Где все медленные нейтрино?

Обычный способ, которым физики описывают нейтрино, заключается в том, что они имеют очень небольшую массу, что означает, что они движутся со скоростью, близкой к скорости света. Вот цитата из Википедии, которая также отражена во многих учебниках:

В рамках стандартной модели физики элементарных частиц долгое время предполагалось, что нейтрино не имеют массы. Таким образом, согласно специальной теории относительности, они должны двигаться точно со скоростью света. Однако с момента открытия нейтринных осцилляций предполагается, что они обладают небольшой массой. 1 Таким образом, они должны двигаться немного медленнее скорости света... -- Википедия (Измерения скорости нейтрино)

Взятый за чистую монету, этот язык очень вводит в заблуждение. Если у частицы есть масса (независимо от того, насколько она мала), ее скорость совершенно относительна, и говорить, что нейтрино движутся со скоростью, близкой к скорости света, без оговорок так же неправильно, как говорить, что электроны или бильярдные шары движутся со скоростью, близкой к скорости света. легкий.

Так в чем причина того, что все повторяют это описание? Не потому ли, что все нейтрино, которые мы обнаруживаем на практике, движутся со скоростью, близкой к скорости света? Если да, то у меня такой вопрос:

Нейтрино приходят к нам со всех сторон и из всевозможных источников (звезды, ядерные реакторы, ускорители частиц и т. д.), и, поскольку они имеют массу, как и электроны, я бы подумал, что мы должны увидеть их движущимися с самыми разными скоростями. . (Наверняка какие-то космические источники нейтрино удаляются от Земли с очень большой скоростью, например. Или как насчет нейтрино, испускаемых частицами в ускорителях?)

Итак, как я сказал в начале: где все медленные нейтрино? И почему мы увековечиваем вводящую в заблуждение фразу: «близка к скорости света» (т.е. без контекстуальной квалификации)?

Вклад нерелятивистских нейтрино в бета-распад в принципе можно обнаружить, по нему можно измерить массу нейтрино: katrin.kit.edu
@CountIblis: они не обнаруживают нейтрино, а только недостающий импульс энергии. Сказав это, это прекрасный точный эксперимент.
@CuriousOne Да, но обратите внимание, что влияние на распределение энергии электрона является наибольшим в области, где соответствующая энергия нейтрино нерелятивистская. Таким образом, если они обнаружат массу нейтрино, то наибольший вклад в результаты внесут распады, при которых испускаются нерелятивистские нейтрино.
Кто-нибудь знает, почему часть комментария была удалена? Это был полезный и актуальный диалог.
Если нейтрино имеют очень маленькую массу, то если они не движутся быстро относительно детектора , то относительно него они имеют очень маленькую энергию. Означает ли это, что такие нейтрино очень трудно обнаружить, значит ли это, что мы когда-либо видим только довольно быстрые нейтрино? Это не риторический комментарий: я не специалист по частицам, поэтому не знаю, но это прекрасно объясняет отсутствие обнаружения медленных нейтрино.
Я думаю, что я просто наивно отвечаю на вопрос ОП: «Где медленные нейтрино?» Они, несомненно, «есть», но их нельзя измерить напрямую. Большинство нейтрино даже от радиоактивного источника будут релятивистскими в инерциальной системе источника.
@tfb: Да, это в значительной степени суть экспериментальной проблемы. Вы можете посмотреть на предельные энергии детекторов солнечных нейтрино, чтобы понять, насколько они низкие. Я думаю, что это где-то в диапазоне однозначных МэВ, по крайней мере, для черенковских детекторов, где нейтрино передает свой импульс электрону, который должен быть релятивистским, чтобы вызвать черенковское излучение.
@PhysicsFootnotes Гораздо лучше. Кроме того, я удалил некоторые комментарии, потому что они должны были быть опубликованы как ответ. Комментарии предназначены для предложения улучшений, запроса разъяснений и, в некоторой степени, ссылок на соответствующие ресурсы - вот и все. Комментарии всегда преходящи и могут быть удалены, как только их цель будет достигнута. Любая полезная информация из комментариев должна быть включена в вопрос или ответ.
Куда они ушли? Мы не знаем; Боб Дилан не удосужился написать именно этот куплет. :) @tfb Это то, что я предполагал в течение долгого времени, но, не имея друзей-частиц, никогда не проверял это со знающим источником. Судя по ответам, мы были правы. Кстати, я немного рискнул и записал это предположение в своем ответе на этот вопрос . Я не получил отрицательных голосов, но, поскольку первоначальный вопрос был запутанной формой настоящего вопроса (что намного яснее), я не уверен, что многие люди его видели.
@DavidZ: Диалог идет в чатах :)

