Sebuah neutrino (/ nu ː ː tri noʊ / atau / nju ː ː tri noʊ /) adalah netral, berinteraksi lemah partikel subatomik dasar dengan putaran setengah integer. Neutrino (artinya "satu netral kecil" dalam bahasa Italia) dilambangkan dengan huruf Yunani ν (nu). Semua bukti menunjukkan bahwa neutrino memiliki massa tapi massa mereka kecil bahkan oleh standar partikel subatom. Massa mereka belum pernah diukur secara akurat.
Neutrino tidak membawa muatan listrik, yang berarti bahwa mereka tidak terpengaruh oleh kekuatan elektromagnetik yang bekerja pada partikel bermuatan seperti elektron dan proton. Neutrino hanya dipengaruhi oleh gaya lemah sub-atom, dari jangkauan jauh lebih pendek dari elektromagnetisme, dan gravitasi, yang relatif lemah pada skala subatomik. Oleh karena itu neutrino khas melewati materi normal tanpa hambatan.
Neutrino diciptakan sebagai hasil dari beberapa jenis peluruhan radioaktif, atau reaksi nuklir seperti yang terjadi di Matahari, pada reaktor nuklir, atau ketika sinar kosmik menabrak atom. Ada tiga jenis, atau "rasa", neutrino: neutrino elektron, neutrino muon dan neutrino tau. Setiap jenis dikaitkan dengan anti-partikel, yang disebut "antineutrino", yang juga memiliki muatan listrik netral dan berputar setengah integer. Apakah atau tidak neutrino dan antineutrino yang sesuai adalah partikel identik belum diselesaikan, meskipun antineutrino memiliki kiralitas berlawanan dengan neutrino.
Kebanyakan neutrino melewati Bumi berasal dari Matahari. Sekitar 65 miliar (6,5 × 1010 ) neutrino surya per detik melewati setiap sentimeter persegi tegak lurus terhadap arah Matahari di wilayah Bumi.
History
Pauli's proposal
Neutrino yang dipostulatkan pertama oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1930 untuk menjelaskan bagaimana peluruhan beta bisa menghemat energi, momentum, dan momentum sudut (spin). Berbeda dengan Niels Bohr, yang mengusulkan versi statistik dari hukum kekekalan untuk menjelaskan acara tersebut, Pauli hipotesis partikel terdeteksi bahwa ia disebut "neutron" sesuai dengan konvensi digunakan untuk penamaan kedua proton dan elektron, yang pada tahun 1930 adalah dikenal sebagai produk masing-masing untuk alpha dan peluruhan beta.
n0 → p+ + e− + ν
e
James Chadwick menemukan partikel nuklir jauh lebih besar pada tahun 1932 dan juga menamakannya neutron, meninggalkan dua jenis partikel dengan nama yang sama. Enrico Fermi, yang mengembangkan teori peluruhan beta, menciptakan istilah neutrino (setara Italia "sedikit satu netral") pada tahun 1933 sebagai cara untuk mengatasi kebingungan. Kertas Fermi, ditulis pada tahun 1934, bersatu Pauli neutrino dengan positron Paul Dirac dan model neutron-proton Werner Heisenberg dan memberikan dasar teoritis yang solid untuk pekerjaan eksperimental masa depan. Namun, jurnal Nature menolak kertas Fermi, mengatakan bahwa teori itu "terlalu jauh dari kenyataan". Dia menyerahkan kertas ke jurnal Italia, yang menerimanya, tetapi kurangnya minat dalam teorinya pada tanggal tersebut awal menyebabkan dia beralih ke fisika eksperimental.
Direct detection
Pada tahun 1942 Wang Ganchang pertama kali mengajukan penggunaan beta-capture untuk mendeteksi neutrino eksperimental. Dalam 20 Juli 1956 isu Science, Clyde Cowan, Frederick Reines, FB Harrison, HW Kruse, dan AD McGuire menerbitkan konfirmasi bahwa mereka telah mendeteksi neutrino, hasil yang dihargai hampir empat puluh tahun kemudian dengan Hadiah Nobel 1995.
Dalam percobaan ini, sekarang dikenal sebagai Cowan-Reines neutrino percobaan, antineutrinos dibuat dalam reaktor nuklir dengan peluruhan beta bereaksi dengan proton menghasilkan neutron dan positron :
Positron cepat menemukan elektron, dan mereka akan saling membinasakan. Kedua sinar gamma yang dihasilkan (γ) yang terdeteksi. Neutron dapat dideteksi dengan menangkap pada sebuah inti yang tepat, melepaskan sinar gamma. Kebetulan dari kedua peristiwa - pemusnahan positron dan menangkap neutron - memberikan tanda unik dari interaksi antineutrino.
Neutrino flavor
Pada tahun 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz dan Jack Steinberger menunjukkan bahwa lebih dari satu jenis neutrino ada dengan terlebih dahulu mendeteksi interaksi dari neutrino muon (sudah hipotesis dengan nama neutretto), yang diterima mereka Nobel dalam Fisika 1988. Ketika tipe ketiga lepton, yang tau, ditemukan pada tahun 1975 di Stanford Linear Accelerator Center, juga diharapkan untuk memiliki neutrino terkait (tau neutrino). Bukti pertama untuk jenis neutrino ketiga berasal dari pengamatan hilang energi dan momentum dalam tau meluruh analog dengan peluruhan beta mengarah ke penemuan neutrino. Deteksi pertama tau interaksi neutrino diumumkan pada musim panas tahun 2000 oleh kolaborasi DONUT di Fermilab, keberadaannya sudah disimpulkan oleh kedua konsistensi teoritis dan data eksperimental dari Large Electron-Positron Collider.
