The Sudbury neutrino observatory, which was instrumental in demonstrating neutrino oscillations and the massiveness of neutrinos. With additional results from atmospheric, solar, and terrestrial observatories and experiments, we may not be able to explain the full suite of what we’ve observed with only 3 Standard Model neutrinos, and a sterile neutrino could still be very interesting as a cold dark matter candidate. (A. B. MCDONALD (QUEEN’S UNIVERSITY) ET AL., THE SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY INSTITUTE)
Every form of matter that we know of in the Universe is made up of the same few fundamental particles: the quarks, leptons and bosons of the Standard Model. Quarks and leptons bind together to form protons and neutrons, heavy elements, atoms, molecules, and all the visible matter we know of. The bosons are responsible for the forces between all particles, and — with the exception of a few puzzles like dark matter, dark energy, and why our Universe is filled with matter and not antimatter — the rules governing these particles explains everything we’ve ever observed.
Except, that is, for the neutrino. This one particle behaves so bizarrely and uniquely, distinct from all the others, that it’s the only Standard Model particle whose properties cannot be accounted for by the Standard Model alone. Here’s why.
Imagine you have a particle. It’s going to have a few specific properties that are intrinsically, unambiguously known. These properties include:
- mass,
- electric charge,
- weak hypercharge,
- spin (inherent angular momentum),
- color charge,
- baryon number,
- lepton number,
- and lepton family number,
as well as others. For a charged lepton, like an electron, values like mass and electric charge are known to an extraordinary precision, and those values are identical for every electron in the Universe.
Electrons, like all quarks and leptons, also have values for all of these other properties (or quantum numbers). Some of those values may be zero (such as color charge or baryon number), but the non-zero ones tell us something additional about each particle in question. Spin, for example, can be either +½ or -½ for the electron, which tells you something important: there’s a degree of freedom here.
It’s the reason why, if you bind an electron to a proton (or any atomic nucleus), there’s a 50/50 shot that the electron will have its spin aligned with the proton’s spin, and a 50/50 shot that they’ll be anti-aligned. An electron’s spin, relative to any axis you choose (x, y, and z, the electron’s direction of motion, the proton’s spin axis, etc.) is completely random.
Neutrinos, like electrons, are also leptons. Although they don’t have electric charge, they do have quantum numbers all their own. Just as an electron has an antimatter counterpart (the positron), the neutrino has an antimatter counterpart as well: the antineutrino. Although they were first theorized in 1930 by Wolfgang Pauli, the first neutrino detection didn’t take place until the mid-1950s, and actually involved antineutrinos produced by nuclear reactors.
Based on the properties of the particles produced by a neutrino interaction, we can reconstruct various properties of the neutrinos and antineutrinos that we see. One of them, in particular, stands out as incongruent with every other fermion in the Standard Model: spin.
Remember how there was a 50/50 shot that an electrons would have a spin of either +½ or -½? Well, that’s true for every quark and lepton in the Standard Model, except the neutrino.
- All six of the quarks and all six of the antiquarks can have spins that are either +½ or -½, with no exceptions.
- The electron, muon, and tau, as well as their antiparticles, are allowed spins of either +½ or -½, with no exceptions.
- But when it comes to the three types of neutrinos and the three types of antineutrinos, their spins are restricted.
There’s a good reason for this. Imagine you produce a matter/antimatter pair of particles. We’ll imagine three cases: one where the pair is of electrons and positrons, a second where the pair is of two photons (bosons that are their own antiparticle), and a third where the pair is a neutrino and an antineutrino. Starting at the creation point, where the particles first come into existence from some form of energy (via Einstein’s famous E = mc2), you can imagine what will happen for each of these cases.
1.) If you produce electrons and positrons, they’ll move away from one another in opposite directions, and both the electron and positron will have the options of spin being either +½ or -½ along any axis. So long as the total amount of angular momentum is conserved for the system, there are no restrictions on the directions in which electrons or positrons spin.
