9 марта 2013 г.

Нейтрино


              Нейтрино является той самой частицей, которая уже неоднократно преподносила физикам своеобразные сюрпризы, однако то, что произошло в 1980 году не ожидал не один учёный, так как  картина, явившаяся перед взором физиков казалась просто фантастической...


Нейтрино относится к числу элементарных частиц, принимающих непосредственное участие в термоядерной  реакции, она образуется в следствии превращения водорода в гелий, а те в свою очередь являются источниками энергии звёзд. Энергия нейтрино вместе с величиной потока напрямую зависима от характера термоядерных реакций и температуры. В отличие от фотона, образовавшегося внутри звезды, которому для того, чтобы оторваться в космическое пространство, необходимо испытать около десяти миллиардов соударений, нейтрино свойственно огромная проникающая способность, в следствии чего, оно беспрепятственно проходит сквозь звезду, в частности сквозь Солнце и так же беспрепятственно достигает Земли. Если бы учёные смогли "выловит" нейтрино, прилетевшее из недр Солнца, они бы смогли установить, что именно происходит в самом его центре, однако за нейтрино возможно наблюдение только косвенным способом, когда оно взаимодействует с другими элементарными частицами, то есть по  результатам подобных взаимодействий.  

                В космологии, для объяснения феномена скрытой массы необходимо знать массу нейтрино. По данным 2006 года масса мюонного нейтрино составляет 190 кэВ, а тау - нейтрино 18.2 МэВ, при этом масса электронного нейтрино, по экспериментальным оценкам составляет всего около 2 эВ. Несмотря на малость нейтрино, её концентрация во Вселенной очень высока. В случае, если нейтрино имеет нулевую массу, то разные виды нейтрино способны преобразовываться друг в друга. Другими словами это нейтринные осциляции, подтверждённые свидетельствами наблюдений солнечных и атмосферных нейтрино, угловой анизотропией. Так же нейтринные осциляции подтверждаются опытами в Садбери. 
Вольфганг Паули

В 1930 году швейцарский физик В.Паули предсказал существование нейтрино, при этом известный академик  Б.Понтекорво,  создатель современной нейтринной физики,  назвал данное предположение не иначе, как "изобретение нейтрино" и вот почему.  В те давние времена В.Паули писал : "Сложно найти ситуацию, где характеру научного достижения  соответствует слово "интуиция". В те времена  учёным были известны всего две элементарные частицы - это протон и электрон, поэтому введение новой частицы было отнесено к числу революционных идей. Более того, новой  элементарной частице должна обладать свойствами огромной проникающей способности. А учёный В.Паули именно "изобрёл" указанную частицу, чтобы суметь объяснить, куда переходит часть энергии в следствии радиоактивного распада ядер, сопровождаемого испусканием электронов.  данный распад был назван бета распадом.  При определении энергии продукта бета распада, допустим трития в гелий. Измерения показывают, что сумма всех энергий частиц после распада, зарегистрированных приборами, различна при разных актах распада трития, кажется, что закон сохранения энергии нарушен, часть энергии исчезает в неизвестность.   Самое интересное в том, что даже Н.Бор начал высказывать предположение, что в подобных ядерных процессах не работает закон сохранения энергии. И тогда В.Паули предположил, что не происходит нарушения закона сохранения энергии, а всего лишь в ходе распада,  помимо регистрируемых элементарных частиц возникают частица иного типа, они плохо взаимодействуют с частицами обычного вещества и беспрепятственно улетают за пределы стен лаборатории. Данные частицы забирают с собой недостающую энергию, в связи с чем появляется ошибочное видение уничтожения энергии. Рассматриваемую таинственную частицу назвали нейтрино. С момента открытия нейтрино прошло более пятидесяти лет и за этот период времени данная частица не один раз озадачивала физиков - ядерщиков. Как позже было установлено, нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, при чём на столько слабо, что способна пройти сквозь Землю или любую другую планету, сквозь Солнце, звёзды, пустоту и любое тело во Вселенной.  По этой самой причине нейтрино зарегистрировать очень трудно, только в 1956 году, по ядерным превращениям были обнаружены нейтрино. В ходе дальнейших исследований было установлено, что нейтрино и антинетрино (в своём рассказе я не стану указывать разницу между ними и назову одним термином) существует трёх видов, это мюонные, электронные и тау - нейтрино, при чём каждый из видов взаимодействует только в специфических для конкретного вида реакциях. Так же не я не стану перечислять множества других удивительных особенностей нейтрино, а только укажу, что своеобразные свойства разных видов нейтрино было очень загадочным , в связи с чем физики просто удивлённо разводили руками и не могли понять самые глубинные причины указанного своеобразия. Другими словами учёные верили, что именно нейтрино играет особенную роль во Вселенной. Что же говорили учёные пол века назад ?
Детектор нейтрино
Бывший президент Американского общества физиков Д.Уилер рассказывал : "До настоящего времени неизвестна причина стол слабых взаимодействий нейтрино в сравнении с электромагнитными взаимодействиями, а так же не установлена причина столь сильного взаимодействия в сравнении с гравитационным". Д.Уилером был написан научный труд "Нейтрино, гравитация и геометрия", сопровождающийся сложнейшими формулами, одна только первая глава содержит таких формул более ста страниц, однако стоит заметить, что указанная мною цитата выделена в данной книге в отдельную главу !
Академиком  М.Марковым, внёсшим значительный вклад в развитии нейтринной физики сказано следующее : "Современному человеку трудно понять, какое место будет занимать нейтрино в физике будущего, однако свойства нейтрино на столько элементарны  и своеобразны, что естественно вытекает вывод о том, что природа наделила нейтрино каким - то глубоким смыслом  и неизвестной целью". 

