Neytrinolar fizikasiga kirish

II BOB.NEYTRINOLAR QO’LLANILISHI.
2.1. NEYTRINOLARNING MODDALAR BILAN TA’SIRI.
Neytrino fizikasi katta tezlik bilan rivojlanib bordi.Neytrinoning elementar zarralar bilan ta’sirlarini o’rganish bizga ko’p ma’lumotlar beradi. Masalan, + --→ + reaksiyani kuzatish Gleshou, Vaynberg va Salomlarning birlashgan nazariyasi bashorat qilgan yangi xil “kuchsiz o’zaro ta’sirni” kashf qilishdan iborat edi. Yuqori energiyali neytrinoning adronlar bilan o’zaro ta’siri protsessini o’rganish alohida qiziqish uyg’otadi. Bunda Neytrino dastalari zarralarni yorituvchi va ularning tuzilishi haqida ma’lumotlar beruvchi mikroskop rolini o’taydi. Bularning barchasi yuqori energiyali qudratli neytrinolar oqimlaridan foydalanilgan va neytrinoning modda bilan o’zaro ta’sirini qayd qilishda g’oyat katta zamonaviy eksperimental qurilmalar ishlatilgan tezlatgichlardagi tajribalarda olingan edi. Neytrino teleskoplari bor. 1990-yillarning boshida Janubiy qutbda, Amerikaning Amundsen-Skott stansiyasida AMANDA neytrino teleskopi (E. Anders va boshqalar 2000) yaratish ustida ish boshlandi. Maʼlumki, Janubiy qutb qalinligi 3 kilometrga yaqin muz bilan qoplangan.Loyihani amalga oshirish issiq suvdan foydalangan holda muzda chuqur (2 km) kanallarni yaratishning noyob texnikasi tufayli mumkin bo'ldi. Kanal taxminan 2 kundan keyin muzlaydi va bu vaqt fotodetektorlar gulchambarini o'rnatish uchun etarli, ammo gulchambarni ko'tarish va ta'mirlash endi mumkin emas.Hozirgi vaqtda AMANDA 19 ta simga o'rnatilgan 677 ta fotodetektordan iborat bo'lib, eng katta hisoblanadi. neytrino teleskopi. Birinchi (katta) va hali ham ishlaydigan neytrino teleskoplardan biri A.E. Chudakov rahbarligida baksan neytrinoli INR RAS rasadxonasida yaratilgan. Teleskop Kavkazdagi Baksan darasida Andirchi tog‘i ostidagi tunnelda joylashgan. Teleskop FEU-49 tomonidan ko'rilgan 3000 dan ortiq suyuqlik sintillyatorlaridan iborat. Neytrinolarni qayd qilish usullari ko’p, chunki neytrino har safar deyarli o’zining boshqa sohasini ko’rsataveradi.
Ushbu ma'ruzada neytrinolarning materiya bilan o'zaro ta'siri haqida gapiriladi va qaysi darajadan boshlanadan boshlanishiga e'tibor bering, zaif o'zaro ta'sir qiluvchi zarralar haqida gapiramiz. Zarracha jonzot bilan qanday o'zaro ta'sir qilishi haqidagi savol ancha oldin ko'tarilgan.O'zaro ta'sir kesimining birinchi bahosi 1935-yilda qilingan.Marjoramni 10^-20 barn deb baholashdi.