2.) If you produce two photons, they’ll also move away from one another in opposite directions, but their spins are highly constrained. Whereas an electron or positron could spin in any direction at all, a photon’s spin can only be oriented along the axis that this quantum of radiation propagates. You can imagine pointing your thumb in the direction the photon moves, but the spin is restricted by the direction your fingers curl around relative to your thumb: it can go clockwise (right-handed) or counterclockwise (left-handed) around the axis of rotation (+1 or -1; bosons have integer, rather than half-integer, spins), but no other spins are allowed.
3.) Now, we come to the neutrino and antineutrino pair, and it’s going to get weird. All of the neutrinos and antineutrinos we’ve ever detected are extraordinarily high in energy, meaning that they move at speeds so high that their motion is experimentally indistinguishable from the speed of light. Instead of behaving like electrons and positrons, we find that all neutrinos are left-handed (spin = +½) and all antineutrinos are right-handed (spin = -½).
Throughout most of the 20th century, it was taken as an unusual but quirky property of neutrinos: one that was allowed because they were thought to be completely massless. But a series of experiments and observatories involving neutrinos produced by the Sun and neutrinos produced by cosmic ray collisions with Earth’s atmosphere revealed a bizarre property of these elusive particles.
Instead of remaining the same flavor of neutrino or antineutrino (electron, muon, and tau; one corresponding to each of the three families of lepton), there is a finite probability that one type of neutrino can oscillate into another. The probability of this occurring depends on a number of factors that are still being explored, but one thing is certain: this behavior is only possible if neutrinos have a mass. It may be small, but it must be non-zero.
Although we don’t know which neutrino types have which mass, there are meaningful constraints that teach us profound truths about the Universe. From the neutrino oscillation data, we can determine that at least one of these three neutrinos has a mass that can be no less than a few hundredths of an electron-volt; that’s a lower limit.
On the other hand, brand new results from the KATRIN experiment constrain the electron neutrino’s mass to be less than 1.0 eV (directly), while astrophysical data from the cosmic microwave background and baryon acoustic oscillations constrain the sum of the masses of all three types of neutrino to be less than about 0.17 eV. Somewhere between these upper limits and the oscillation-informed lower limit lies the actual masses of the neutrinos.
But this is where the big puzzle comes in: if neutrinos and antineutrinos have mass, then it should be possible to turn a left-handed neutrino into a right-handed particle simply by either slowing the neutrino down or speeding yourself up. If you curl your fingers around your left thumb and point your thumb towards you, your fingers curl clockwise around your thumb. If you point your left thumb away from you, though, your fingers appear to curl counterclockwise instead.
In other words, we can change the perceived spin of a neutrino or antineutrino simply by changing our motion relative to it. Since all neutrinos are left-handed and all antineutrinos are right-handed, does this mean that you can transform a left-handed neutrino into a right-handed antineutrino simply by changing your perspective? Or does this mean that left-handed antineutrinos and right-handed neutrinos exist, but are beyond our current detection capabilities?
Believe it or not, unlocking the answer to this question could open the door to understanding why our Universe is made of matter and not antimatter. One of the four fundamental requirements for producing a matter-antimatter asymmetry from an initially symmetric state is for the Universe to behave differently if you replace all the particles with antiparticles, and a Universe where all your neutrinos are left-handed and all your antineutrinos are right-handed could give you exactly that.
The result of boosting yourself to view a left-handed neutrino from the opposite direction will shed a tremendous hint: if you see a right-handed neutrino, then they exist in this Universe, neutrinos are Dirac fermions, and there’s something more to learn. If you see a right-handed antineutrino, however, then neutrinos are Majorana fermions, and might point towards a solution (leptogenesis) to the matter-antimatter problem.
Our Universe, as we understand it today, is full of puzzles that we cannot explain. The neutrino is perhaps the only Standard Model particle whose properties have yet to be thoroughly uncovered, but there’s a tremendous hope here. You see, during the earliest stages of the Big Bang, neutrinos and antineutrinos are produced in tremendous numbers. Even today, only photons are more abundant. On average, there are around 300 neutrinos and antineutrinos per cubic centimeter in our Universe.
But the ones that were made in the Universe’s hot, early stages are special: as a result of being around for so long in our expanding Universe, they now move so slowly that they’re guaranteed to have fallen into a large halo encompassing every massive galaxy, including our own. These neutrinos and antineutrinos are everywhere, with minute but finite cross-sections, just waiting to be explored. When our experimental sensitivity catches up to the physical reality of relic neutrinos, we’ll be one step closer to understanding just how, exactly, our Universe came to be. Until then, neutrinos will likely remain the Standard Model’s greatest puzzle.