Solar neutrino problem
Dimulai pada akhir 1960-an, beberapa percobaan menemukan bahwa jumlah neutrino elektron tiba dari Matahari adalah antara sepertiga dan satu setengah angka yang diprediksi oleh Surya Model Standar. Perbedaan ini, yang kemudian dikenal sebagai masalah neutrino surya, tetap belum terpecahkan selama tiga puluh tahun. Hal itu diselesaikan oleh penemuan osilasi neutrino dan massa. (Model Standar fisika partikel telah diasumsikan bahwa neutrino bermassa dan tidak dapat mengubah rasa. Namun, jika neutrino memiliki massa, mereka bisa mengubah rasa, atau berosilasi antara rasa).
Oscillation
Sebuah metode praktis untuk menyelidiki osilasi neutrino pertama kali diusulkan oleh Bruno Pontecorvo pada tahun 1957 menggunakan analogi dengan osilasi kaon, selama 10 tahun berikutnya ia mengembangkan formalisme matematika dan perumusan modern osilasi vakum. Pada tahun 1985 Stanislav Mikheyev dan Alexei Smirnov (memperluas 1978 karya Lincoln Wolfenstein) mencatat bahwa osilasi rasa dapat dimodifikasi ketika neutrino merambat melalui materi. Ini disebut Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein efek (efek MSW) adalah penting untuk memahami karena banyak neutrino yang dipancarkan oleh fusi di Matahari melewati materi padat dalam inti matahari (di mana pada dasarnya semua fusi matahari berlangsung) dalam perjalanan mereka ke detektor di Bumi.
Mulai tahun 1998, percobaan mulai menunjukkan bahwa matahari dan atmosfer neutrino rasa berubah. Ini diselesaikan surya masalah neutrino: neutrino elektron diproduksi di Matahari telah sebagian berubah menjadi rasa lain yang percobaan tidak bisa mendeteksi.
Meskipun eksperimen individu, seperti set surya eksperimen neutrino, konsisten dengan mekanisme non-osilasi neutrino konversi rasa, diambil sama sekali, eksperimen neutrino menyiratkan adanya osilasi neutrino. Terutama relevan dalam konteks ini adalah percobaan reaktor KamLAND dan percobaan akselerator seperti Minos. The KamLAND percobaan memang diidentifikasi osilasi sebagai mekanisme konversi rasa neutrino terlibat dalam neutrino elektron matahari. Demikian pula Minos menegaskan osilasi neutrino atmosfer dan memberikan penentuan yang lebih baik dari pemekaran kuadrat massa.
Supernova neutrinos
Raymond Davis Jr dan Masatoshi Koshiba bersama-sama dianugerahi Hadiah Nobel 2002 di Fisika, Davis untuk perintis karyanya pada neutrino kosmik dan Koshiba untuk pertama pengamatan real time neutrino supernova. Deteksi neutrino matahari, dan neutrino dari supernova SN 1987A pada tahun 1987 menandai awal dari astronomi neutrino.
Neutrino memiliki berputar setengah bilangan bulat ( ½ ħ ) dan karena itu termasuk fermion. Neutrino berinteraksi terutama melalui gaya lemah. Penemuan neutrino rasa osilasi menyiratkan bahwa neutrino memiliki massa. Keberadaan massa neutrino sangat menunjukkan keberadaan neutrino momen magnetik kecil dari urutan 10−19 μB, sehingga kemungkinan bahwa neutrino dapat berinteraksi elektromagnetik juga. Sebuah eksperimen yang dilakukan oleh CS Wu di Columbia University menunjukkan bahwa neutrino selalu memiliki kidal kiralitas. Hal ini sangat sulit untuk unik mengidentifikasi interaksi neutrino antara latar belakang alam radioaktivitas. Untuk alasan ini, dalam percobaan awal saluran reaksi khusus dipilih untuk mempermudah identifikasi : interaksi sebuah antineutrino dengan salah satu inti hidrogen dalam molekul air. Sebuah inti hidrogen adalah proton tunggal, interaksi nuklir sehingga simultan, yang akan terjadi dalam inti yang lebih berat, tidak perlu dipertimbangkan untuk percobaan deteksi. Dalam satu meter kubik air yang ditempatkan tepat di luar reaktor nuklir, hanya relatif sedikit interaksi tersebut dapat direkam, tapi setup sekarang digunakan untuk mengukur tingkat produksi plutonium reaktor.
Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein effect
Neutrino bepergian melalui materi, secara umum, menjalani proses analog dengan cahaya perjalanan melalui bahan transparan. Proses ini tidak secara langsung diamati karena tidak menghasilkan radiasi pengion, tetapi menimbulkan efek MSW. Hanya sebagian kecil dari energi neutrino yang ditransfer ke materi.
Nuclear reactions
Neutrino dapat berinteraksi dengan inti, mengubahnya ke inti lain. Proses ini digunakan dalam detektor neutrino radiokimia. Dalam hal ini, tingkat energi dan negara spin dalam nukleus target harus diperhitungkan untuk memperkirakan probabilitas untuk interaksi. Secara umum probabilitas interaksi meningkat dengan jumlah neutron dan proton dalam inti.
