Neutrinos ändern ihr Aroma und Haken ein weiterer Nobelpreis


Am frühen Morgen die Welt gelernt, dass die 2015 Nobelpreis für Physik, Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald ausgezeichnet wurde für die Entdeckung, dass Neutrinos können von einem Typ zu einem anderen wechseln, Beweis dafür, dass – im Gegensatz zu früheren wissenschaftlichen Konsens – sie müssen Masse.

Was sind Neutrinos? Sie sind ultraleicht subatomaren Teilchen, und sie waren hinter zwei vorherigen Nobelpreise in Physik für eine gute Maßnahme. Das ist, wie interessant sie sind. Der Dichter John Updike würdigte ihre bekanntesten Eigenschaften in seinem 1959 Gedicht "Kosmische Gall" humorvoll:

Neutrinos sind sie sehr klein

Sie haben keine Kosten und keine Masse

Und kaum überhaupt zu interagieren.

Eine dieser drei Eigenschaften ist da falsch nachgewiesen worden.

Warum Pflege so viel über Neutrinos Physiker? Für den Anfang könnte solaren Neutrinos das Innenleben unserer Sonne und andere Sterne, Licht auf weil sie nicht viel mit anderen Teilchen interagieren, wie sie von der Sonne das Kerngeschäft aus in den Weltraum reisen. (Isaac Asimov nannte sie "Ghost Partikel.") So dass die Informationen, die sie tragen, ist weniger durch Interferenz verzogen. Neutrinos können auch Aufschluss über die Natur der dunklen Materie und dunklen Energie – zwei der größten Herausforderungen für die Physik im 21. Jahrhundert.

Für viel des 20. Jahrhunderts waren sie jedoch die Quelle einer der frustrierendsten Rätsel in der Teilchenphysik. Die Sonne produziert Billionen von die kleinen Racker jeden Tag, doch das Experiment nach Experiment weit weniger Sonnen-Neutrinos als Physiker erwartet ergab. Die Arbeit, die zur Lösung dieses Rätsels geführt liegt hinter den diesjährigen Nobelpreis für Physik.

Geburt eines Teilchens Ghost

Wolfgang Pauli schlug zuerst die Existenz einer unsichtbaren Teilchen in einem Brief von 1930 an Kollegen, versucht zu erklären, Erhaltung der Energie in eine Art des radioaktiven Zerfalls (Betazerfall) in Atomkernen. (Energie erschien in einigen frühen experimentellen Ergebnisse fehlen, und er behauptet, dass dies einfach nicht möglich war. Er war richtig.) Adressieren sie als "sehr geehrte radioaktiven Damen und Herren", schlug er der Schuldige war ein sehr leichtes Teilchen, das hinreißen ein Teil der Energie. Enrico Fermi nannte ihn später "Neutrino".

Pauli dachte, solche Partikel möglicherweise nie erkannt werden; Er behauptete, dass er nur in seiner Verzweiflung zu finden eine gute theoretische Erklärung für den Beta-Zerfall Problem vorgeschlagen. Es dauerte 25 Jahre, dies zu tun. Clyde Cowan und Frederick Reines beobachtet im Jahr 1956 die erste Neutrinos, dank der Aufstieg der Kernkraftwerke erzeugen die notwendige Fusionsreaktionen um sie zu produzieren. Sie schickten Pauli ein Telegramm über ihre Entdeckung, auf die Pauli antwortete, "Alles kommt zu ihm, der weiß, wie zu warten." Warten mehr vor uns lag. Es wäre noch 10 Jahre noch vor allen detektierten Neutrinos, die von der Sonne gefeiert.

Hier ist die Schwierigkeit: Neutrinos nur interagieren mit anderen Teilchen über die schwache Kernkraft, das heißt die Neutrinos haben, so nah an den anderen Teilchen, beinahe ihre Kerne berührt werden. Das ist, wenn die schwache Kraft einsetzt. Es macht Neutrinos so teuflisch schwer zu erkennen.

