ПРОЕКТ ПО АСТРОФИЗИКЕ 9 КЛАСС. Где рождаются нейтрино

• Название: Где рождаются нейтрино
• Дата: 04.10.2022
• Размер: 0.73 Mb.
• Имя файла: ПРОЕКТ ПО АСТРОФИЗИКЕ 9 КЛАСС.docx
• Тип: Исследование; #713123

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ГОРОД КРАСНОДАР

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 96

ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ ПО ФИЗИКЕ

«ГДЕ РОЖДАЮТСЯ НЕЙТРИНО»

Выполнил:

Ученик 9 «Е» класса

Чопик Максим

Учитель:

Стамбольжи О.В.

Краснодар

2020

РАЗДЕЛЫ ПРОЕКТА

1. 
   Исследование проблемы. Выбор темы проекта.
   
2. 
   Историческая справка по теме.
   
3. 
   Факторы, которые следует принять во внимание.
   

• 
  Определение, значение, перевод;
  
• 
  Свойства нейтрино;
  
• 
  Исследования нейтрино;
  
• 
  Перспективы использования.
  

4. 
   Описание собственной работы над проектом:
   

• 
  Разработка эскизов, видео-роликов, ознакомление с литературой;
  
• 
  Подготовка материалов;
  
• 
  Оформление проекта;
  
• 
  Защита проекта.
  

5. 
   Вывод по теме.
   
6. 
   Демонстрационно-наглядный материал.
   
7. 
   Литература.
   

СОДЕРЖАНИЕ

1. 
   Определение, значение, перевод.
   
2. 
   Свойства нейтрино.
   
3. 
   История открытия.
   
4. 
   Исследования нейтрино.
   
5. 
   Перспективы использования.
   
6. 
   Выводы.
   

ВЫБОР ТЕМЫ ПРОЕКТА

Призрачные гости: что известно о нейтрино и как человечество может использовать частицу

Нейтрино — одна из элементарных частиц, размеры которой в тысячи раз меньше размеров электрона. Современная наука знает как минимум о трёх видах нейтрино, также подтверждено, что частицы одного вида могут превращаться в другие. Теперь же американские исследователи предполагают, что одно нейтрино может сочетать в себе два вида одновременно. Что будет, если это подтвердится, и как «призрачная частица» может быть использована человечеством.





Достаточно сказать, что без нейтрино Вселенной не было бы вовсе. Частица принимает непосредственное участие в термоядерных реакциях — таких, например, какие происходят на Солнце, в результате чего водород превращается в гелий. Одним из эффектов этих превращений является вылет из ядра атома нейтрино, которые «уносят» энергию из точки прошедшей реакции. Сверхмалые размеры и высокая проникающая способность позволяют нейтрино преодолеть по прямой путь от Солнца до Земли, пролететь сквозь планету и двигаться дальше.

Нейтрино — что это такое? Определение, значение, перевод



Нейтрино (ударение на «и») это элементарная частица, которую, согласно Владимиру Высоцкому, не поймаешь за бороду и не посадишь в пробирку. Эта маленькая «вспомогательная» частица была открыта в 1930 году австрийским физиком еврейских кровей Вольфгангом Паули.

После того как физики столкнулись с противоречиями в характере квантовых уровней энергии, выделяемой при «бета-распаде», Паули предложил гипотезу, согласно которой вместе с электронами из ядра «вылетают» некие нейтральные частицы, существование которых и компенсирует «потерянную энергию». Именно благодаря нейтральности своего заряда нейтрино получил своё красивое имя.


ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Примерно сто лет назад физиков стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада вроде бы должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые, по всей видимости, тоже не сохранялись.

В принципе, эту аномалию можно объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже знаменитый профессор теоретической физики швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. В качестве «крайнего средства» (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии и углового момента Паули допустил, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином. Эти гипотетические лептоны он предложил называть нейтронами. Согласно его гипотезе, именно они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, поэтому в каждом акте бета-распада сумма энергий этой частицы и электрона должна быть постоянной.

Свойства нейтрино

Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:

• 
  электронное нейтрино/электронное антинейтрино;
  
• 
  мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино
  
• 
  тау-нейтрино/анти-тау-нейтрино
  

Различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга — это так называемые нейтринные осцилляции ; считается, что это происходит из-за того, что нейтрино обладают ненулевой массой^[9].

В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, показано, что нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной^[10].

Существуют теоретические предпосылки, предсказывающие существование четвёртого типа нейтрино — стерильного нейтрино. Однозначного экспериментального подтверждения их существования (например в проектах MiniBooNE (англ.), LSND (англ.)) пока нет^[11].

Неизвестно, является ли нейтрино античастицей самой себе (см. майорановский фермион)^[12][11].

Неизвестно, нарушается ли CP-инвариантность при нейтринных осцилляциях^[11].