Alteration of nuclear decay rate
Sebuah studi Rusia menunjukkan bahwa tingkat peluruhan isotop radioaktif tidak konstan seperti yang umum diyakini, dan sebuah studi terbaru juga menemukan ini, dan mengatakan tampaknya akan terpengaruh oleh laju neutrino yang dipancarkan oleh Matahari.
Induced
Sangat banyak seperti neutron dilakukan di reaktor nuklir, neutrino dapat menginduksi reaksi fisi dalam inti berat. Sejauh ini, reaksi ini belum diukur di laboratorium, namun diperkirakan terjadi dalam bintang dan supernova. Proses mempengaruhi kelimpahan isotop tampak di alam semesta. Neutrino fisi inti deuterium telah diamati di Sudbury Neutrino Observatory, yang menggunakan detektor air berat.
Types
Ada tiga jenis yang dikenal (rasa) dari neutrino: electron neutrino νe, muon neutrino νμ and tau neutrino ντ, dinamai lepton pasangannya dalam Model Standar (lihat tabel di atas). Pengukuran terbaik saat ini jumlah jenis neutrino berasal dari mengamati peluruhan Z boson. Partikel ini bisa busuk ke setiap neutrino ringan dan yang antineutrino, dan semakin banyak jenis neutrino cahaya tersedia, semakin pendek masa Z boson. Pengukuran Z seumur hidup telah menunjukkan bahwa jumlah jenis neutrino cahaya adalah 3 korespondensi antara enam quark dalam Model Standar dan enam lepton, di antaranya tiga neutrino, menyarankan untuk intuisi fisikawan 'bahwa harus ada tepatnya tiga jenis neutrino. Namun, bukti nyata bahwa hanya ada tiga jenis neutrino tetap merupakan tujuan yang sulit dipahami fisika partikel.
Kemungkinan neutrino steril - neutrino relatif ringan yang tidak berpartisipasi dalam interaksi lemah tetapi yang dapat diciptakan melalui rasa osilasi (lihat di bawah)-tidak dipengaruhi oleh pengukuran ini Z-boson berbasis, dan keberadaan partikel tersebut sebenarnya diisyaratkan oleh data eksperimen dari percobaan LSND. Namun, saat menjalankan eksperimen MiniBooNE menyarankan, sampai saat ini, bahwa neutrino steril yang tidak diperlukan untuk menjelaskan data eksperimen, meskipun penelitian terbaru ke daerah ini terus-menerus dan anomali dalam data MiniBooNE memungkinkan untuk jenis neutrino eksotis, termasuk steril neutrino. A re-analisis terbaru dari data referensi spektrum elektron dari Institut Laue-Langevin juga telah mengisyaratkan keempat, neutrino steril.
Data yang Terakhir dianalisis dari Wilkinson Microwave Anisotropy Probe dari radiasi latar belakang kosmik kompatibel dengan tiga atau empat jenis neutrino. Diharapkan penambahan dua tahun lagi data dari probe akan menyelesaikan ketidakpastian ini.
Antineutrinos
Antineutrinos adalah antipartikel neutrino, yang merupakan partikel netral yang diproduksi dalam versi beta peluruhan nuklir. Ini dipancarkan selama emisi partikel beta, ketika neutron berubah menjadi proton. Mereka memiliki spin ½, dan merupakan bagian dari keluarga lepton partikel. Para antineutrinos diamati sejauh ini semua memiliki tangan kanan helicity (yaitu hanya satu dari dua negara spin mungkin pernah melihat), sedangkan neutrino kidal. Antineutrinos, seperti neutrino, berinteraksi dengan materi lain hanya melalui gaya gravitasi dan lemah, membuat mereka sangat sulit untuk dideteksi secara eksperimental. Neutrino osilasi percobaan menunjukkan bahwa antineutrinos memiliki massa, tetapi percobaan peluruhan beta membatasi bahwa massa menjadi sangat kecil. Sebuah interaksi neutrino-antineutrino telah diusulkan dalam upaya untuk membentuk foton komposit dengan teori neutrino cahaya.
Karena antineutrino dan neutrino adalah partikel netral sangat mungkin bahwa mereka sebenarnya partikel yang sama. Partikel yang memiliki properti ini dikenal sebagai partikel Majorana. Jika neutrino memang partikel Majorana maka neutrinoless peluruhan beta ganda, serta berbagai nomor lepton lainnya melanggar fenomena, diperbolehkan. Beberapa percobaan telah diusulkan untuk mencari proses ini.
Para peneliti di seluruh dunia telah mulai menyelidiki kemungkinan menggunakan antineutrinos untuk memantau reaktor dalam konteks mencegah proliferasi senjata nuklir.
Antineutrinos pertama kali terdeteksi sebagai akibat dari interaksi mereka dengan proton dalam sebuah tangki besar air. Ini dipasang di samping reaktor nuklir sebagai sumber dikendalikan dari antineutrinos.