Thats, warum Physiker begann mit dem Bau von Neutrino Observatorien unterirdisch, um Störungen von den Sachen wie kosmische Strahlung trifft die Erde Atmosphären zu vermeiden. ("Es ist eine Ironie, um die Sonne man Kilometer unter der Erde muss, zu beobachten" neu gekrönte Nobel Laureate McDonald sagte in einem Interview am frühen Morgen.) Sie begraben riesige Tanks von Flüssigkeit in die Erde, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, die ein Neutrinos von der Sonne zur Erde Reisen eines der Atome in der Flüssigkeit schlagen würde. Dies würde einen Zerfallsprozess, ändern das Atom in ein anderes chemisches Element initiieren. Als das passierte, würde ein Elektron freigesetzt werden, könnten leicht erkannt werden. Es war immer noch wie der Versuch, ein bestimmtes Sandkorn in der Sahara zu finden, aber Physiker sind so mutigen.

Der Fall der fehlenden solaren Neutrinos

Es war ein Physiker namens Ray Davis Jr., baute die erste unterirdische Neutrino-Observatorium im Jahr 1967, in einer verlassenen mine in South Dakota Homestake genannt. (Das ist Davis auf dem Foto rechts, nehmen ein erfrischendes Bad u.) Er seinen Tank mit 600 Tonnen chemische Flüssigkeit gefüllt, und wartete auf ein Neutrino mit einem an die Chloratome kollidieren verändert es dadurch in einem Argon-Atom. Und es funktionierte! Davis war der erste, solaren Neutrinos erkennen verhaken sich einen Nobel-Preis (gemeinsam mit Masatoshi Koshiba und Riccardo Giacconi im Jahr 2002) in den Handel.

Es gab nur ein Problem. Homestake sollte um ein Neutrino pro Tag, und die theoretischen Berechnungen erkannt haben aber Davis entdeckt ein Neutrino nur alle drei Tage. Zwei Drittel der erwarteten solaren Neutrinos fehlten. Physiker kämpften über, warum dies so für die nächsten drei Jahrzehnte war.

Ein entscheidenden Hinweis erschien im Jahr 1962, als Physiker entdeckte, gab es einen zweiten Typ (oder Geschmack) von Neutrino, das Myon-Neutrino. Das war so überraschend, dass I.I Rabi bekanntlich rief: "Wer bestellt , dass?" Eine dritte Art von Neutrino, das Tau-Neutrino war nicht direkt bis zum Jahr 2000, beobachtet, obwohl seine Existenz (seit 1975) lange vermutet worden war.

Und darin lag den Schlüssel zur Lösung des Falles von der fehlenden solaren Neutrinos. Was passiert, wenn Neutrinos ihre Aromen verändern könnte? Diese Hypothese erwies sich als richtig.

Verwandlungskünstler des Kosmos

Tief unter der Erde in einem ehemaligen Zinkgrube untergebracht, es war Japans Super-Kamiokande Zusammenarbeit – unter der Leitung von Kajita — aufgedeckt, dass den ersten Hinweis, dass Neutrinos (Änderung Geschmack) im Jahr 1998 schwingen konnte. Aber ihre Detektoren konnte nicht erkennen, dass der Schalter direkt.

Das ist wo die Leute von Sudbury, kam unter der Leitung von McDonald. Die Sonne produziert nur eine Art von Neutrino (Elektron, oder Sonnen-Neutrinos), und die meisten Detektoren sah nur für diejenigen. Sudbury entwickelt seine Detektor für die anderen Aromen sowie, zu jagen, durch ihr schweres Wasser mit extra Salz festnageln, wenn sie wollten, Tau oder Myon-Neutrinos zu erkennen. Sie addiert alle drei Varianten von Neutrinos, die sie erkannt und voila–, dass Zahl exakt abgestimmt die theoretischen Vorhersagen für wie viele Sonnen-Neutrinos sollte. Etwas geschah auf der Sonnen-Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne auf die Erde.

Im Jahr 2002 kündigte die Leute von Sudbury, "die fehlende Neutrinos gefunden zu haben". Es stellt sich heraus das solar Neutrinos waren nicht fehlen; Sie wurden nur in Verkleidung, Aromen zu ändern, als sie von der Sonne zur Erde reiste somit Erkennung seit Jahrzehnten auf der Flucht. Ich mag die verschiedenen Geschmacksrichtungen von Neutrinos, Klaviersaiten, vergleichen die abgestimmt sind auf verschiedene Noten, z. B. G, B und C. Aber nur weil ein Neutrino entsteht eine "G", das bedeutet nicht, dass es eine G für immer bleibt. Neutrinos können "im Laufe der Zeit de-tune", dass eine G wird allmählich ein B oder c ein.