Масса

Нейтрино имеют ненулевую массу, но эта масса крайне мала. Факт наличия у нейтрино массы выходит за рамки Стандартной модели и приводит к необходимости её расширения. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ^[13][14]. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7⋅10⁻³ эВ².

Информация о точном значении массы нейтрино важна для объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.

Нейтрино (ν)
Состав	фундаментальная частица
Семья	Фермионы
Группа	Лептоны
Поколение	ν e ν μ ν τ
Участвует во взаимодействиях	Слабое, гравитационное
Античастица	Антинейтрино
Кол-во типов	6 (электронное нейтрино мюонное нейтрино тау-нейтрино и их античастицы)
Масса	меньше 0,12 эВ, но не нулевая у всех ароматов (ν e, ν μ, ν τ)[1][2][3]
Время жизни	Стабильны или > 7⋅109 с ×(mν/1 эВ)−1
Квантовые числа
Электрический заряд	0
Цветной заряд	0
Барионное число	0
B−L	−1
Спин	½ ħ
Слабый гиперзаряд	−1

ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙТРИНО

Российские ученые нашли адрес рождения загадочного нейтрино. 

Эта работа российских ученых может стать прорывом в физике. Речь идет о самой о разыскиваемой в истории физики элементарной частице — нейтрино. Она подозревается в нарушении почти всех законов физики. От нее ждут ответа на самые главные вопросы об устройстве Вселенной: почему материи в ней больше, чем антиматерии, хотя после Большого взрыва их было поровну? Как возникли галактики?

По мнению ученых, без нейтрино во Вселенной кроме света не было бы ничего, ни материи, ни людей. Ловушки на нее — а это установки стоимостью в многие десятки миллионов долларов — расставлены по всей планете, в том числе, Германии, США, Китае, Японии, Италии, России. Но нейтрино попадает в сети очень редко, удачи можно ждать годами. Дело в том, что для нее почти вся материя прозрачна, говоря образно, она избегает любых контактов, а потому пролетает через Вселенную, никак себя не проявив. Но время от времени одна частица случайно взаимодействует с другой, и специализированные детекторы могут уловить этот сигнал. Но чтобы защитить детекторы от внешних помех, их обычно строят глубоко под землей, под водой или под ледяными покровами. Сегодня наука научилась обнаруживать следы нейтрино по косвенным уликам, что позволило раскрыть какие-то из ее тайн. За одну из них в 2015 году была присуждена Нобелевская премия. Но загадок у этой частицы осталось куда больше. Одну из них удалось раскрыть ученым из ФИАН, МФТИ и Института ядерных исследований РАН.

— Мы искали ответ на вопрос: где и как рождаются нейтрино высоких энергий, — рассказал корреспонденту "РГ" один из авторов исследования член-корреспондент РАН Юрий Ковалев. — Над этим давно бьются ученые всего мира. Интерес очевиден. Дело в том, что такие супер-энергичные нейтрино рождаются с участием протонов только при одном условии: протоны должны быть разогнаны почти до скорости света. Это очень непросто, ведь масса протона примерно в 2000 раз больше, чем у электрона. На Земле для такого разгона строят гигантские ускорители.

А как их разгоняют в космосе? Теоретики давно назвали один из предполагаемых адресов: это квазары — галактики со сверхмассивными черными дырами в центре. Когда материя падает к черной дыре, протоны могут ускоряться почти до скорости света и выбрасываться в космос. Часть из них превратится в энергичные нейтрино. Теоретики дали одну наводку для поиска нейтрино — гамма-лучи, которые должны рождаться вместе с нейтрино.

Поиском связи нейтрино и гамма-излучения наука, по словам Ковалева, занималась много лет. И в 2018 году было объявлено об удаче: были зарегистрированы одновременная вспышка в гамма и приход нейтрино от одного квазара. Этот, единственный за много лет, результат вызвал огромный интерес, опубликованы статьи в самых престижных журналах, созвана большая пресс-конференция национального научного фонда США. Но многие авторитетные ученые встретили эту сенсацию скептически. Говорили, что единственное событие по единственному квазару за 10 лет надо подтверждать новыми доказательствами. Вдруг это случайное совпадение? Время шло, а они так и не появились.

Такова была ситуация к моменту, когда российские ученые начали проводить свое исследование. Была выдвинута новая гипотеза: искать связь нейтрино не с гамма-лучами, а с радиоизлучением квазаров. Для ее подтверждения ученые использовали данные из IceCube, американской нейтринной обсерватории, погребенной под двумя километрами льда в Антарктиде. Детектор, фиксирующий «призрачные частицы», находится под толщей льда: струны, на которых расположены более 5 тыс. датчиков, вертикально протянуты на глубине от 1450 до 2450 метров.

Моменты регистрации нейтрино ученые сравнили с данными о положениях и вспышках радиоизлучения квазаров, полученных с помощью радиотелескопов по всему миру и российского РАТАН-600 Специальной Астрофизической Обсерватории в Карачаево-Черкессии.