Flavor oscillations
Neutrino yang paling sering dibuat atau dideteksi dengan rasa didefinisikan dengan baik (elektron, muon, tau). Namun, dalam sebuah fenomena yang dikenal sebagai neutrino rasa osilasi, neutrino dapat berosilasi antara tiga rasa yang tersedia saat mereka merambat melalui ruang. Secara khusus, hal ini terjadi karena rasa eigenstates neutrino tidak sama dengan neutrino massa eigenstates (hanya disebut 1, 2, 3). Hal ini memungkinkan untuk neutrino yang dihasilkan sebagai neutrino elektron pada lokasi tertentu memiliki probabilitas dihitung untuk dideteksi baik sebagai muon neutrino tau atau setelah itu telah bepergian ke lokasi lain. Ini efek mekanis kuantum pertama kali diisyaratkan oleh perbedaan antara jumlah neutrino elektron dideteksi dari inti matahari gagal untuk mencocokkan angka yang diharapkan, dijuluki sebagai "solar masalah neutrino". Dalam Model Standar adanya osilasi menyiratkan rasa perbedaan nol antara massa neutrino, karena jumlah pencampuran antara rasa neutrino pada waktu tertentu tergantung pada perbedaan antara massa kuadrat mereka. Ada kemungkinan lain di mana neutrino dapat berosilasi bahkan jika mereka tak bermassa. Jika Lorentz invariance bukan simetri yang persis, neutrino dapat mengalami Lorentz - melanggar osilasi.
Ada kemungkinan bahwa neutrino dan antineutrino sebenarnya partikel yang sama, hipotesis pertama kali diusulkan oleh fisikawan Italia Ettore Majorana. Neutrino bisa berubah menjadi sebuah antineutrino (dan sebaliknya) dengan membalik orientasi keadaan spin.
Perubahan ini spin akan membutuhkan neutrino dan antineutrino memiliki massa nol, dan karena perjalanan lebih lambat dari cahaya, karena seperti sandal berputar, hanya disebabkan oleh perubahan dalam sudut pandang, dapat terjadi hanya jika frame inertial acuan ada langkah yang lebih cepat dari partikel: partikel tersebut memiliki spin satu orientasi jika dilihat dari kerangka yang bergerak lebih lambat dari partikel, tapi spin berlawanan bila dilihat dari kerangka yang bergerak lebih cepat dari partikel.
Pada tanggal 19 Juli 2013 dari hasil percobaan T2K disajikan pada Konferensi Masyarakat Fisika Eropa tentang Fisika Energi Tinggi di Stockholm, Swedia, menegaskan teori osilasi Neutrino.
Speed
Sebelum neutrino ditemukan terombang-ambing, mereka umumnya dianggap tak bermassa, merambat pada kecepatan cahaya. Menurut teori relativitas khusus, pertanyaan kecepatan neutrino terkait erat dengan massa mereka. Jika neutrino tak bermassa, mereka merambat dengan kecepatan cahaya. Namun, jika mereka memiliki massa, mereka tidak bisa mencapai kecepatan cahaya.
Juga beberapa Lorentz melanggar varian gravitasi kuantum mungkin mengizinkan neutrino lebih cepat dari cahaya. Sebuah kerangka komprehensif untuk pelanggaran Lorentz adalah Standard Model Extension (SME).
Pada awal 1980-an, pengukuran kecepatan neutrino pertama dilakukan dengan menggunakan berdenyut balok Pion (diproduksi oleh berdenyut balok proton memukul target). Para pion membusuk neutrino memproduksi, dan interaksi neutrino diamati dalam jendela waktu di detektor pada jarak yang konsisten dengan kecepatan cahaya. Pengukuran ini diulangi pada tahun 2007 dengan menggunakan detektor Minos, yang menemukan kecepatan 3 neutrino GeV menjadi 1,000051 (29) c pada tingkat kepercayaan 68%, dan pada tingkat keyakinan 99% berkisar antara 0,999976 1,000126 c dan c. Nilai sentral lebih tinggi dari kecepatan cahaya dan konsisten dengan kecepatan superluminal, namun ketidakpastian yang cukup besar yang hasilnya juga tidak mengesampingkan kecepatan kurang dari atau sama dengan cahaya pada tingkat keyakinan tinggi. Pengukuran ini menetapkan batas atas massa muon neutrino dari 50 MeV pada kepercayaan 99%. Detektor untuk proyek sedang ditingkatkan, dan hasil baru tidak diharapkan sampai setidaknya 2012.
Pengamatan yang sama dilakukan, pada skala yang agak lebih besar, dengan supernova 1987A (SN 1987A). 10-MeV antineutrinos dari supernova terdeteksi dalam jendela waktu yang konsisten dengan kecepatan cahaya untuk neutrino. Sejauh ini, pertanyaan massa neutrino tidak dapat ditentukan berdasarkan pengukuran kecepatan neutrino.
Pada September 2011, kolaborasi OPERA merilis perhitungan menunjukkan kecepatan dari 17-GeV dan 28-GeV neutrino melebihi kecepatan cahaya dalam percobaan mereka. Pada bulan November 2011, OPERA mengulangi percobaan dengan perubahan sehingga kecepatan dapat ditentukan secara individual untuk masing-masing terdeteksi neutrino. Hasil penelitian menunjukkan kecepatan lebih cepat dari cahaya yang sama. Namun, pada Februari 2012 laporan keluar bahwa hasil mungkin disebabkan oleh kabel serat optik longgar melekat pada salah satu jam atom yang diukur keberangkatan dan kedatangan kali dari neutrino. Sebuah rekreasi independen percobaan di laboratorium yang sama dengan ICARUS tidak menemukan perbedaan yang tajam antara kecepatan neutrino dan kecepatan cahaya. Pada bulan Juni 2012, CERN mengumumkan bahwa pengukuran baru yang dilakukan oleh empat Gran Sasso percobaan (OPERA, ICARUS, Borexino dan LVD) menemukan kesepakatan antara kecepatan cahaya dan kecepatan neutrino, akhirnya menyangkal hasil OPERA awal.
