Neutríno

Prehľad neutrín

Fermión	Symbol	Hmotnosť
Rodina elektrónu
Elektrónové neutríno	${\displaystyle \nu _{e}\,}$	< 2.5 eV
Elektrónové antineutríno	${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}\,}$	< 2.5 eV
Rodina miónu
Miónové neutríno	${\displaystyle \nu _{\mu }\,}$	< 170 keV
Miónové antineutríno	${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }\,}$	< 170 keV
Rodina tauónu
Neutríno tau	${\displaystyle \nu _{\tau }\,}$	< 18 MeV
Antineutríno tau	${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }\,}$	< 18 MeV

V súčasnosti sú známe tri generácie leptónov. Každá z generácii pozostáva z elektricky nabitého leptónu a jemu príslušneho neutrína. Ide o elektrónovú, miónovú a tau generáciu, ktoré nesú názov podľa príslušneho leptónu v generácii. Neutrínu v danej generácii priradzujeme nasledujúce názvy: elektrónové neutríno ν_e, miónové neutríno ν_μ a neutríno tau ν_τ. Leptóny sa od generácie ku generácii odlišujú pokojovou hmotnosťou, hodnoty pokojových hmotností neutrín v súčasnosti nie su dostatočne presne určené. Udávané sú len horné hranice.

Experimentálne dáta potvrdzujúce predstavu troch generácii leptónov spočívajú v pozorovaní rozpadu bozónu Z. Táto častica sa môže rozpadať na ktorékoľvek neutríno a jeho antineutríno. Jeho doba života tak závisí od počtu druhov neutrín. Čím viac druhov neutrín, tým viac možností rozpadu a tak aj kratšia doba života. Posledné merania ukazujú počet typov ľahkých neutrín (hmotnosti < 1MeV) na 2.984±0.008 . Toto však nevylučuje možnosť sterilného neutrína, a to takého, ktoré by neinteragovalo ani slabou interakciou. Takéto neutríno môže vzniknúť len pri oscilácii neutrín. Ďalším faktom potvrdzujúcim existenciu práve 6 leptónov je, že poznáme práve šesť im zodpovedajúcich kvarkov. Nezvratný dôkaz, že existujú len tri druhy neutrín, však zostáva ťažko splniteľnou úlohou fyziky častíc.

Merania experimentu SNO z roku 2002 preukázali existenciu neutrínových oscilácií. Tieto sú však možné len v prípade, že neutrína z jednotlivých generácií majú rozdielne pokojové hmotnosti. To vedie k potrebe nenulových pokojových hmotností neutrín.

Hmotnosť neutrín sa dá určiť pomocou meraní Betaspektier prvkov. Takto bola určená horná hranica pre elektrónové neutríno z beta rozpadu trícia. Premeraním energetického spektra elektrónov pochádzajúcich z tohto beta rozpadu sa podarilo na experimentoch v Mainzi a v Moskve stanoviť hornú hranicu hmotnosti elektrónového neutrína na 2,3 eV. Pripravovaný je experiment KATRIN v Karlsruhe, ktoreho rozlišovacia schopnosť môže stlačiť túto hornú hranicu na 0,2eV. Doterajšie výsledky meraní beta spektier však nemajú takú rozlišovaciu schopnosť, aby na základe nich bola zodpovedaná otázka nenulovej hmotnosti neutrína. Typickým výsledkom týchto meraní je napríklad záporná hodnota kvadrátu hmotnosti neutrína. Napriek tomuto nedostatku sú tieto experimenty schopné stanovovať horné hranice pokojových hmotností neutrín.

Na porovnanie: Elektrón má pokojovú hmotnosť približne 511 keV = 511000 eV.

Koncom 60. rokov bol na Ray Davis's Homestake experimente, pozorovaný deficit solárnych neutrín. Tento problém spočíval v tom, že teoretické predpovede plynúce z predstáv štandardného modelu elementárnych častíc a štadardného modelu slnka predpovedali väčší počet dopadajúcich neutrín na Zem. Nasledujúce merania potvrdili experimentálne data Homestake experimentu, oscilácia neutrín však bola v tomto čase len jedným z možných vysvetlení. Merania experimentu SNO viedli v roku 2002 k potvrdeniu neutrínových oscilácii.

Solárne neutrína majú energiu pod 20 MeV.

V roku 1957 v analógii s podobným efektom pozorovaným v systéme neutrálnych kaónov popísal a teoreticky predpovedal Bruno Pontecorvo oscilácie neutrín. Ním vypracovaná kvantitatívna teória bola dokončená v roku 1967. O rok neskôr bol pozorovaný deficit solárnych neutrín. Následne v roku 1969 Gribov a Pontecorvo publikovali známu prácu "Neutrino astronomy and lepton charge".

