Открытые физиками огромные запасы внутриатомной энергии, первоначально использовавшиеся в военных целях, привели к созданию атомной и ядерной техники, обслуживающей мирные отрасли хозяйства.

 Эвристические функции законов сохранения

Вряд ли можно, отказавшись от закона сохранения энергии, сохранить закон сохранения электрического заряда, а этот последний закон никогда еще не приводил ни к каким затруднениям. Поэтому я с самого начала отказывался верить в нарушение сохранения энергии". Гипотеза Паули о нейтрино была изложена впервые в печати с его разрешения двумя участниками семинара Карлсоном и Оппенгеймером в 1932г., а год спустя автор ее, выступая на седьмом Сольвеевском конгрессе, посвященном теме "Строение и свойства атомных ядер", обстоятельно доложил участникам конгресса о тех предпосылках, которые привели его к столь необычной гипотезе). В 1934 г. итальянский физик Э. Ферми на основе гипотезы о нейтрино и протонно-нейтронной схемы строения атомного ядра создал теорию b-распада, которая успешно объяснила все основные черты этого процесса. В последующие годы много усилий было затрачено на экспериментальное доказательство существования нейтрино. Сначала эти доказательства были получены косвенно, а в период 1953-1955 гг. путем постановки довольно сложных экспериментов американские физики Коуэн и Ройнее обнаружили нейтрино в свободном состоянии.

 Развитие взглядов на материю. Современная наука о строении материальной реальности.

Как сильно они не похожи друг на друга! Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунд. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным назвать неудобно. Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Когда смотришь на это, то первое что хочется сделать, это хоть как-то привести их в порядок, выделить «наиболее элементарные», из которых можно сделать все остальные. Этому и отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось что все частицы в равной степени элементарны. Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы.

 Симметрия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Несмотря на кажущуюся простоту формулировки в сочетании с современными теориями физики, химии и других естественных наук, а также новыми открытиями (например нейтрино) в этих областях симметрия пространства (о времени я здесь не говорил) становится всё более запутанной. Но несомненно одно: Мир симметричен! В нём найдены в принципе зеркальное соответствие каждому изображению. ЛИТЕРАТУРА1. Гильде В. Зеркальный мир. — М.: Мир, 1982г. 2. Современный словарь иностранных слов. — М.: Русский язык, 1993г. 3. Советский энциклопедический словарь — М.: Советская энциклопедия, 1980г. 4. Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии — М.: Мысль, 1974г. 1 Современный словарь иностранных слов:. — М.; Русский язык 1993, с. 557 2 Советский энциклопедический словарь — М.: Советская энциклопедия, 1980. с. 1219—1220. 1 К кубической системе относятся 5 из 32 классов кристаллографической симметрии. К ним принадлежат 5 разновидностей куба, различающихся по симметрии. Наиболее симметричный куб имеет 9 плоскостей симметрии, 3 четверные, 4 тройные и 6 двойных осей симметрии.

 Новая революция в физике

Уверенность в том, что "нейтрино" есть плод нашего воображения, подкрепляется и тем, что выполненный в 1927 году опыт Ч. Эллиса и У. Вустера (см. журнал Proc. Roy. Soc., 1927, том 117, стр. 109 – 123) по измерению средней энергии электронов бета-распада можно вполне естественно и до смешного просто объяснить, не привлекая гипотезу о существовании нейтрино. В самом деле, Эллис и Вустер, измерив энергию, выделившуюся в калориметре за определенный промежуток времени при бета-распаде ядер атомов радия-Е (висмута-210), раздели ее на количество электронов, вылетевших за это же время из радиоактивного вещества. Средняя энергия каждого из этих электронов оказалась примерно в три раза меньшей, чем энергия в 1,17 мегаэлектрон-вольт (МэВ), выделяющаяся при бета-распаде одного ядра радия-Е. Измерение энергии отдельных электронов бета-распада показало, что их кинетическая энергия принимает любые значения от 0 до максимального значения в 1,17 МэВ. Старая физика объяснила этот результат тем, что энергия, не выделившаяся в калориметре, уносится нейтральными частицами с громадной проникающей способностью - нейтрино, рождающимися наряду с электронами в процессе бета-рапада ядер.

 Основные концепции физики ХХ века

При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их уничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д. У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения. Элементарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего существования. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным временем существования относят электроны и позитроны. К стабильным относят также протоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном сроке жизни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему времени назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобной периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена. б) Современные представления о характере фундаментальных физических взаимодействий и типах элементарных частиц В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц  друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

 Развитие современной физики в 1932 - 1954 гг.

Первые измерения спина дейтрона. Положено начало нейтронной физике (Э.Ферми). Предложена первая приемлемая теория непрерывного бета-спектра. Предсказан обратный бета-распад (Х.Бете, Р.Пайерлс). Предсказаны нейтронные звезды (В.Бааде, Ф.Цвикки). Разработана теория радиационных потерь электрона при движении в веществе (Х.Бете, В.Гайтлер). Создан первый гелиевый ожижитель с поршневым детандером (П.Л.Капица). Э.Ферми открыл явление замедления нейтронов в веществе. 1935г. X. Юкава постулировал существование сильно взаимодействующего кванта ядерного поля (мезона) – частицы, осуществляющей взаимодействие между нуклонами (мезонная теория ядерных сил). Дж. Чэдвик и М.Гольдхабер получили значение массы нейтрона и предсказали его бета-распад на протон, электрон и нейтрино. В этом же году возможность распада нейтрона предположили также X, Бете, М.Олифант, Э.Резерфорд. Изобретен фазо-контрастный микроскоп (Ф.Цернике). К.Вейцзеккер предложил полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц разработали теорию доменной структуры ферромагнетиков.