Foto-Observatorul de neutrini din Sudbury, care a contribuit la demonstrarea faptului cî neutrinii au masă și perioadă de oscilație. Având rezultate suplimentare din observatoarele și experimentele atmosferice, solare și terestre, s-ar putea să nu putem explica suita completă a ceea ce am observat cu doar 3 neutrini din modelul standard (A. B. MCDONALD (UNIVERSITATEA REGATULUI) ET AL. INSTITUTUL OBSERVATORIU SUDBURY NEUTRINO)
Fiecare formă de materie pe care o cunoaștem în Univers este formată din aceleași puține particule fundamentale: quark-urile, leptonii și bosonii modelului standard. Quark-urile și leptonii se leagă pentru a forma protoni și neutroni, elemente grele, atomi, molecule și toată materia vizibilă pe care o cunoaștem. Bosonii sunt responsabili pentru forțele dintre toate particulele și – cu excepția câtorva puzzle-uri precum materia întunecată, energia întunecată și de ce Universul nostru este plin de materie și nu de antimaterie – regulile care guvernează aceste particule sunt universale.
Cu excepția, adică… neutrino. Această particulă se comportă atât de bizar și unic, distinct de toate celelalte, încât este singura particulă ale cărei proprietăți nu pot fi contabilizate doar de modelul standard. Iată de ce.
Foto-Particulele și antiparticulele modelului standard respectă tot felul de legi de conservare, dar există ușoare diferențe între comportamentul anumitor perechi de particule / antiparticule care da indicii ale originii baryogenezei. (E. SIEGEL / DUPĂ GALAXIE)
Imaginează-ți că ai o particulă. Va avea câteva proprietăți specifice care sunt cunoscute intrinsec, fără echivoc. Aceste proprietăți includ:
- mass,
- electric charge,
- weak hypercharge,
- spin (inherent angular momentum),
- color charge,
- baryon number,
- lepton number,
- and lepton family number,
precum și altele. Pentru o leptonă încărcată, ca un electron, valorile precum masa și sarcina electrică sunt cunoscute cu o precizie extraordinară, iar aceste valori sunt identice pentru fiecare electron din Univers.
Electronii, ca și toate quark-urile și leptonii, au și valori pentru toate aceste alte proprietăți (sau numere cuantice). Unele dintre aceste valori pot fi zero (cum ar fi încărcarea culorii sau numărul barionului), dar cele care nu sunt zero ne spun ceva suplimentar despre fiecare particulă în cauză. Spinul, de exemplu, poate fi + + ½ sau -½ pentru electron, ceea ce vă spune ceva important: există un grad de libertate aici.
Foto-Linia de hidrogen de 21 de centimetri se produce atunci când un atom de hidrogen care conține o combinație de protoni / electroni cu rotiri aliniate (de sus) se întoarce pentru a avea rotiri anti-aliniate (de jos), emitând un foton particular cu o lungime de undă foarte caracteristică. Configurația cu spin opus în nivelul de energie n = 1 reprezintă starea de bază a hidrogenului, dar energia punctului său zero este o valoare finită, non-zero. Această tranziție face parte din structura hiperfină a materiei, depășind chiar și dincolo de structura fină pe care o experimentăm mai des. Pentru electroni și protoni liberi, există o șansă de 50/50 ca aceștia să se lege fie în stările aliniate, fie în cele anti-aliniate. (TILTEC DE COMUNE WIKIMEDIA)
Este motivul pentru care, dacă legați un electron la un proton (sau la orice nucleu atomic), există o șansă de 50/50, care va avea spinul aliniat la spinul protonului sau nu. Spinul unui electron, în raport cu orice axă pe care o alegeți (x, y și z, direcția de mișcare a electronului, axa de rotire a protonului etc.) este complet aleatorie.