Mass
Model Standar fisika partikel mengasumsikan bahwa neutrino yang bermassa. Namun fenomena eksperimental didirikan osilasi neutrino, yang mencampur neutrino rasa negara-negara dengan neutrino massa negara (analagously ke CKM pencampuran), membutuhkan neutrino memiliki massa nol. Neutrino masif awalnya dipahami oleh Bruno Pontecorvo pada tahun 1950. Meningkatkan kerangka dasar untuk mengakomodasi massa mereka sangat mudah dengan menambahkan Lagrangian tangan kanan. Hal ini dapat dilakukan dengan dua cara. Jika, seperti partikel Model Standar fundamental lainnya, massa yang dihasilkan oleh mekanisme Dirac, maka kerangka akan memerlukan SU (2) singlet. Partikel ini tidak akan memiliki interaksi Model Standar lainnya (selain dari interaksi Yukawa dengan komponen netral Higgs doublet), sehingga disebut neutrino steril. Atau, massa dapat dihasilkan oleh mekanisme Majorana, yang akan membutuhkan neutrino dan antineutrino untuk menjadi partikel yang sama.
Batas atas terkuat pada massa neutrino berasal dari kosmologi: model Big Bang memprediksi bahwa ada rasio tetap antara jumlah neutrino dan jumlah foton di latar belakang gelombang mikro kosmik. Jika energi total dari semua tiga jenis neutrino melebihi rata-rata 50 eV per neutrino, akan ada begitu banyak massa di alam semesta itu akan runtuh. Batas ini dapat dielakkan dengan mengasumsikan bahwa neutrino tidak stabil, namun, ada batas-batas dalam Model Standar yang membuat ini sulit. Sebuah kendala jauh lebih ketat berasal dari analisis yang cermat data kosmologis, seperti gelombang mikro kosmik latar belakang radiasi, survei galaksi, dan hutan Lyman-alpha. Ini menunjukkan bahwa massa menyimpulkan dari tiga varietas neutrino harus kurang dari 0,3 eV.
Pada tahun 1942 Wang Ganchang pertama kali mengajukan penggunaan beta-capture untuk mendeteksi neutrino eksperimental. Dalam 20 Juli 1956 isu Science, Clyde Cowan, Frederick Reines, FB Harrison, HW Kruse, dan AD McGuire menerbitkan konfirmasi bahwa mereka telah mendeteksi neutrino, hasil yang dihargai hampir empat puluh tahun kemudian dengan Hadiah Nobel 1995.
Dalam percobaan ini, sekarang dikenal sebagai Cowan-Reines neutrino percobaan, antineutrinos dibuat dalam reaktor nuklir dengan peluruhan beta bereaksi dengan proton menghasilkan neutron dan positron :
ν
e + p+ → n0 + e+
e + p+ → n0 + e+
Positron cepat menemukan elektron, dan mereka akan saling membinasakan. Kedua sinar gamma yang dihasilkan (γ) yang terdeteksi. Neutron dapat dideteksi dengan menangkap pada sebuah inti yang tepat, melepaskan sinar gamma. Kebetulan dari kedua peristiwa - pemusnahan positron dan menangkap neutron - memberikan tanda unik dari interaksi antineutrino.
Neutrino flavor
Pada tahun 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz dan Jack Steinberger menunjukkan bahwa lebih dari satu jenis neutrino ada dengan terlebih dahulu mendeteksi interaksi dari neutrino muon (sudah hipotesis dengan nama neutretto), yang diterima mereka Nobel dalam Fisika 1988. Ketika tipe ketiga lepton, yang tau, ditemukan pada tahun 1975 di Stanford Linear Accelerator Center, juga diharapkan untuk memiliki neutrino terkait (tau neutrino). Bukti pertama untuk jenis neutrino ketiga berasal dari pengamatan hilang energi dan momentum dalam tau meluruh analog dengan peluruhan beta mengarah ke penemuan neutrino. Deteksi pertama tau interaksi neutrino diumumkan pada musim panas tahun 2000 oleh kolaborasi DONUT di Fermilab, keberadaannya sudah disimpulkan oleh kedua konsistensi teoritis dan data eksperimental dari Large Electron-Positron Collider.
Solar neutrino problem
Dimulai pada akhir 1960-an, beberapa percobaan menemukan bahwa jumlah neutrino elektron tiba dari Matahari adalah antara sepertiga dan satu setengah angka yang diprediksi oleh Surya Model Standar. Perbedaan ini, yang kemudian dikenal sebagai masalah neutrino surya, tetap belum terpecahkan selama tiga puluh tahun. Hal itu diselesaikan oleh penemuan osilasi neutrino dan massa. (Model Standar fisika partikel telah diasumsikan bahwa neutrino bermassa dan tidak dapat mengubah rasa. Namun, jika neutrino memiliki massa, mereka bisa mengubah rasa, atau berosilasi antara rasa).
Oscillation
Sebuah metode praktis untuk menyelidiki osilasi neutrino pertama kali diusulkan oleh Bruno Pontecorvo pada tahun 1957 menggunakan analogi dengan osilasi kaon, selama 10 tahun berikutnya ia mengembangkan formalisme matematika dan perumusan modern osilasi vakum. Pada tahun 1985 Stanislav Mikheyev dan Alexei Smirnov (memperluas 1978 karya Lincoln Wolfenstein) mencatat bahwa osilasi rasa dapat dimodifikasi ketika neutrino merambat melalui materi. Ini disebut Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein efek (efek MSW) adalah penting untuk memahami karena banyak neutrino yang dipancarkan oleh fusi di Matahari melewati materi padat dalam inti matahari (di mana pada dasarnya semua fusi matahari berlangsung) dalam perjalanan mereka ke detektor di Bumi.