Ответы (2)

Строго говоря, утверждение, что нейтрино движутся со скоростью, «близкой к скорости света», действительно неверно. Как вы сказали, поскольку они имеют массу, с ними можно обращаться так же, как с любым другим массивным объектом, например, с бильярдными шарами. И как таковые они путешествуют только со скоростью света относительно чего-либо. По отношению к другому движущемуся вместе с ним нейтрино оно будет находиться в состоянии покоя.

Однако это утверждение остается верным почти для всех практических целей. И даже не важно, в какой системе отсчета вы смотрите на нейтрино. Причина в том, что нерелятивистское нейтрино ни с чем не взаимодействует. Или, другими словами: все нейтрино, которые вы можете обнаружить, обязательно должны иметь релятивистские скорости.

Позвольте мне уточнить. Поскольку нейтрино слабо взаимодействуют, их уже чрезвычайно трудно обнаружить, даже если они имеют высокие энергии (> ГэВ). Если вы переходите ко все более низким энергиям, сечение взаимодействия также уменьшается все больше и больше. Но есть еще один важный момент. Большинство процессов взаимодействия нейтрино имеют энергетический порог возникновения. Например, обратный бета-распад

ν ¯ е + п + → н + е +

в котором антинейтрино превращает протон в нейтрон и позитрон и который часто используется в качестве процесса обнаружения нейтрино, имеет порог энергии антинейтрино 1,8 МэВ. Нейтрон и позитрон более массивны, чем антинейтрино и протон, поэтому у антинейтрино должно быть достаточно энергии, чтобы произвести избыточную массу конечного состояния (1,8 МэВ). Ниже этой энергии (анти)нейтрино больше не может вступать в эту реакцию.

Реакцией с особенно низким порогом является упругое рассеяние на электроне в атоме. Для этого требуется только пороговая энергия порядка эВ (которая необходима, чтобы перевести электрон на более высокий атомный энергетический уровень). Но нейтрино с энергией эВ все равно было бы релятивистским!

Если предположить, что нейтрино имеет массу около 0,1 эВ, это все равно будет означать гамма-фактор γ ≈ 10 . Чтобы нейтрино было нерелятивистским, оно должно иметь кинетическую энергию в диапазоне миллиэВ и ниже. Это ожидаемый энергетический диапазон нейтрино космического фона , оставшихся с самых ранних времен Вселенной. Они, так сказать, нейтринная версия Космического Микроволнового Фона. Так что нерелятивистские нейтрино не только существуют (согласно общепринятым космологическим моделям), но и повсюду вокруг нас. На самом деле их плотность на Земле ≈ В 50 раз больше, чем нейтрино от Солнца!

Ведутся большие споры о том, можно ли их когда-либо обнаружить экспериментально. Есть несколько предложений (и даже один эксперимент-прототип ), но есть разные мнения о практической осуществимости таких попыток. Единственный процесс, оставшийся для нейтрино при таких малых энергиях, — это нейтринный распад нестабильных ядер . Если у вас есть уже радиоактивный изотоп, то нейтрино как будто немного «подтолкнет» его к краю. β -электрон, высвобождаемый при индуцированном распаде, тогда получит немного большую энергию, чем значение добротности спонтанного распада, и экспериментальная сигнатура будет крошечным пиком справа от нормального β -спектр. Это все еще будет чрезвычайно редкий процесс, и большая проблема состоит в том, чтобы построить аппарат с достаточно хорошим энергетическим разрешением, чтобы пик можно было отличить от спектра нормального спонтанного ядерного распада (среди всего фона). Эксперимент Katrin пытается измерить конечную точку β -спектр трития для определения массы нейтрино. Но при очень благоприятных обстоятельствах у них даже есть некоторый шанс обнаружить такую ​​сигнатуру нейтрино космического фона.