А последние открытия в рассматриваемой области заставляют нас более пристально отнестись к нейтрино, оценивая совокупность трёх самых великих сущностей - Вселенной, нейтрино и гравитации. В случае, если гравитация является основной силой, управляющей движением материи во Вселенной, тогда нейтрино является главной частицей Вселенной. Поэтому для того, чтобы понять, что такое Вселенная, нужно разобраться, что есть нейтрино.

Вселенная и нейтрино

Возвращаясь к вопросу о нейтрино необходимо указать, что до недавнего времени учёные считали, что эта элементарная частица не имеет массы покоя, то есть постоянно движется со скоростью света, подобно фотону.  Так же установлено, что во Вселенной огромное количество нейтрино. Как известно, нейтрино должно оставаться во Вселенной с момента начального периода расширения, когда плотное и горячее вещество имело очень высокую температуру, было непрозрачным для света и нейтрино. В то время  возникали реакции превращения электромагнитных квантов, электронов и нейтрино друг в друга. Данные реакции методами современной физики можно надёжно рассчитать. Кроме того, расчёты показали, что после окончания первых десяти секунд от момента начала расширения Вселенной, фотонов было больше в два раза по сравнению с нейтрино.  Это соотношение для нейтрино и реликтовых фотонов остаётся почти неизменным даже в ходе последующей эволюции Вселенной по настоящее время. Конечно мы не можем как - либо на прямую регистрировать реликтовые нейтрино ввиду малой энергии (имея массу покоя равную нулю нейтрино имеет энергию около 5Х10-4 электронвольт (Эв)), но физики  могут рассчитать их количество. По современным расчётам было установлено, что в одном кубическом сантиметре содержится около 500 реликтовых фотонов, а соответственно реликтовых  нейтрино в три раза меньше. Так же каждый реликтовый фотон имеет массу 1 • 10-36 грамма, соответственно плотность массы реликтового электромагнитного излучения  равняется около 5 • 10-34 г/см3, что составляет в 2000 рез меньше средней плотности вещества во Вселенной. 



 

Выводы напрашиваются сами собой. А именно то, что плотность массы реликтового электромагнитного излучения очень мала, а в свою очередь средняя плотность массы нейтрино (конечно это не масса покоя, а масса, определённая энергией элементарной  частицы) ещё меньше плотности электромагнитного излучения, что составляет в районе 1,5 • 10-34 г/см3. То есть совокупная масса реликтовых нейтрино во Вселенной ничтожно мала и ею можно пренебречь , так же они не взаимодействуют с другим веществом во Вселенной. Данное мнение сложилось в учёных кругах до весны 1980 года. 