Solárne a atmosférické neutrínové experimenty preukázali existenciu oscilácii neutrín založených na nezodpovedajúcich si vlastných stavoch veličín flavor (vôňa) a hmotnosť neutrína. Vzťah medzi oboma vlastnými stavmi neutrín môžeme popísať pomocou:

${\displaystyle \left|\nu _{\alpha }\right\rangle =\sum _{i}U_{\alpha i}^{*}\left|\nu _{i}\right\rangle \,}$

${\displaystyle \left|\nu _{i}\right\rangle =\sum _{\alpha }U_{\alpha i}\left|\nu _{\alpha }\right\rangle }$,

pričom:

• ${\displaystyle \left|\nu _{\alpha }\right\rangle }$ je vlastný stav neutrína s danou flavor α = e (electron), ${\displaystyle \mu }$ (muon) alebo ${\displaystyle \tau }$ (tau).
• ${\displaystyle \left|\nu _{i}\right\rangle }$ je vlastný stav neutrína s danou hmotnosťou, jej hodnoty nepoznáme explicitne a preto ich budeme indexovať pomocou i = 1, 2, 3.
• symbol ${\displaystyle {}^{*}}$ značí komplexné združenie

Vyššie uvedené rovnosti môžeme formulovať v maticovom tvare. K tomu stačí písať jednotlivé vlastné stavy hmotnosti neutrína v tvare stĺpcových vektorov a vlastné stavy flavor v tvare riadkového vektora. Následne matica ${\displaystyle U_{\alpha i}}$ je práve Maki-Nakagawa-Sakata matica ("MNS matica", "matica miešania neutrín", alebo tiež "PMNS matica", kde P značí Pontecorvo). Táto matica je ekvivalentná CKM matici pre kvarky. V prípade jednotkovej matice (diagonálne členy rovné jednej) by boli vlastné stavy flavor a vlastné stavy pokojovej hmotnosti neutrín zhodné. Experimentálne sa však potvrdilo, že MNS matica nie je jednotková.

V štandardnom modeli elementárnych častíc sa predpokladá existencia troch typov neutrín (tri generácie leptónov), v tom prípade je ${\displaystyle U_{\alpha i}}$ matica tvaru 3×3. V prípade opisu oscilácie medzi dvoma neutrínami používame maticu ${\displaystyle U_{\alpha i}}$ tvaru 2×2. Existujú taktiež teórie s tzv. sterilnými neutrínami. Tie používaju matice n×n, pričom n je celé a väčšie ako tri.

MNS matica má tvar:[1]

${\displaystyle U={\begin{bmatrix}U_{e1}&U_{e2}&U_{e3}\\U_{\mu 1}&U_{\mu 2}&U_{\mu 3}\\U_{\tau 1}&U_{\tau 2}&U_{\tau 3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}c_{12}c_{13}&s_{12}c_{13}&s_{13}e^{-i\delta }\\-s_{12}c_{23}-c_{12}s_{23}s_{13}e^{i\delta }&c_{12}c_{23}-s_{12}s_{23}s_{13}e^{i\delta }&s_{23}c_{13}\\s_{12}s_{23}-c_{12}c_{23}s_{13}e^{i\delta }&-c_{12}s_{23}-s_{12}c_{23}s_{13}e^{i\delta }&c_{23}s_{13}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e^{i\alpha _{1}/2}&0&0\\0&e^{i\alpha _{2}/2}&0\\0&0&1\end{bmatrix}},}$

Používame pritom značenie ${\displaystyle s_{12}=\sin \theta _{12}}$, ${\displaystyle c_{12}=\cos \theta _{12}}$, atď. Fázové faktory α₁ a α₂ budú nenulové len v prípade, že neutrína sú majoranové častice (to je ešte neoverené). Tieto fázové faktory do samotného opisu neutrínových oscilácií nevstupujú. V prípade existencie dvojitého beta rozpadu neutrína budú tieto faktory veľmi podstatné. Fázový faktor δ je nenulový v prípade, že neutrínové oscilácie porušujú CP symetriu, čo nebolo dosiaľ objavené. Ak experimentny dôjdu k záveru, že MSN matica nie je unitárna, potom bude potrebné buď sterilné neutríno alebo nejaká úplne nová častica.