Teskari beta-parchalanish formulasidan:
+ ³⁷Cl---→ ³⁷Ar+
neytrinolarning materiya bilan o'zaro ta'siri boshlanadi. Birinchi va eng past daraja-yadrolar bilan o'zaro ta'sir va savol paydo bo'ladi: "o'zaro ta'sirning yanada past darajasini ko'rib chiqish mumkinmi ?Masalan, atomlar bilan. "Bu yerda muammo quyidagicha: neytrino asta-sekin energiyasidan voz kechib, energiyasini kamaytiradigan bir nechta jarayonlarni kuzatish juda qiyin. Biz tushunamizki, agar kesma kichik bo'lsa, keyin o'zaro ta'sir hatto bir akti arziydigan holatga keladi. Bu noelastik jarayonlar faqat nazariyotchilarga xosdir, tajribada hech kim bunday narsani kuzatmagan. Pastki darajalar (yadrolar bilan o'zaro ta'sir qilish ostida) biz uchun oddiygina mavjud emas: birinchidan, biz ularni ko'ra olmaymiz, ikkinchidan, agar sodir bo'layotgan jarayonlardan kelib chiqadigan bo'lsak, neytrinoning atom bilan o'zaro ta'sirining yagona variant bu elektron qobiqlar bilan o'zaro ta'siridir. Ko'rib turganimizdek, o'zaro ta'sir elektron bilan mumkin bo’lyapti, ammo muammo shundaki, u darajadagi boshqa energiyalar va atom haqida gapiradigan bo'lsak, zarraning energiyasi yuzlab GeV bo'lsa, u juda katta qattiq bo’ladi, shuning uchun birinchi haqiqiy jarayon yadrolar bilan o'zaro ta'sir qilish bo’lishi kerak. Bu erda uchta jarayonni ajratib ko'rsatish mumkin. Ulardan birinchisi, juda ayyor, neytrinolarning yadrolar va nuklonlarga elastik tarzda tarqalishi va bu jarayon shubhasiz ketadi:
+ → +
Bilvosita omillar bilan siz buni kuzatishingiz mumkin, lekin birinchi navbatda, bu aniq kesma boshqa jarayonlarning kesimidan ancha past, ikkinchidan, uni kuzatish tajriba uchun nihoyatda qiyin. Bu faqat ichida sodir bo'lishi mumkin agar sizda zarracha paydo bo'lsa, tizimga qandaydir tarzda o'zgarishlar kiritsa va siz buni sezi-shingiz mumkin. Agar neytrino bittagina proton bilan to'qnashganda jarayonni kuzatmoqchi bo'lsangiz,u holda haqiqatan ham, biror narsani sezish va elastik sochilish ehtimoli juda kichik.Ikkinchi jarayon qiziqroq-bu teskari beta-parcha-lanish (ingliz qisqartmasi IBD teskari beta-parchalanishni bildiradi).Buning ikkita variantda mavjud. Bilamiz,neytrinoning antizarrasi borligi, shuning uchun teskari beta-emirilishning ikkala varianti ham mumkin: antineytrinolar ishtirokida va neytrinolar ishtirokida. Biz bu variantlarni asosan MeV energiyalarida ko'ramiz.Bu jarayonlar davomida, birinchidan, sizda zaryadlangan zarracha bor, ikkin-chidan, mumkin yakuniy qoldiqlar uchun iloji boricha radiokimyoviy usuldan foydalanamiz. Fred Reyns va Klayd Koen tomonidan (anti) neytrinolarni birinchi aniqlash paytida, ish ko'p vaqt talab qildi va tajriba sxemasi yo’li shunday ko'rinisholdi:
2.1.1-rasm.Birinchi tajribaning umumiy sxemasi
Bu antineytrinoning protonlar bilan o'zaro ta'sirining diagrammasi bo'lib, u keyin ikki bosqichga bo'linadi: neytron kadmiy nishoni tomonidan tutiladi va asosiy holatga parchalanib, qo'zg'aluvchan yadro hosil qiladi va pozitron birinchisi bilan yo'q qilinadi. Elektron tomonidan tutiladi va ikkita gamma kvant beradi. Bu sintillyatsiya detektorlari uchun standart sxema.