Mulai tahun 1998, percobaan mulai menunjukkan bahwa matahari dan atmosfer neutrino rasa berubah. Ini diselesaikan surya masalah neutrino: neutrino elektron diproduksi di Matahari telah sebagian berubah menjadi rasa lain yang percobaan tidak bisa mendeteksi.
Meskipun eksperimen individu, seperti set surya eksperimen neutrino, konsisten dengan mekanisme non-osilasi neutrino konversi rasa, diambil sama sekali, eksperimen neutrino menyiratkan adanya osilasi neutrino. Terutama relevan dalam konteks ini adalah percobaan reaktor KamLAND dan percobaan akselerator seperti Minos. The KamLAND percobaan memang diidentifikasi osilasi sebagai mekanisme konversi rasa neutrino terlibat dalam neutrino elektron matahari. Demikian pula Minos menegaskan osilasi neutrino atmosfer dan memberikan penentuan yang lebih baik dari pemekaran kuadrat massa.
Supernova neutrinos
Raymond Davis Jr dan Masatoshi Koshiba bersama-sama dianugerahi Hadiah Nobel 2002 di Fisika, Davis untuk perintis karyanya pada neutrino kosmik dan Koshiba untuk pertama pengamatan real time neutrino supernova. Deteksi neutrino matahari, dan neutrino dari supernova SN 1987A pada tahun 1987 menandai awal dari astronomi neutrino.
Properties and reactionsProperties and reactions
Neutrino memiliki berputar setengah bilangan bulat ( ½ ħ ) dan karena itu termasuk fermion. Neutrino berinteraksi terutama melalui gaya lemah. Penemuan neutrino rasa osilasi menyiratkan bahwa neutrino memiliki massa. Keberadaan massa neutrino sangat menunjukkan keberadaan neutrino momen magnetik kecil dari urutan 10−19 μB, sehingga kemungkinan bahwa neutrino dapat berinteraksi elektromagnetik juga. Sebuah eksperimen yang dilakukan oleh CS Wu di Columbia University menunjukkan bahwa neutrino selalu memiliki kidal kiralitas. Hal ini sangat sulit untuk unik mengidentifikasi interaksi neutrino antara latar belakang alam radioaktivitas. Untuk alasan ini, dalam percobaan awal saluran reaksi khusus dipilih untuk mempermudah identifikasi : interaksi sebuah antineutrino dengan salah satu inti hidrogen dalam molekul air. Sebuah inti hidrogen adalah proton tunggal, interaksi nuklir sehingga simultan, yang akan terjadi dalam inti yang lebih berat, tidak perlu dipertimbangkan untuk percobaan deteksi. Dalam satu meter kubik air yang ditempatkan tepat di luar reaktor nuklir, hanya relatif sedikit interaksi tersebut dapat direkam, tapi setup sekarang digunakan untuk mengukur tingkat produksi plutonium reaktor.
Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein effect
Neutrino bepergian melalui materi, secara umum, menjalani proses analog dengan cahaya perjalanan melalui bahan transparan. Proses ini tidak secara langsung diamati karena tidak menghasilkan radiasi pengion, tetapi menimbulkan efek MSW. Hanya sebagian kecil dari energi neutrino yang ditransfer ke materi.
Nuclear reactions
Neutrino dapat berinteraksi dengan inti, mengubahnya ke inti lain. Proses ini digunakan dalam detektor neutrino radiokimia. Dalam hal ini, tingkat energi dan negara spin dalam nukleus target harus diperhitungkan untuk memperkirakan probabilitas untuk interaksi. Secara umum probabilitas interaksi meningkat dengan jumlah neutron dan proton dalam inti.
Alteration of nuclear decay rate
Sebuah studi Rusia menunjukkan bahwa tingkat peluruhan isotop radioaktif tidak konstan seperti yang umum diyakini, dan sebuah studi terbaru juga menemukan ini, dan mengatakan tampaknya akan terpengaruh oleh laju neutrino yang dipancarkan oleh Matahari.
Induced
Sangat banyak seperti neutron dilakukan di reaktor nuklir, neutrino dapat menginduksi reaksi fisi dalam inti berat. Sejauh ini, reaksi ini belum diukur di laboratorium, namun diperkirakan terjadi dalam bintang dan supernova. Proses mempengaruhi kelimpahan isotop tampak di alam semesta. Neutrino fisi inti deuterium telah diamati di Sudbury Neutrino Observatory, yang menggunakan detektor air berat.
Types
| Fermion | Symbol | Mass |
|---|---|---|
| Generation 1 | ||
| Electron neutrino | ν e | < 2.2 eV |
| Electron antineutrino | ν e | < 2.2 eV |
| Generation 2 | ||
| Muon neutrino | ν μ | < 170 keV |
| Muon antineutrino | ν μ | < 170 keV |
| Generation 3 | ||
| Tau neutrino | ν τ | < 15.5 MeV |
| Tau antineutrino | ν τ | < 15.5 MeV |
Kemungkinan neutrino steril - neutrino relatif ringan yang tidak berpartisipasi dalam interaksi lemah tetapi yang dapat diciptakan melalui rasa osilasi (lihat di bawah)-tidak dipengaruhi oleh pengukuran ini Z-boson berbasis, dan keberadaan partikel tersebut sebenarnya diisyaratkan oleh data eksperimen dari percobaan LSND. Namun, saat menjalankan eksperimen MiniBooNE menyarankan, sampai saat ini, bahwa neutrino steril yang tidak diperlukan untuk menjelaskan data eksperimen, meskipun penelitian terbaru ke daerah ini terus-menerus dan anomali dalam data MiniBooNE memungkinkan untuk jenis neutrino eksotis, termasuk steril neutrino. A re-analisis terbaru dari data referensi spektrum elektron dari Institut Laue-Langevin juga telah mengisyaratkan keempat, neutrino steril.