Časová propagácia vlastných stavov hmotností ${\displaystyle \left|\nu _{i}\right\rangle }$ môže byť popísaná v tvare rovinnej vlny:

${\displaystyle |\nu _{i}(t)\rangle =e^{-i(E_{i}t-{\vec {p}}_{i}\cdot {\vec {x}})}|\nu _{i}(0)\rangle }$,

pričom

• veličiny sú vyjadrené v štandardnej konvencii fyziky elementárnych častíc ${\displaystyle (c=\hbar =1)}$
• ${\displaystyle E_{i}}$ je energia vlastného stavu hmotnosti ${\displaystyle i}$,
• ${\displaystyle t}$ je čas od začiatku propagácie,
• ${\displaystyle {\vec {p}}_{i}}$ je hybnosť,
• ${\displaystyle {\vec {x}}}$ je poloha častice

Pre veľmi veľké kinetické energie (ultrarelativistická limita), ${\displaystyle |{\vec {p}}_{i}|=p_{i}\gg m_{i}}$, aproximujeme energiu pomocou Taylorovho rozvoja nasledujúco:

${\displaystyle E_{i}={\sqrt {p_{i}^{2}+m_{i}^{2}}}\simeq p_{i}+{\frac {m_{i}^{2}}{2p_{i}}}\approx E+{\frac {m_{i}^{2}}{2E}}}$,

Táto limita je užitočná, pretože neutrína majú v porovnaní so svojou predpokladanou nenulovou pokojovou hmotnosťou (rádovo 1eV) pomerne vysoké kinetické energie (1MeV). Lorentzov faktor γ je tak väčší ako 10⁶. V prirodzených jednotkách sa t ≈ L, pričom L je dráha, ktorú neutríno prejde. Spomínané fázové faktory nehrajúce pre oscilácie neutrín podstatnú rolu zanedbáme. Vlnová funkcia sa tak rovná:

${\displaystyle |\nu _{i}(L)\rangle =e^{-im_{i}^{2}L/2E}|\nu _{i}(0)\rangle }$,

Vlastné stavy s rozdielnými pokojovými hmotnosťami sa tak propagujú rozdielnými rýchlosťami. Pretože vlastné stavy pokojovej hmotnosti neutrín sú lineárnou kombináciou vlastných stavou veličiny flavor, spôsobuje táto rozdielna rýchlosť propagácie interferencie medzi zodpovedajúcimi komponentami vlastných stavov flavor. Konštruktívna interferencia vedie k možnosti, že neutríno pôvodne vytvorené s danou flavor sa premení na neutríno s inou flavor. Pravdepodobnosť prechodu neutrína zo stavu s flavor α do stavu s flavor β po vzdialenosť L je:

${\displaystyle P_{\alpha \rightarrow \beta }=\left|\left\langle \nu _{\beta }|\nu _{\alpha }(L)\right\rangle \right|^{2}=\left|\sum _{i}U_{\alpha i}^{*}U_{\beta i}e^{-im_{i}^{2}L/2E}\right|^{2}.}$

Čo sa zapisuje:

${\displaystyle {\begin{matrix}P_{\alpha \rightarrow \beta }=\delta _{\alpha \beta }&-&4{\displaystyle \sum _{i>j}Re(U_{\alpha i}^{*}U_{\beta i}U_{\alpha j}U_{\beta j}^{*}})\sin ^{2}({\frac {\Delta m_{ij}^{2}L}{4E}})\\&+&{\displaystyle 2\sum _{i>j}Im(U_{\alpha i}^{*}U_{\beta i}U_{\alpha j}U_{\beta j}^{*})\sin(}{\frac {\Delta m_{ij}^{2}L}{2E}})\end{matrix}}}$,

kde: ${\displaystyle \Delta m_{ij}^{2}\ \equiv m_{i}^{2}-m_{j}^{2}}$. Výraz (fáza) zodpovedná za oscilácie (c a ${\displaystyle \hbar }$ v jednotkách SI)[2]

${\displaystyle {\frac {\Delta m^{2}\,c^{3}\,L}{4\hbar E}}={\frac {{\rm {GeV}}\,{\rm {fm}}}{4\hbar c}}\times {\frac {\Delta m^{2}}{{\rm {eV}}^{2}}}{\frac {L}{\rm {km}}}{\frac {\rm {GeV}}{E}}\approx 1.267\times {\frac {\Delta m^{2}}{{\rm {eV}}^{2}}}{\frac {L}{\rm {km}}}{\frac {\rm {GeV}}{E}}}$,

číslo 1.267 je bezrozmerné. v tejto forme je bežné zaviesť oscilačné parametre, pokiaľ:

• Rozdiely hmotností Δm² sú známe a v ráde 1eV²
• Oscilačná vzdialenosť L je v rádoch kilometer
• Energia neutrína E je v rádoch typicky GeV.