Neytrinoning O'zaro ta'sir kesimi: σ = 10^-20 barn
Bizda qochoq konstantalar kabi atama bor. Aynan o'zaro ta'sir konstantalari bir-biriga yaqinlashadi. Bu erda kesma doimiy qiymat emas, u energiyaga juda bog'liq va zarrachaning energiyasi ortib borishi bilan biz kesmaning ortishini ko'ramiz. Aslida,bu juda yaxshi, chunki agar bunday ta'sir bo'lmasa,ba'zi zarralar masalan, astrofizik kelib chiqishi biz uchun imkonsiz bo'lar edi. Bunday holda vaziyat, biz shunchaki hech narsani o'lchay olmaydi. Biz kam energiyali neytrinolar bilan ishlaymiz, qandaydir tarzda biror narsani o'lchashga harakat qilamiz, lekin past kesimni hisobga olgan holda va buning oxiri bo'lardi. Quyidagi izoh fizikaning turli sohalariga tegishli. Tushunchalar yuqori va past energiya juda shartli. Gap shundaki, bizda aniq taqsimot bor. Biz odatda gamma nurlari va elektronlarga nisbatan ta’sirlardan tez-tez foydalanamiz. Bizda 200 MeV chegarasi mavjud, shundan keyin biz buni yuqori energiyali zarralar deb aytishni boshlaymiz. Ammo ba'zida biz pion ishlab chiqarish chegarsidagi holatdagi zarralarga yuqori energiya haqida gapiramiz. Masalan, tezlatgichda energiya oshib ketadi 140 MeV, keyin neytral zaryadlangan pionlar statsionar og'ir nishonlarda tug'iladi va shundan keyin biz yuqori energiyalar fizikadamiz deb aytishimiz mumkin. Agar biz neytrinolar haqida gapiradigan bo'lsak, unda uning uchun 200 MeV past energiyadir, bundan tashqari, MeV neytrinolari ko'pincha ultra past deb ataladi.
Keling,reaktoranli neytrinodan boshlaymiz.

2.1.2 -rasm. Zarrachalar spektri.
-rasmda qora chiziq kesma bo'lib, bu erda biz birinchi marta antineytrinolarning materiya bilan past energiyadagi o'zaro ta'siri uchun kesmaning xatti-harakatlarini kuzatamiz.Kesma har doim o'sib bormoqda. Rasmda neytrinolar uchun oqim nisbatining an'anaviy xatti-harakati va bo'limlar ko'rsatilgan. Ko'rinib turibdiki, spektr parchalana boshlaydi, kesma esa oshadi.Ya'ni, sizning vazifangiz aslida bir nechta xochlarni, ya'ni energiya diapazonini topishdir. Ishlash uchun eng qulay bo'lgan joyda, hali ham kesim allaqachon yetarlicha katta va oqimlar yetarlicha katta.
Reaktsiya chegaralari.
Neytrinolar bilan bo'lgan deyarli barcha reaktsiyalar chegaralar bilan olib boriladi-gan reaktsiyalardir, ya'ni siz bilan sodir bo'ladigan hamma narsa, har qanday jarayonlarga siz chegaralar bilan borishingiz shart. –rasmda har qanday turdagi elektron neytrinoning o'zaro ta'siri uchun chegaralari va leptonlar bilan elastik o'zaro ta'sirning kamdan-kam uchraydigan jarayoni (bu past chegara). misollar bilan ko’rsatilgan.

2.1.3 -rasm. . Reaktsiya chegaralari
Agar biz biroz oldinga siljisak,bizda nuklonlar bilan o'zaro ta'sir qilish bilan bog'liq barcha turdagi jarayonlar mavjudligini ko'rishimiz mumkin.
Neytrino boshqa lazzatlari.
Agar biz muon neytrinosiga o'tadigan bo'lsak, unda aslida hech narsa diagrammalar nuqtai nazaridan, o'zaro ta'sirning tabiati bo'yicha aniq o'zgarmaydi.Eng muhimi shundaki o'zgartirish - bu, albatta, energiya nisbatlarini o'zgartiradi. E'tibor bering, agar µ belgisini e bilan almashtirganimizda, bizda odatiy, mutlaqo normal teskari beta-parchalanish bo'ladi, bu esa, tabiiyki, uning ham o'zining kichik chegarasi bor degani.

2.1.4-rasm. Myuon neytrinosi

Lekin bu yerda hamma narsa energiya nisbati jihatidan juda o'zgaradi, chunki bu zarrachaning massasi 105 MeV/s² ga teng va siz bu jarayonga ega bo’lishingiz uchun bunday o'zaro ta'sirda neytrino yuz MeV dan uzoqroqqa sakrashi kerakligi sizga darhol ayon bo'ladi. Ya'ni, bu jarayonlar yaxshi ketmoqda, lekin chegaralar, albatta, butunlay boshqacha.
Teskari myuon parchalanishi.