Neutrinii, ca și electronii, sunt și leptoni. Deși nu au încărcări electrice, ei au toate numerele cuantice. La fel cum un electron are un omolog antimaterie (pozitronul), neutrino are și un omolog antimaterie: antineutrino. Deși a fost teoretizat pentru prima dată în 1930 de Wolfgang Pauli, prima detectare a neutrinilor nu a avut loc până la jumătatea anilor ’50 și a implicat de fapt antineutrino produși de reactoarele nucleare.
Foto- Neutrino a fost propus pentru prima dată în 1930, dar nu a fost detectat până în 1956, în reactoarele nucleare. În anii și deceniile care au trecut de atunci, am detectat neutrini în Soare, în razele cosmice și chiar în supernove. Aici, vedem construcția rezervorului folosit în experimentul cu neutrino solar în mina de aur Homestake din anii ’60. (LABORATOR NAȚIONAL BROOKHAVEN)
Pe baza proprietăților particulelor produse de o interacțiune neutrino, putem reconstrui diverse proprietăți ale neutrinilor și antineutrinilor. Una dintre ele, în special, se remarcă ca fiind incongruentă cu fiecare alt fermion din Modelul Standard: rotire.
Vă amintiți cum a existat o șansă de 50/50 că un electron va avea un rotire de + ½ sau -½? Ei bine, acest lucru este valabil pentru fiecare quark și lepton din modelul standard, cu excepția neutrinului.
Toate cele șase quark-uri și toate cele șase antiquarks pot avea rotiri care sunt + ½ sau -½, fără excepții.
Electronul, muonul și tau-ul, precum și antiparticulele lor, sunt permise rotiri de + ½ sau -½, fără excepții.
Dar când vine vorba de cele trei tipuri de neutrino și cele trei tipuri de antineutrino, rotirile lor sunt restricționate.
Foto- Producția de perechi de materie / antimaterie (stânga) din energie pură este o reacție complet reversibilă (dreapta), cu materie / antimaterie anihilându-se înapoi în energie pură. Când un foton este creat și apoi distrus, acesta experimentează acele evenimente simultan, fiind în același timp incapabil să experimenteze orice altceva. Dacă acționați în cadrul de repaus din centrul momentului (sau din centrul de masă), perechile de particule / antiparticule (inclusiv doi fotoni) se vor închide la unghi de 180 de grade unul cu celălalt. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITATEA ALBERTA)
Există un motiv întemeiat pentru acest lucru. Imaginați-vă că produceți o pereche de particule antimaterie. Ne vom imagina trei cazuri: unul în care perechea este de electroni și pozitroni, un al doilea în care perechea este din doi fotoni (bosoni care sunt propriile lor antiparticule) și un al treilea în care perechea este un neutrino și un antineutrino. Începând din punctul de creație, în care particulele apar prima dată dintr-o formă de energie (prin celebrul E = mc2) al lui Einstein, vă puteți imagina ce se va întâmpla pentru fiecare dintre aceste cazuri?
1.) Dacă produci electroni și pozitroni, aceștia se vor îndepărta unul de celălalt în direcții opuse și atât electronul cât și pozitronul vor avea opțiunile de a fi fie + ½ sau -½ de-a lungul oricărei axe. Atât timp cât se păstrează cantitatea totală de moment unghiular pentru sistem, nu există restricții cu privire la direcțiile în care se învârtesc electronii sau pozitronii.
Foto- O polarizare circulară din stânga este inerentă la 50% din fotoni și o polarizare circulară din dreapta este inerentă celorlalte 50%. Ori de câte ori sunt creați doi fotoni, rotirile lor (sau momentele unghiulare intrinseci, dacă doriți) se rezumă întotdeauna astfel încât momentul unghiular total al sistemului să fie conservat. Nu există impulsuri sau manipulări pe care le putem efectua pentru a modifica polarizarea unui foton. (COMUNE E-KARIMI / WIKIMEDIA)
2.) Dacă produceți doi fotoni, se vor îndepărta și unul de celălalt în direcții opuse, dar rotirile lor sunt foarte restrânse. În timp ce un electron sau un pozitron s-ar putea roti în orice direcție, spinul unui foton poate fi orientat numai de-a lungul axei pe care o propagă această cantitate de radiații. Vă puteți imagina îndreptându-vă degetul mare în direcția în care se mișcă fotonul, dar rotirea este restricționată de direcția în care degetele se încolăcesc în raport cu degetul mare: poate merge în sensul acelor de ceasornic (dreapta) sau în sensul acelor de ceasornic (stânga) în jurul axei rotire (+1 sau -1; bosonii au numere întregi, mai degrabă decât jumătate întregi, rotiri), dar nu sunt permise alte rotiri.