V prípade nenarušenia CP-symetrie (δ je nula), bude druhá suma nulová.

Teória opisaná vyššie je použiteľná vo všeobecnom prípade. Pre prípady troch a viac neutrín je pomerne nenázorná. V jednoduchších prípadoch je však pomerne priamočiara. V prípade oscilácii dvoch neutrín je možné použiť maticu:

${\displaystyle U={\begin{pmatrix}\cos \theta &\sin \theta \\-\sin \theta &\cos \theta \end{pmatrix}}}$

z čoho plynie pravdepodobnosť premeny neutrína:

${\displaystyle P_{\alpha \rightarrow \beta ,\alpha \neq \beta }=\sin ^{2}2\theta \sin ^{2}\left({\frac {\Delta m^{2}L}{4E}}\right)\,\mathrm {(prirodzene\,jednotky)} }$

V jednotkách SI:

${\displaystyle P_{\alpha \rightarrow \beta ,\alpha \neq \beta }=\sin ^{2}2\theta \sin ^{2}\left(1.267{\frac {\Delta m^{2}L}{E}}{\frac {\rm {GeV}}{\rm {eV^{2}\,{\rm {km}}}}}\right)}$

Vzťah uvedený vyššie veľmi dobre vystihuje premenu ν_μ ↔ ν_τ v atmosférických osciláciach, pretože solárne neutríno nie je podstatné. Taktiež v prípade premeny ν_e ↔ ν_x, kde ν_x je superpozícia ν_μ a ν_τ. Tieto aproximácie vychádzajú zo skutočnosti, že uhol miešania (mixing angle) θ₁₃ je veľmi malý a pretože dva vlastné stavy hmotnosti neutrína majú veľmi podobnú hmotnosť ako tretie neutríno.

V septembri 2011 talianski vedci oznámili, že podľa ich meraní sa neutríno môže pohybovať rýchlejšie ako rýchlosťou svetla: Prúd neutrín vypustený z urýchľovača častíc pri Ženeve do laboratória v strednom Taliansku túto vzdialenosť 730 kilometrov prešiel o 60 nanosekúnd rýchlejšie ako svetlo.[3] Neskôr sa však zistilo že pri meraní došlo k chybe a rýchlosť svetla nebola prekonaná.

V novembri 2012 použili vedci z USA urýchľovač častíc na odoslanie koherentnej neutrínovej správy cez cca 230 metrovú skalu. Išlo o prvé použitie neutrín pre komunikáciu a budúci výskum môže umožniť, aby sa binárne neutrínové správy posielali obrovskými vzdialenosťami dokonca aj v cez najhustejšie materiály, napríklad zemské jadro.[4]

V júli 2018 oznámilo observatórium IceCube, že vysledovalo extrémne vysokoenergetické neutríno, ktoré zasiahlo ich výskumnú stanicu na Antarktíde v septembri 2017, až k bodu svojho pôvodu v brazare TXS 0506 +056 vzdialenom 3,7 miliardy svetelných rokov v smere súhvezdia Orion. Bolo to prvýkrát, keď sa neutrínový detektor použil na nájdenie objektu vo vesmíre a identifikoval sa zdroj kozmického žiarenia.[5][6][7]

1. S. Eidelman et al.. Particle Data Group – The Review of Particle Physics. Physics Letters B, 2004. Dostupné online. Chapter 15: Neutrino mass, mixing, and flavor change. Revised September 2005.
2. "A Simple Parameterization of Matter Effects on Neutrino Oscillations", M. Honda, Y. Kao, N. Okamura and T. Takeuchi, 2006.
3. Particles found to break speed of light [online]. reuters.com, [cit. 2019-09-12]. Dostupné online. (po anglicky)
4. Demonstration of Communication Using Neutrinos. Modern Physics Letters A, 2012, s. 1250077–1–1250077–10. Dostupné online. DOI: 10.1142/S0217732312500770.
5. OVERBYE, Dennis. It came from a black hole, and landed in Antarctica – For the first time, astronomers followed cosmic neutrinos into the fire-spitting heart of a supermassive blazar. The New York Times, 12 July 2018. Dostupné online [cit. 2018-07-13].
6. SAMPLE, Ian. Neutrino that struck Antarctica traced to galaxy 3.7bn light years away. The Guardian (Londýn: Guardian News and Media Limited), 2018-07-12. Dostupné online [cit. 2019-09-12]. ISSN 0261-3077.
7. Source of cosmic 'ghost' particle revealed [online]. 12 July 2018, [cit. 2018-07-12]. Dostupné online. ^{[nefunkčný odkaz]}