— И они совпали. При регистрации нейтрино, видно и вспышку радиоизлучения от квазара, наблюдаемого в том же направлении. Все красиво сошлось. Вероятность того, что совпадение случайно, составляет всего 0,2%. Теперь этот результат требует подробного теоретического анализа.

Это открытие заложило фундамент для того, чтобы понять, как рождаются нейтрино в центре квазаров и как там ускоряются протоны. Ученые будут использовать в будущем не только американскую обсерваторию, но и наш нейтринный телескоп БАЙКАЛ.

Оптический модуль, установленный на нейтринном телескопе Baikal-GVD. Фото ИЯИ РАН
С 17 февраля по 10 апреля 2020 года был осуществлен монтаж двух новых кластеров оптических модулей, шестого и седьмого из двенадцати. Эффективный объем установки вырос до 0,35 км3.

ВИДЕО:

1.Ловцы нейтрино

Россия 24

2.NASA | Астрофизика | Ферми, нейтрино, блазар

Живая Вселенная

3.Нейтрино. Поймать неуловимое и взвесить невесомое (история открытия нейтрино)

Light Science

4.Частицы "нейтрbино" движутся быстрее 

Фото и иллюстрация нейтринного телескопа IceCube. IceCube Collaboration/NSF

Перспективы использования НЕЙТРИНО

Одно из перспективных направлений использования нейтрино — это нейтринная астрономия. Нейтрино несут важную информацию о ранних стадиях расширения Вселенной^[34]. Кроме того, известно, что звёзды, кроме света, излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звёздной эволюции за счёт нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии (нейтринное охлаждение), то изучение свойств нейтрино (в частности — энергетического спектра солнечных нейтрино) помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать ещё более удалённые астрономические объекты^[35].

Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведённые в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).

Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи (нейтринная связь), что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю^[36].

Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли^[37], могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли^[38].

ВЫВОДЫ ПО ТЕМЕ

Если задаться вопросом, какая научная проблема сегодня наиболее важна и наиболее фундаментальна, то ответ очевиден - та, решение которой позволит дать ответы на максимальное число самых актуальных вопросов современного этапа развития самой науки.
    В физике элементарных частиц сегодня такой центральной проблемой является природа нейтрино. Эта действительно ключевая, междисциплинарная проблема, которая пронизывает всю физику элементарных частиц, космологию и астрофизику. Наличие ненулевых масс у нейтрино важно для построения современных теорий элементарных частиц, понимания строения Вселенной и образования в ней крупномасштабных структур типа скоплений галактик. Здесь легкие массивные нейтрино играют роль так называемой горячей темной (или скрытой) материи. Исследование свойств нейтрино, в том числе и электромагнитных, необходимо для решения проблемы дефицита солнечных нейтрино, выяснения механизмов взрыва сверхновых и образования энергии в звездах (на Солнце) и в недрах нашей Земли, для понимания причин возникновения космических лучей сверхвысоких энергий. По степени фундаментальности и мировоззренческой важности в современной физической науке исследованиям по физике нейтрино нет конкурентов. На новый уровень сегодня выходят прикладные нейтринные исследования на промышленных и исследовательских ядерных реакторах - это исследования процессов внутри реакторов с помощью антинейтрино для задач ядерной энергетики. Они включают непрерывное измерение мощности реактора и степени выгорания топлива, томографию выгорания топлива в реальном времени, создание компактных детекторов антинейтрино для дистанционного контроля в реальном времени наработки и несанкционированного отбора плутония в процессе работы реактора (для предотвращения распространения ядерного оружия) и т.п.

ЛИТЕРАТУРА:

1. 
   Plavin А., Kovalev Y. Y., Kovalev Y. A., Troitsky S. Observational evidence for the origin of high-energy neutrinos in parsec-scale nuclei of radio-bright active galaxies // The Astrophysical Journal. Vol. 894. N. 2.doi.org/10.3847/1538-4357/ab86bd; arxiv.org/abs/2001.00930
   
2. 
   Штерн Б. Первый крик нейтринной астрономии // ТрВ-Наука. № 258 от 07.07.2018.
   
3. 
   ru.wikipedia.org/wiki/Релятивистская_аберрация
   
4. 
   Мухин, К. Нейтрино: вчера, сегодня, завтра // Наука и жизнь. — 2014. — № 3,4. — С. 4—12.
   
5. 
   Ву Цзянь-сюн Нейтрино // Теоретическая физика 20 века / под ред. Я. Смородинского. — М.: ИЛ, 1962. — С. 290—356.
   
6. 
   Биленький, С. М. Лекции по физике нейтринных и лептон-нуклонных процессов. — М.: Энергоиздат, 1981. — С. 216.
   
7. 
   Иванов И. Нейтринный детектор IceCube окончательно доказал реальность астрофизических нейтрино // Элементы.ру, 2014.
   
8. 
   Левин А. Ловля солнечных нейтрино: историческая ретроспектива // Элементы.ру, 2014.
   

ЗАЩИТА ПРОЕКТА