3.) Acum, ajungem la perechea neutrino și antineutrino și va deveni ciudat. Toți neutrinii și antineutrinii pe care i-am detectat vreodată au o energie extraordinar de mare, ceea ce înseamnă că se mișcă la viteze atât de mari încât mișcarea lor este indistinguibilă experimental de viteza luminii. În loc să ne comportăm ca electroni și pozitroni, descoperim că toți neutrinii sunt stângaci (spin = + ½) și că toți antineutrinii sunt dreptaci (spin = -½).
Foto- Dacă prindeți un neutrino sau un antineutrino care se deplasează într-o direcție anume, veți constata că momentul său unghiular intrinsec prezintă o rotire în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, corespunzător faptului că particula în cauză este neutrino sau antineutrino. Dacă neutrinii dreaptaci (și antineutrinii stângaci) sunt reali sau nu este o întrebare fără răspuns, care ar putea debloca multe mistere despre cosmos. (HIPPERFIZICA / R NAVE / GEORGIA UNIVERSITATEA DE STAT)
În secolul XX, aceasta a fost luată ca o proprietate neobișnuită, dar ciudată, a neutrinilor: una care a fost permisă, deoarece se credea că sunt complet fără masă. Dar o serie de experimente și observatorii care implică neutrini produși de Soare și neutroni produși prin coliziunile de raze cosmice cu atmosfera Pământului au relevat o proprietate bizară a acestor particule evazive.
În loc să rămână aceeași formă de neutrino sau antineutrino (electron, muon și tau; una corespunzătoare fiecăreia dintre cele trei familii de lepton), există o probabilitate finită ca un tip de neutrino să oscileze. Probabilitatea ca aceasta să apară depinde de o serie de factori care sunt încă studiați, dar un lucru este sigur: acest comportament este posibil numai dacă neutrinii au o masă. Poate fi mic, dar diferit de zero.
Foto- Dacă începeți cu un neutrin de electron (negru) și îi permiteți să călătorească fie prin spațiu gol, fie prin materie, acesta va avea o anumită probabilitate de a oscila, lucru care se poate întâmpla doar dacă neutrinii au mase foarte mici, dar care nu sunt zero. Rezultatele experimentului neutrinilor solari și atmosferici sunt în concordanță unele cu altele, dar nu cu suita completă de date despre neutrino. (STRAIT DE UTILIZATOR COMUN WIKIMEDIA)
Deși nu știm ce tipuri de neutrino au masă, există constrângeri semnificative care ne învață adevăruri profunde despre Univers. Din datele de oscilație ale neutrinilor, putem determina că cel puțin unul dintre acești trei neutrini are o masă care poate fi nu mai puțin de câteva sutimi de electroni-volt; aceasta este o limită inferioară.
Pe de altă parte, rezultatele noi din experimentul KATRIN constrâng masa neutrinului de electroni să fie mai mică de 1,0 eV (direct), în timp ce datele astrofizice din fundalul microundelor cosmice și oscilațiile acustice ale baronului constrâng suma maselor celor trei tipuri de neutrino să fie mai mic de aproximativ 0,17 eV. Undeva între aceste limite superioare și limita inferioară se află masele reale ale neutrinilor.
O scară logaritmică care arată masele fermionilor modelului standard: quark-urile și leptonele. Rețineți minusculele maselor de neutrino. Cu cele mai noi rezultate KATRIN, neutrinul de electroni este mai mic de 1 eV în masă, în timp ce din datele din Universul timpuriu, suma celor trei mase de neutrini nu poate fi mai mare de 0,17 eV. Acestea sunt cele mai bune limite superioare pentru masa neutrino. (HITOSHI MURAYAMA)
Dar aici vine marele puzzle: dacă neutrinii și antineutrinii au masă, atunci ar trebui să fie posibil să transformăm un neutrin din stânga într-o particulă dreaptă pur și simplu încetinind neutrino-ul sau grăbindu-vă. Dacă îți rotești degetele în jurul degetului mare stâng și îți îndreptați degetul mare spre tine, degetele se curbă în sens orar în jurul degetului mare. Dacă îți îndrepți degetul stâng departe de tine, în schimb, degetele par să se curbe în sens invers acelor de ceasornic.