Data yang Terakhir dianalisis dari Wilkinson Microwave Anisotropy Probe dari radiasi latar belakang kosmik kompatibel dengan tiga atau empat jenis neutrino. Diharapkan penambahan dua tahun lagi data dari probe akan menyelesaikan ketidakpastian ini.
Antineutrinos
Antineutrinos adalah antipartikel neutrino, yang merupakan partikel netral yang diproduksi dalam versi beta peluruhan nuklir. Ini dipancarkan selama emisi partikel beta, ketika neutron berubah menjadi proton. Mereka memiliki spin ½, dan merupakan bagian dari keluarga lepton partikel. Para antineutrinos diamati sejauh ini semua memiliki tangan kanan helicity (yaitu hanya satu dari dua negara spin mungkin pernah melihat), sedangkan neutrino kidal. Antineutrinos, seperti neutrino, berinteraksi dengan materi lain hanya melalui gaya gravitasi dan lemah, membuat mereka sangat sulit untuk dideteksi secara eksperimental. Neutrino osilasi percobaan menunjukkan bahwa antineutrinos memiliki massa, tetapi percobaan peluruhan beta membatasi bahwa massa menjadi sangat kecil. Sebuah interaksi neutrino-antineutrino telah diusulkan dalam upaya untuk membentuk foton komposit dengan teori neutrino cahaya.
Karena antineutrino dan neutrino adalah partikel netral sangat mungkin bahwa mereka sebenarnya partikel yang sama. Partikel yang memiliki properti ini dikenal sebagai partikel Majorana. Jika neutrino memang partikel Majorana maka neutrinoless peluruhan beta ganda, serta berbagai nomor lepton lainnya melanggar fenomena, diperbolehkan. Beberapa percobaan telah diusulkan untuk mencari proses ini.
Para peneliti di seluruh dunia telah mulai menyelidiki kemungkinan menggunakan antineutrinos untuk memantau reaktor dalam konteks mencegah proliferasi senjata nuklir.
Antineutrinos pertama kali terdeteksi sebagai akibat dari interaksi mereka dengan proton dalam sebuah tangki besar air. Ini dipasang di samping reaktor nuklir sebagai sumber dikendalikan dari antineutrinos.
Flavor oscillations
Neutrino yang paling sering dibuat atau dideteksi dengan rasa didefinisikan dengan baik (elektron, muon, tau). Namun, dalam sebuah fenomena yang dikenal sebagai neutrino rasa osilasi, neutrino dapat berosilasi antara tiga rasa yang tersedia saat mereka merambat melalui ruang. Secara khusus, hal ini terjadi karena rasa eigenstates neutrino tidak sama dengan neutrino massa eigenstates (hanya disebut 1, 2, 3). Hal ini memungkinkan untuk neutrino yang dihasilkan sebagai neutrino elektron pada lokasi tertentu memiliki probabilitas dihitung untuk dideteksi baik sebagai muon neutrino tau atau setelah itu telah bepergian ke lokasi lain. Ini efek mekanis kuantum pertama kali diisyaratkan oleh perbedaan antara jumlah neutrino elektron dideteksi dari inti matahari gagal untuk mencocokkan angka yang diharapkan, dijuluki sebagai "solar masalah neutrino". Dalam Model Standar adanya osilasi menyiratkan rasa perbedaan nol antara massa neutrino, karena jumlah pencampuran antara rasa neutrino pada waktu tertentu tergantung pada perbedaan antara massa kuadrat mereka. Ada kemungkinan lain di mana neutrino dapat berosilasi bahkan jika mereka tak bermassa. Jika Lorentz invariance bukan simetri yang persis, neutrino dapat mengalami Lorentz - melanggar osilasi.
Ada kemungkinan bahwa neutrino dan antineutrino sebenarnya partikel yang sama, hipotesis pertama kali diusulkan oleh fisikawan Italia Ettore Majorana. Neutrino bisa berubah menjadi sebuah antineutrino (dan sebaliknya) dengan membalik orientasi keadaan spin.
Perubahan ini spin akan membutuhkan neutrino dan antineutrino memiliki massa nol, dan karena perjalanan lebih lambat dari cahaya, karena seperti sandal berputar, hanya disebabkan oleh perubahan dalam sudut pandang, dapat terjadi hanya jika frame inertial acuan ada langkah yang lebih cepat dari partikel: partikel tersebut memiliki spin satu orientasi jika dilihat dari kerangka yang bergerak lebih lambat dari partikel, tapi spin berlawanan bila dilihat dari kerangka yang bergerak lebih cepat dari partikel.
Pada tanggal 19 Juli 2013 dari hasil percobaan T2K disajikan pada Konferensi Masyarakat Fisika Eropa tentang Fisika Energi Tinggi di Stockholm, Swedia, menegaskan teori osilasi Neutrino.