Das ist wirklich, wirklich wichtig, denn wenn Neutrinos Geschmack ändern können, das heißt sie müssen einige klein wenig Masse. Und das widerspricht das Standardmodell der Teilchenphysik. (Das bedeutet nicht, dass das Modell nicht stimmt und sollte verworfen wird, nur, dass es unvollständig ist. Es entfallen keine Schwerkraft oder dunkle Materie entweder.)

Warum ist Masse daran Schuld? Nun, es ist kompliziert. Aber im Jahr 2007, ich war bei einer Demo von dem Physiker Janet Conrad, die erklärt, wie Masse könnte de-tune Neutrinos mit Hilfe von ein paar einfachen Stimmgabeln. Die Gabeln wurden auf die gleiche Frequenz abgestimmt, außer sie ein klein wenig Masse, um eine der Gabeln stecken. Sie schlug eine Gabel, dann die andere, und ein "wah wah-Wah" Klang durch den Raum klingelte.

Conrad erklärte, dass wie die meisten subatomaren Teilchen Neutrinos Partikel- und wellenförmig Naturen. Wellen hin und her schwingen und auf interessante Weise kombinieren können. Zwei sehr ähnliche Noten zusammen spielen, und Sie erhalten eine Interferenzeffekt: der Ton wird zwischen lauten und leisen wackeln. Neutrinos oszillieren in gleicher Weise. Ihre Wellen kombinieren auf verschiedene Art und Weise wie sie durch den Raum reisen, und es ist diese winzige Unterschiede in ihren Massen, die Anlass zu verräterischen Interferenzeffekte, verursacht eine Änderung der Geschmack im Laufe der Zeit.

Seitdem gekommen immer mehr Beweise dafür, dass Neutrino-Oszillation ein sehr reales Phänomen ist. Im Jahr 2010 experimentieren Wissenschaftler mit der Oper am Gran Sasso National Laboratory vier Tau Neutrinos in einen Strom von Milliarden von Myon-Neutrinos erzeugt im nahe gelegenen CERN-Labor gefunden – sie hatte Aromen auf der Strecke deutlich verändert. Und im Jahr 2011 der japanischen Tokai Kamioka (T2K) Experiment fand den ersten Beweis der Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos auf ihrem Weg zwischen den beiden Laboratorien zu verwandeln.

Neutrinos weiterhin überraschen, auch jetzt. Die Chancen stehen, dass dies ihre letzte Nobel gewinnen werden.

Referenzen:

Fukuda, Y. Et Al. (1998) "Beweis für die Schwingung des atmosphärischen Neutrinos" Physical Review Letters 81:1562. (Super-Kamiokande Collaboration)

Ahmad, Q.R. Et Al. (2001) "Messung der Rate der V + d-> p + p + e Interaktionen von 8 solaren Neutrinos in Sudbury Neutrino Observatory, produziert" Physical Review Letters 87:071301. (Sudbury Zusammenarbeit)

Ahmad, Q.R. Et Al. (2002) "direkte Beweise für Neutrino Geschmack Transformation von Neutral-aktuelle Interaktionen in der Sudbury Neutrino Observatory" Physical Review Letters 89:011301.

Jayawardhana, R. Neutrino Jäger: die spannende Jagd nach einem geisterhaften Teilchen, die Geheimnisse des Universums. New York: Wissenschaftliche amerikanische/Farrar, Straus and Girous, 2013.

Bilder: (oben) das Sudbury Neutrino Observatory. Bildnachweis: Lawrence Berkeley National Laboratory. (Mitte) Ray Davis, Jr. nimmt ein Bad in der unterirdischen Homestead Mine, ca. 1971. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory. (unten) Neil de Grasse Tyson flott in die Super-Kamiokande-Anlage. Credit: COSMOSonTV.

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