Эксперимент с нейтрино

Весной 1980 года исследователями  из Института теоретической физики АН СССР, под руководством В.Любимова  был опубликован научный труд с результатами многолетних исследований, указывающими на то, что масса покоя электронного нейтрино отлична от нуля и составляет около 6 • 10-32 грамма, что эквивалентно 35 эВ. Отсюда был сделан вывод, что электронные нейтрино совсем не обязаны двигаться со скоростью света, а могут совершать движение и со скоростями, меньшими скорости света, а так же находиться в состоянии покоя. При этом экспериментаторы не считают установленную массу покоя нейтрино окончательной, поскольку она должна быть еще много раз перепроверена. При подтверждении полученных результатов, следствия из него будут играть огромную роль в астрономии. Из - за этого физики - теоретики не дожидаясь окончания результатов  проверки массы нейтрино, начали  исследовать то, что необходимо измерить во Вселенной с учётом полученных результатов относительно нейтрино. Уже появляются сообщения об иных экспериментах, подтверждающих отличие массы покоя нейтрино от нуля, при чём для всех видов нейтрино помимо электронных.  Напомню, что до обсуждаемых экспериментов рассматривались возможные последствия для астрономии, которые вытекают из гипотезы о существовании массы покоя нейтрино, только все эти дискуссии, в том числе С. Герштейна  и Я. Зельдовита, по вопросу связи массы покоя нейтрино с расширением Вселенной, являлись  простыми "прикидками" или другими словами, анализом различных возможностей.  Ситуация в корне изменилась после эксперимента физиков - ядерщиков Советского Союза, а теоретики, в свою очередь, используя результаты экспериментаторов, подняли огромный шум в научном мире.

Почему Вселенная является нейтринной


         Давайте попробуем разобраться, по какой причине физики - теоретики считают нейтрино, которая согласно результатов эксперимента, в 40 миллионов раз легче протона и в 20 тысяч раз легче электрона, которая ни с чем не взаимодействует, играет основную и определяющую роль во Вселенной ?

Лаборатория Гран Сассо в Италии
        А ответом на поставленный вопрос  будет служить факт того, что во Вселенной имеется огромное количество реликтовых нейтрино, в одном кубическом сантиметре данных частиц содержится в миллиард  раз больше, чем протонов. Без учёта ничтожной массы, суммарное количество нейтрино является главной составной частью Вселенной. Не сложно вычислить , что если масса покоя электронных нейтрино  составляет 6х10-32 грамм/см3, то средняя плотность электронных нейтрино будет составлять около 10-29 грамм/см3, что в 10 - 30 раз превышает плотность всего вещества не нейтринного типа. Следовательно сила тяготения нейтрино относится к главной действующей  силе, которая определяет закон расширения Вселенной в настоящее время. Всё другое вещество по своей массе составляет от 3 до 10 процентов из основной массы Вселенной, т.е. от массы нейтрино. Соответственно можно смело говорить, мы живём в нейтринной Вселенной. Об этом я сказал, когда в начале статьи сообщал о фантастической картине, которая открылась перед глазами учёных. 


Установка исследования нейтрино лаборатории Гран Сассо в Италии
Из полученного  вывода о нейтринной Вселенной вытекает ещё одно интересное следствие.  Одним из главных вопросов, касающихся эволюции Вселенной, является вопрос о том, вечно - ли будет длится расширение Вселенной ? Известно, что ответом на поставленный вопрос  вытекает из того, чему равна средняя плотность материи Вселенной. В случае, если плотность меньше критического значения, следовательно силы тяготения не достаточно, чтобы расширение остановилось, значит Вселенная будет расширяться вечно. Если средняя плотность материи во Вселенной больше критического значения, то через некоторое время тяготение материи затормозит расширение Вселенной и галактики снова пойдут на сближение, т.е. Вселенная сменит расширение на сближение. 