2.1.4-rasmda muon parchalanishi deb ataladigan juda murakkab teskari jarayonning misoli keltirilgan. Zarrachalarning konversiyasi mavjud: muon neytrino elektronga, elektron muonga aylanadi. Bu erda chegara yetarlicha katta bo'ladi va u muonning massasidan ancha katta zarralar boshida bo'ladi. Ya'ni, siz yadroviy jarayonni ko’ryapsiz, aslida butunlay boshqa turdagi neytrinolar bilan o'zaro ta'sir tufayli transmutatsiya qilingan.Bunda neytrino energiyasi mavjud, chegara 127 MeV dan oshadi.Agar aniq chegara mavjud bo'lsa, ya'ni bunday jarayon tabiiy ravishda pastga tushmaydi. Ko'ndalang kesim juda tez o'sadi va har qanday joyda 150-160 MeV energiya bilan tartibga solinadi va 7*10^-17 barnning doimiy qiymatiga boradi. Ya'ni, energiya uchun kesmaning standart qiymati 10^-20–10^-1 bo’lsa, u holda siz 200 MeV va undan yuqori mintaqaga o'tganingizda, sizning kesimingiz bir necha marta kattalashadi. Bunda biz energiyaning keng diapazonidagi oqimlarning harakatini ko'ramiz. Demak, biz xulosaga kelsak bo’ladiki,bizning energiyamiz qanchalik yuqori bo'lsa, oqim shunchalik kam bo'ladi.
Reaksiya kesimini o'zgartirish.
Agar siz 1 GeV dan ko'proq energiya kiritsangiz aniqrog’i shuncha energiya bersangiz, unda yana bir narsani eslab qolishingiz kerak: agar teskari beta-emirilish haqida gapirganda, barcha jarayonlaringiz bitta zarrachalar hosil bo'lishi bilan o'zaro ta'sirga tushib qolsa, u holda yuqori energiyalarda keyin yuqori energiyalarda nishabning ichki tuzilishi harakatlana boshlaydi. Bizda adron reaktivlari bor, ya'ni bizda juda ko'p yangi zarrachalar mavjud.Hozir bizda eng muhim ishni qilish, ya'ni zarrachaning traektoriyasini tiklash imkoniyati yo'q.
10^-20 barn hududida bir joyda biz juda tez ko'tarilishni ko’rishimiz mumkin.
Zaif o'zaro ta'sir.
Zarrachalar fizikasidagi o'zaro ta'sirning uchinchi muhim turi (qolganlari: kuchli, elektromagnit va gravitatsion ta’sir) zaif ya’ni kuchsiz o’zaro ta’sirdir. Kuchsiz kuchlar radiusi juda kichik (10^-16 sm).Zaif o'zaro ta'sir oraliq W, Z bozonlarning almashinuvi orqali amalga oshiriladi. Zaifl o'zaro ta'sirlarda leptonlar va kvarklar (adronlar) ishtirok etadi. Zaif o'zaro ta'sirning "zaifligiga" qaramay, uning bizning dunyomizdagi va fizikadagi roli katta. U, birinchi navbatda, ekzotikligi bilan ajralib turadi.Ko'pgina saqlanish qonunlari zaif kuchlar tomonidan aniq buziladi.Bundan tashqari, zaif kuchlarsiz Quyosh porlamaydi. Quyosh va boshqa yulduzlardagi yadro reaksiyalari zanjirini ochuvchi asosiy jarayon kuchsiz kuchlar ta’sirida sodir bo‘ladigan reaksiyadir.
Zaif o'zaro ta'sirda ishtirok etuvchi zarralar.
Zaif o'zaro ta'sir belgilaridan biri neytrinolarning (antineutrinos) paydo bo'lishidir.Bu zarralar kuchli o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydigan leptonlar - 1/2 spinli nuqtali fundamental fermionlar guruhiga kiradi (ular yo'q). Zaif maydon kvantlari W, Z va elektromagnit maydon kvanti (foton) ham ishtirok etadi.Antileptonlarning xarakteristikalari barcha zaryadlarning belgilarini o'zgartirish va parchalanish sxemalaridagi zarrachalarni antizarralar bilan almashtirish orqali olinadi.