Cu alte cuvinte, putem schimba spinul perceput al unui neutrino sau antineutrino pur și simplu schimbând mișcarea noastră în raport cu acesta. Deoarece toți neutrinii sunt stângaci și toți antineutrinii sunt dreptaci, asta înseamnă că puteți transforma un neutrin din stânga într-un antineutrino drept doar schimbând perspectiva? Sau înseamnă asta că există antineutrini stângaci și neutrini stângaci, dar sunt dincolo de capacitățile noastre actuale de detectare?
Foto- Experimentul GERDA, din urmă cu un deceniu, s-a ocupat de dubla descompunere beta a neutrinilor . Experimentul MAJORANA, prezentat aici, are potențialul de a detecta în sfârșit această rară descompunere. (EXPERIMENTUL / UNIVERSITATEA DE WASHINGTON MAJORANA NEUTRINOLESS DOUBLE-BETA DECAY)
Credeți sau nu, răspunsul la această întrebare ar putea deschide ușa înțelegerii de ce Universul nostru este format din materie și nu antimaterie. Una dintre cele patru cerințe fundamentale pentru producerea unei asimetrii antimaterie materie dintr-o stare inițial simetrică este ca Universul să se comporte diferit dacă înlocuiți toate particulele cu antiparticule și un Univers în care toți neutrinii dvs. sunt stângaci și toți antineutrinii dvs. sunt mâna dreaptă ar putea să vă dea exact asta.
Rezultatul creșterii dvs. pentru a vedea un neutrino din stânga din direcția opusă va arunca un indiciu extraordinar: dacă vedeți un neutrino cu mâna dreaptă, atunci există în acest Univers, neutrinii sunt fermionii Dirac și mai există ceva de învățat. Dacă vedeți totuși un antineutrino drept, atunci neutrinii sunt fermioni Majorana și ar putea îndrepta spre o soluție (leptogeneză) la problema materiei-antimaterie.
Încă nu am măsurat masele absolute de neutrini, dar putem spune diferențele dintre masele de măsurători solare și neutrino atmosferice. O scară de masă de aproximativ ~ 0,01 eV pare să se potrivească cel mai bine datelor și patru parametri totale (pentru matricea de amestecare) sunt necesari pentru a înțelege proprietățile neutrino. Rezultatele LSND și MiniBooNe, însă, sunt incompatibile cu această imagine simplă și ar trebui fie confirmate, fie contrazise în următoarele luni. (HAMISH ROBERTSON, LA SIMPOSIUL CAROLINA 2008)
Universul nostru, așa cum îl înțelegem astăzi, este plin de puzzle-uri pe care nu le putem explica. Neutrino este probabil singura particulă cu model standard ale cărei proprietăți nu au fost încă descoperite în detaliu, dar există o speranță imensă aici. Vedeți, în primele etape ale Big Bang-ului, neutrinos și antineutrinos au fost produși într-un număr extraordinar. Chiar și astăzi, doar fotonii sunt mai abundenți. În medie, în Universul nostru există în jur de 300 de neutrini și antineutrini pe centimetru cub.
Dar ccondițiile din etapele timpurii fierbinți ale Universului au fost speciale: ca urmare a faptului că stau atât de mult timp în Universul nostru în expansiune, acum se mișcă extrem de încet în galaxii, inclusiv a noastră. Acești neutrini și antineutrini sunt peste tot și abia așteaptă să fie descoperiți. Când sensibilitatea noastră experimentală se va apropia de realitatea fizică a neutrinilor religve, vom fi cu un pas mai aproape de a înțelege exact cum a ajuns universul nostru. Până atunci, probabil, neutrinii vor rămâne cel mai mare puzzle al modelului standard.
***
Mihail stories 