А критическая плотность, согласно современным данным 10-29 грамм/см3. При этом ранее считалось, что основная доля плотности Вселенной является обычным веществом, а её плотность  составляет 3х10-31 грамм/см3. Это означало, что плотность меньше критической, значит Вселенная должна расширяться вечно. В настоящее время имеются веские основания полагать, что плотность только реликтовых нейтрино составляет 10-29 грамм/см3.  При этом следует помнить, что помимо электронных нейтрино, в природе имеются тау нейтрино и мюонные нейтрино. Об их массе покоя до настоящего времени ничего неизвестно, прямые эксперименты результата не дали. Только из теорий косвенных экспериментов следует, что поскольку масса покоя электронных нейтрино не равна нулю, то скорее всего и масса покоя других видов нейтрино   так же отлична от нуля. Более того, скорее всего она составляет не меньше массы покоя электронных нейтрино.  Учитывая сказанное, средний показатель плотности материи Вселенной окажется большим, чем критический, из чего следует, что по прошествии миллиардов лет расширение Вселенной сменится на сжатие, причиной данного сжатия является нейтрино, которая считается самой слабейшей из всех существующих элементарных частиц
 

Как произошли галактики



Возвращаясь к вопросу о происхождении Вселенной и её структуры следует вспомнить, что вначале расширения, всё вещество являлось однородной расширяющейся горячей плазмой. Так по какой причине данная масса на определённом этапе распалась на комки, которые в свою очередь развились в системы ? Каким образом возникли зачатки галактик ?

      Большинство специалистов учёного мира считает, что подобный факт произошёл в следствии гравитационной неустойчивости. Ещё в 1946 году известный физик Е.Лифшиц  сформулировал основы теории, описывающей данный процесс. Согласно теории, маленькие и случайные уплотнения вещества стягивают вещество в следствии своего тяготения  и за счёт этого сгущаются и разрастаются. При определенных условиях эти сгустки вещества могут преобразиться в большие комки, которые в свою очередь дали начало скоплениям галактик. В настоящее время нам известно, что важнейшим фактором во Вселенной оказывает нейтрино, именно тяготение нейтрино необходимо учитывать в ходе анализа роста неоднородности вещества в результате гравитационной неустойчивости.

В первые моменты времени расширения Вселенной возникли очень маленькие неоднородности при распределении плотности материи в пространстве. Нам известно, что уже по прошествии одной секунды с момента начала расширения Вселенной, плотность вещества не столь велика, чтобы оказывать препятствие свободному движению нейтрино всех видов. В то время нейтрино движутся со скоростью, близкой к скорости света, т.к. обладают огромной энергией. Соответственно создаётся равномерное перераспределение нейтрино. 
Л. Ледерман, М. Шварц, Дж. Стейнбергер
 Из мелких сгущений нейтрино вылетают и перемешиваются с другими нейтрино, сглаживая все существующие неоднородности, при этом чем больше проходит времени, тем больше неоднородностей рассасывается. Указанный процесс  продолжался до того момента, пока нейтрино, теряющие свою энергию не стали двигаться со скоростью, на много ниже скорости света, а это произошло, согласно расчётов, уже  через 300 лет с момента начала Большого взрыва. Тогда скорость нейтрино была такой, что они не успевали вылетать из больших комков. Рассматриваемые комки с плотностью, не на много превышающей среднюю, усиливались тяготением, росли и сгущались до тех пор, пока не произошел распад  среды на отдельные облака из нейтрино.

 

 