TL;DR: На самом деле нерелятивистские нейтрино есть повсюду, но они настолько мало взаимодействуют, что кажется, что они вообще не существуют.

ре; " и большая проблема состоит в том, чтобы отличить его от нормального спонтанного ядерного распада ". Предположим на мгновение, что не существует такой вещи, как нормальный спонтанный ядерный распад , а скорее, что все события, кажущиеся таковыми, на самом деле вызываются медленными нейтрино. Каковы будут последствия для ядерной физики? Будет ли такая возможность последовательной? Можно ли вычислить плотность энергии медленных нейтрино, исходя из этого предположения?
Если есть так много медленных нейтрино, есть ли шанс, что они внесут значительный вклад в темную материю, несмотря на то, что они такие крошечные?
@PieterGeerkens: извините, моя формулировка была неверной, и я изменил абзац в своем ответе. Спонтанные и нейтринные β -распад - это два различных процесса (последний представляет собой реакцию двух тел, в которой β -электрон всегда получает фиксированное количество энергии, в то время как первый представляет собой трехчастичный распад, который дает непрерывный спектр β -энергии). Я имел в виду сложность различить этот процесс экспериментально , что чрезвычайно сложно, потому что искомые структуры меньше разрешающей способности вашего аппарата.
@JanDvorak: в космологическом масштабе C ν B-нейтрино действительно играют определенную роль, но это не та темная материя, которую все ищут. Даже если С ν B-нейтрино нерелятивистские, они по-прежнему чрезвычайно быстры (несколько сотен км/с) и не сильно группируются под действием гравитации. Поэтому они не могут образовывать ореолы, как можно было бы ожидать от темной материи.
@Sentry Большое спасибо за этот отличный подробный ответ. Я также хотел бы услышать ваше мнение о следующем документе, который я нашел очень полезным. В частности, кажется ли вам это надежным, и/или вы бы порекомендовали что-то еще в этом духе? Дж. А. Формаджио, Г. П. Целлер «От эВ к ЭэВ: сечения нейтрино в разных энергетических масштабах» arxiv.org/pdf/1305.7513v1.pdf
@PhysicsFootnotes Я знаю эту статью и часто использую ее в качестве краткого справочника, в основном из-за ее полноты и потому, что я нахожу ее хорошо написанной. Если я не ошибаюсь, JA Formaggio также участвует в эксперименте Ptolemey CvB, о котором я упоминал. Для общей информации о нейтрино и их сечениях я мог бы также предложить обзоры 0804.3899 и 1310.4340 на ArXiv.
@JohnDvorak на самом деле, космические нейтрино могут двигаться достаточно медленно, чтобы гравитационно сконцентрироваться в нынешнюю эпоху . Однако даже нейтрино с (малой) массой считаются горячей темной материей, потому что они двигались релятивистски со скоростью г > 100 когда происходило важное структурообразование.

Экспериментальное обнаружение медленных нейтрино — действительно большая, но очень важная задача.

Космический фон нейтрино имеет температуру около 2К и, вероятно, состоит из нерелятивистских нейтрино для возможных масс покоя нейтрино - с плотностью около 340 см − 3 (все вкусы). Именно при такой низкой температуре именно по той причине, о которой вы говорите, - он излучался с красным смещением около 10 10 .

Конечно, существуют косвенные доказательства существования этих нейтрино в космическом микроволновом фоне ( Фоллин и др., 2015 ), но усилия по прямому обнаружению этих нейтрино уже предпринимаются — см. Фаесслер и др. (2016) и КАТРИН .

Интересная мысль заключается в том, что если бы вы могли каким-то образом поставить свой аппарат на движущуюся платформу, то произошло бы заметное изменение C ν B эффективность обнаружения в направлении «вперед», если бы вы могли разогнаться до релятивистских скоростей. Я полагаю, что это сценарий, противоположный вашему вопросу - вы сделаете медленные нейтрино релятивистскими своим относительным движением.

Где все медленные нейтрино?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v