Speed
Sebelum neutrino ditemukan terombang-ambing, mereka umumnya dianggap tak bermassa, merambat pada kecepatan cahaya. Menurut teori relativitas khusus, pertanyaan kecepatan neutrino terkait erat dengan massa mereka. Jika neutrino tak bermassa, mereka merambat dengan kecepatan cahaya. Namun, jika mereka memiliki massa, mereka tidak bisa mencapai kecepatan cahaya.
Juga beberapa Lorentz melanggar varian gravitasi kuantum mungkin mengizinkan neutrino lebih cepat dari cahaya. Sebuah kerangka komprehensif untuk pelanggaran Lorentz adalah Standard Model Extension (SME).
Pada awal 1980-an, pengukuran kecepatan neutrino pertama dilakukan dengan menggunakan berdenyut balok Pion (diproduksi oleh berdenyut balok proton memukul target). Para pion membusuk neutrino memproduksi, dan interaksi neutrino diamati dalam jendela waktu di detektor pada jarak yang konsisten dengan kecepatan cahaya. Pengukuran ini diulangi pada tahun 2007 dengan menggunakan detektor Minos, yang menemukan kecepatan 3 neutrino GeV menjadi 1,000051 (29) c pada tingkat kepercayaan 68%, dan pada tingkat keyakinan 99% berkisar antara 0,999976 1,000126 c dan c. Nilai sentral lebih tinggi dari kecepatan cahaya dan konsisten dengan kecepatan superluminal, namun ketidakpastian yang cukup besar yang hasilnya juga tidak mengesampingkan kecepatan kurang dari atau sama dengan cahaya pada tingkat keyakinan tinggi. Pengukuran ini menetapkan batas atas massa muon neutrino dari 50 MeV pada kepercayaan 99%. Detektor untuk proyek sedang ditingkatkan, dan hasil baru tidak diharapkan sampai setidaknya 2012.
Pengamatan yang sama dilakukan, pada skala yang agak lebih besar, dengan supernova 1987A (SN 1987A). 10-MeV antineutrinos dari supernova terdeteksi dalam jendela waktu yang konsisten dengan kecepatan cahaya untuk neutrino. Sejauh ini, pertanyaan massa neutrino tidak dapat ditentukan berdasarkan pengukuran kecepatan neutrino.
Pada September 2011, kolaborasi OPERA merilis perhitungan menunjukkan kecepatan dari 17-GeV dan 28-GeV neutrino melebihi kecepatan cahaya dalam percobaan mereka. Pada bulan November 2011, OPERA mengulangi percobaan dengan perubahan sehingga kecepatan dapat ditentukan secara individual untuk masing-masing terdeteksi neutrino. Hasil penelitian menunjukkan kecepatan lebih cepat dari cahaya yang sama. Namun, pada Februari 2012 laporan keluar bahwa hasil mungkin disebabkan oleh kabel serat optik longgar melekat pada salah satu jam atom yang diukur keberangkatan dan kedatangan kali dari neutrino. Sebuah rekreasi independen percobaan di laboratorium yang sama dengan ICARUS tidak menemukan perbedaan yang tajam antara kecepatan neutrino dan kecepatan cahaya. Pada bulan Juni 2012, CERN mengumumkan bahwa pengukuran baru yang dilakukan oleh empat Gran Sasso percobaan (OPERA, ICARUS, Borexino dan LVD) menemukan kesepakatan antara kecepatan cahaya dan kecepatan neutrino, akhirnya menyangkal hasil OPERA awal.
Mass
Model Standar fisika partikel mengasumsikan bahwa neutrino yang bermassa. Namun fenomena eksperimental didirikan osilasi neutrino, yang mencampur neutrino rasa negara-negara dengan neutrino massa negara (analagously ke CKM pencampuran), membutuhkan neutrino memiliki massa nol. Neutrino masif awalnya dipahami oleh Bruno Pontecorvo pada tahun 1950. Meningkatkan kerangka dasar untuk mengakomodasi massa mereka sangat mudah dengan menambahkan Lagrangian tangan kanan. Hal ini dapat dilakukan dengan dua cara. Jika, seperti partikel Model Standar fundamental lainnya, massa yang dihasilkan oleh mekanisme Dirac, maka kerangka akan memerlukan SU (2) singlet. Partikel ini tidak akan memiliki interaksi Model Standar lainnya (selain dari interaksi Yukawa dengan komponen netral Higgs doublet), sehingga disebut neutrino steril. Atau, massa dapat dihasilkan oleh mekanisme Majorana, yang akan membutuhkan neutrino dan antineutrino untuk menjadi partikel yang sama.
Batas atas terkuat pada massa neutrino berasal dari kosmologi: model Big Bang memprediksi bahwa ada rasio tetap antara jumlah neutrino dan jumlah foton di latar belakang gelombang mikro kosmik. Jika energi total dari semua tiga jenis neutrino melebihi rata-rata 50 eV per neutrino, akan ada begitu banyak massa di alam semesta itu akan runtuh. Batas ini dapat dielakkan dengan mengasumsikan bahwa neutrino tidak stabil, namun, ada batas-batas dalam Model Standar yang membuat ini sulit. Sebuah kendala jauh lebih ketat berasal dari analisis yang cermat data kosmologis, seperti gelombang mikro kosmik latar belakang radiasi, survei galaksi, dan hutan Lyman-alpha. Ini menunjukkan bahwa massa menyimpulkan dari tiga varietas neutrino harus kurang dari 0,3 eV.
0 komentar:
Posting Komentar