Так же можно осуществить примерный расчёт массы нейтринных облаков. Учитывая, что выравнивание плотности происходило в первые 300 лет, когда нейтрино двигалось со скоростью, близкой к скорости света, следовательно выравнивание произошло только в тех участках, где отдалённость от центра составляла не более 300 световых лет. В нейтринных сгустках большего размера повышенная плотность нейтрино сохранилась, поскольку нейтрино из них не успело вылететь. После этого скорость, с которой движется нейтрино, резко упала, а взаимное тяготение данных частиц привело к возрастанию повышенной плотности, соответственно эти сгустки дали начало облакам из нейтрино. Значит масса нейтринных облаков определится количеством нейтрино, находящихся в сфере, радиусом 300 световых лет, по прошествии 300 лет после начала расширения Вселенной. 
Фотоэлектронные умножители детектора Borexino, используемые для регистрации солнечных нейтрино
Принимая во внимание, что масса покоя нейтрино составляет 35 эВ, равная 6х10-32 грамма, тогда масса обычного нейтринного облака равно 1015 масс Солнца. А какую форму будут иметь рассматриваемые нами нейтринные облака? Как ранее говорил Я.Зельдович, в подобных процессах нейтринные облака должны быть сильно сплюснуты и по своей форме напоминают блины. При соединении, множества данных блинов даст картину огромных невидимых сот из нейтрино. Соответственно к нашему времени, во Вселенной должна возникнуть структура ячеек из нейтринных облаков. Тогда что произойдёт с обычным веществом и в какие структуры оно соберётся ? 

В самом начале расширения Вселенной обычное вещество было распределено в пространстве равномерно и эта масса во много раз меньше, чем суммарная масса нейтрино, в начале  это вещество находилось в состоянии горячей плазмы.  Однако по прошествии 300 тысяч лет  с момента начала расширения Вселенной, охлаждаясь, превращается из состояния плазмы в нейтральный газ, наблюдается падение давление спустя миллион лет. После этого холодный газ начинает процесс сгущения. Из сгущающегося нейтрального газа  появляются скопления галактик и отдельные звёзды.  В результате того, что масса обычного вещества в 30 раз меньше, чем масса нейтрино, в невидимом нейтринном блине начинает образовываться огромное скопление галактик  с массой , в 30 раз меньшей.

Фантастика и реальность всегда рядом

В результате огромное количество нейтринных облаков,  которые движутся со скоростью около 1000 километров в секунду, учёные считают тем самым "неизвестным", которое не учитывалось в ходе исследований Вселенной. А после того, как ввели понятие массы покоя нейтрино, большая часть неизвестного встала на свои места. По словам советского астрофизика А.Дорошкевича, если бы масса нейтрино оказалась равной нулю, то пришлось бы придумать какую-нибудь иную частицу с массой покоя, отличной от нуля, и слабо взаимодействующую с остальными частицами. Однако следует отметить некоторые моменты. Частица, о которой говорил в шутливой форме А.Дорошкевич уже имеется в числе гипотез физиков и более того, этих частиц несколько штук. Одна из них фотино - частица, которая подобна фотону, но обладает массой, гравитино - частица, которая подобна гравитону, но обладающая массой. Соответственно, если А.Дорошкевич окажется прав в своих суждениях, то выяснится, Вселенная устроена ещё на много более интересным образом и может оказаться уже не нейтринной Вселенной, а на пример фотинной  или гравитинной, а может быть и ещё какой - либо, в настоящее время неизвестной науке.  Очень много в этом разделе до настоящего времени неизвестно и является всего лишь краем огромной науки. 

Галактика Messier
             По завершении сегодняшнего рассказа следует сказать, что в настоящее время мы живём во Вселенной с очень развитой структурой, имеющей систему миров и звёзд, где происходит направленная переработка водорода в гелий и другие тяжёлые элементы. Запасов ядерного топлива хватит на десятки миллиардов лет . А что же произойдёт потом, ведь звёзды не могут существовать вечно ? Как писал один из известных космологов Ж.Леметр, что представляет  мировую эволюцию, как  фейерверк, который нами был настигнут в момент самого окончания, пепел и несколько красных угольков. Глядя вперёд и стоя на остывшем пепле мы наблюдаем медленно угасающие звёзды, пытаясь воскресить великолепие начала миров.  Является - ли будущее Вселенной огромным пепелищем  после большого пожара ? Не думаю, что это правда и об этом мы поговорим в другой раз.

 Научно - популярный альманах "НЛО и Космос", с использованием материалов И. Новикова, "Черные дыры и Вселенная".
Друзья, теперь вы можете читать и комментировать мои записи и на Я.ру — Евгений Эм!

Комментариев нет: