ნეიტრინო

ნეიტრინო

ნეიტრინო (იტალ. neutrino — (კნინობითი) < neutrone — „ნეიტრონი“; აღნიშვნა: $\nu$ — „ნიუ“) — ელექტრულად ნეიტრალური ელემენტარული ნაწილაკი, რომელსაც ელექტრონის მასასთან შედარებით აქვს ძალიან მცირე (შესაძლოა ნულის ტოლი) უძრაობის მასა, 1/2-ის ტოლი სპინი (პლანკის მუდმივას $h/2\pi$ ერთეულებით გამოსახული). სახელწოდება „ნეიტრინოს“ იყენებენ სამი სხვა დასხვა ელემენტარული ნაწილაკის — ელექტრონული ($\nu _{e}$), მიუონური ($\nu _{\mu }$) და ტაონური ($\nu _{\tau }$) ნეიტრინოების მიმართ.

ნეიტრინო მიეკუთვნება ლეპტონებს, რომლებიც არ მონაწილეობენ ე. წ. ძლიერ ურთიერთქმედებაში. ამ ნაწილაკებს აქვს სპეციფიკური ლეპტონური მუხტი: ელექტრონული ($\nu _{e}$ და $e^{-}$ ნაწილაკებისათვის), მიუონური ($\nu _{\mu }$ და $\mu ^{-}$) და ტაონური ($\nu _{\tau }$ და $\tau ^{-}$). ელექტრონისა და მიუონისგან განსხვავებით ($\nu _{e}$, $\nu _{\mu }$ და $\nu _{\tau }$ ნეიტრინოები (გარდა ტრადიციულისა) უშუალოდ მონაწილეობენ მხოლოდ სუსტ ურთიერთქმედებაში. ეს გარემოება, ერთის მხრივ, განაპირობებს ნეიტრინოს მრავალ უნიკალურ თვისებას, მეორე მხრივ, მეტისმეტად აძნელებს მასზე პირდაპირ დაკვირვებას. ამის გამო ნეიტრინოს ბუნება ძირითადად გამოკვლეულ იქნა არაპირდაპირი ექსპერიმენტებით.

კვლევის ისტორია

β-დაშლის ბუნება

β-დაშლის დროს ბირთვიდან გამოიტყორცნება ელექტრონი, მაგრამ ბირთვში ელექტრონი არ არის. ბირთვიდან ელექტრონის გამოტყორცნის შემდეგ ბირთვის მუხტი და, მაშასადამე, პროტონების რიცხვიც ერთით იზრდება. ბირთვის მასური რიცხვი არ იცვლება. ეს ნიშნავს ნეიტრონების რიცხვის ერთით შემცირებას. მაშასადამე, ბეტა-რადიოაქტიური ბირთვების შიგნით ნეიტრონი შეიძლება დაიშალოს პროტონად და ელექტრონად. პროტონი რჩება ბირთვში, ხოლო ელექტრონი გამოიტყორცნება გარეთ. მხოლოდ სტაბილურ ბირთვებშია ნეიტრონები მდგრადი.

ამავდროულად, სრულიად იგივეური ბირთვები გამოიტყორცნიან სხვადასხვა ენერგიის ელექტრონებს. ახლად წარმოშობილი ბირთვები კი სრულიად ერთნაირია, მიუხედავად იმისა, თუ რა ენერგია გამოიტყორცნა ელექტრონმა. ეს, როგორც ჩანს ეწინააღმდეგება ფიზიკის ფუნდამენტურ — ენერგიის მუდმივობის კანონს. საწყისი ბირთვის ენერგია საბოლოო ბირთვისა და ელექტრონის ენერგიათა ჯამის ტოლი არ არის.

პაულის ჰიპოთეზა

1931 წელს ჰიპოთეზა ელექტრონული ნეიტრინოს, ან უფრო ზუსტად, ანტინეიტრინოს არსებობის შესახებ გამოთქვა შვეიცარიელმა ფიზიკოსმა ვ. პაულიმ, რათა აეხსნა ენერგიის მუდმივობის კანონის მოჩვენებითი დარღვევა β-დაშლის პროცესში. მისი ვარაუდით ელექტრონსა და პროტონთან ერთად ჩნდება კიდევ რაღაც ნაწილაკი — „უჩინარი“, რომელსაც მიაქვს ენერგიის დანაკლისი. ეს ნაწილაკი ხელსაწყოებით არ რეგისტრირდება, ვინაიდან მას არა აქვს ელექტრული მიხტი. მაშასადამე, მას არ შეუძლია ატომების იონიზაცია, ბირთვების გახლეჩა, ე. ი. მას არ შეუძლია გამოიწვიოს ის ეფექტები, რომელთა მიხედვითაც შეიძლება მსჯელობა ნაწილაკის გაჩენის შესახებ.

1934 წელს ამ დაშლის თეორია შექმნა იტალიელმა ფიზიკოსმა ე. ფერმიმ, რომელმაც შემოიღო ე. წ. სუსტი ურთიერთქმედების ცნება. მან ამ ნაწილაკს „ნეიტრინო“ უწოდა, რაც „პატარა ნეიტრონს“ ნიშნავს. ნეიტრინოს უძრაობის მასა, როგორც იწინასწარმეტყველა პაულიმ, ნულის ტოლი აღმოჩნდა.

თავისუფალი ნეიტრონის დაშლა

ნეიტრინოს როლი მხოლოდ ბირთვების β-დაშლის ახსნაზე არ დაიყვანება. ძალიან ბევრი ელემენტარული ნაწილაკი თავისუფალ მდგომარეობაში თავისთავად იშლება და გამოიტყორცნის ნეიტრინოს. უპირველეს ყოვლისა ასე იქცევა ნეიტრონი.სხვადასხვა ნუკლონებთან ურთიერთქმედების გამო ნეიტრონი მხოლოდ ბირთვებში იძენს სტაბილურობას. თავისუფალი ნეიტრონი კი საშუალოდ 16 წუთს ცოცხლობს. ეს ექსპერიმენტულად მხოლოდ მას შემდეგ იქნა დადასტურებული, როდესაც ააგეს რეაქტორები, რომლებიც ნეიტრონების მძლავრ კონებს იძლევიან.

სხვა ნაწილაკების მსგავსად, ნეიტრინოს (სიმბოლო $\nu$) აქვს ანტინაწილაკი, რომელსაც ანტინეიტრინო (სიმბოლო ${\bar {\nu }}$) ეწოდება. β⁻-დაშლის თეორიის მიხედვით, ნეიტრონის ($n$) პროტონად ($p$) და ელექტრონად ($e^{-}$) დაშლისას სწორედ ელექტრონული ანტინეიტრინო (${\bar {\nu }}_{e}$) გამოსხივდება:

$n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$. (1ა)

ნეიტრონის ენერგია, ყოველთვის მეტია პროტონისა და ელექტრონის ენერგიათა ჯამზე. ჭარბი ენერგია მიაქვს ანტინეიტრინოს.

ნეიტრინოს ექსპერიმენტული აღმოჩენა

მიუხედავად იმისა რომ ნეიტრინო (ისევე როგორც ანტინეიტრინო) უჩინარია და 26 წლის განმავლობაში სამეცნიერო წყაროებში „აჩრდილივით“ არსებობდა, ექსპერიმენტულად იქნა აღმოჩენილი.

თეორიამ იწინასწარმეტყველა, რომ პროტონში ანტინეიტრინოს მოხვედრისას წარმოიქმნება პოზიტრონი ($e^{+}$) და ნეიტრონი:

${\bar {\nu }}_{e}+p\rightarrow n+e^{+}$. (1ბ)

ე. ი. ამ თეორიის თანახმად არსებობს გარკვეული ალბათობა იმისა, რომ ანტინეიტრინო რეაგირებს პროტონთან, რის შედეგად წარმოიშობა ნეიტრონი და პოზიტრონი. შესაძლებელია აგრეთვე $p\rightarrow n+e^{+}+\nu _{e}$ პროცესი, რომელიც შეესაბამება ატომბირთვების პოზიტრონულ β⁺-დაშლას:

$_{Z}^{A}X\rightarrow _{Z-1}^{A}X+e^{+}+\nu _{e}$,

სადაც $_{Z}^{A}X$ სიმბოლოთი აღნიშნულია ბირთვი, რომელიც შეიცავს Z პროტონს და რომლის მასური რიცხვია A. ეს პროცესი თანამედროვე ასტროფიზიკის თანახმად განსაკუთრებით მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მზესა და ვარსკვლავებში მიმდინარე თერმობირთვულ რეაქციებში, რომლებიც მათი ენერგიის ძირითად წყაროს წარმოადგენენ.

ფერმის თეორიის წარმატებამ ხელი შეუწყო ნეიტრინოს, როგორც ახალი ელემენტარული ნაწილაკის, საყოველთაო აღიარებას მის 1953 წლის აღმოჩენამდე დიდი ხნით ადრე (1ბ) რეაქციის მეშვეობით (კ. კოუენი, ფ. რაინესი, აშშ). მეორეს მხრივ, ელემენტარული ნაწილაკების, ძირითადად კი პიონების და კაონების, დაშლის სპეციფიკამ მოითხოვა (ენერგიის, იმპულსისა და მომენტის შენახვის კანონების საფუძველზე) ამ პროცესებშიც ნეიტრინოს ტიპის ნაწილაკის შეყვანა. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ორი ნაწილაკის ზოგადი მახასიათებლები (ელექტრონეიტრალურობა, მცირე მასა, 1/2 სპინი, სუსტი ურთიერთქმედება სხვა ნაწილაკებთან) ერთი და იგივეა. დამტკიცდა, რომ ნეიტრინო $\nu _{\mu }$, რომელიც გამოსხივდება მიუონთან ($\mu$) ერთად [$\pi ^{\pm }\rightarrow \mu ^{\pm }+\nu _{\mu }({\bar {\nu }}_{\mu }),<math>K^{\pm }\rightarrow \mu ^{\pm }+\nu _{\mu }({\bar {\nu }}_{\mu })$ და ა. შ.], განსხვავდება ელექტრონული ნეიტრინოსაგან ($\nu _{e}$) ისინი განსხვავდებიან ერთმანეთისაგან დამატებითი ლეპტონური კვანტური რიცხვებით.

1956 წელს სუსტ ურთიერთქმედებაში ლუწობის შენახვის დარღვევის აღმოჩენამ ახალი ეტაპი შექმნა ნეიტრინოს გამოკვლევაში. ლუწობის შენახვის დარღვევის ერთ-ერთი შედეგი ისაა, რომ სუსტი ურთიერთქმედების პროცესში წარმოშობილ ნაწილაკებს უნდა ჰქონდეს გარკვეული პოლარიზაცია თავისი მოძრაობის მიმართულებით. ბეტა-დაშლაში ელექტრონებისა და პოზიტრონების სიგრძივი პოლარიზაციის გაზომვებიდან გამომდინარეობს, რომ $\nu _{e}$ სრულად პოლარიზებულია თავისი იმპულსის საწინააღმდეგო მიმართულებით, ხოლო ${\bar {\nu }}_{e}$ — იმპულსის მიმართულებით.

ანტინეიტრინოს დიდი რაოდენობა წარმოიქმნება ბირთვული რეაქტორის მუშაობის დროს, როდესაც ურანის ბირთვების გაყოფისას ჩნდება მრავალი β-რადიოაქტიური ნამსხვრევები მცირე სიცოცხლის ხანგრძლივობით.

1956 წელს აშშ-ში ჩატარდა შემდეგი ექსპერიმენტი: რეაქტორის ახლოს მიწაში ჩაფლეს ტყვია-პარაფინის კედლებიანი ყუთი. ყუთში იყო 200 ლიტრი წყალი, გარემოცული თხევადი სცინტილატორის ფენით (დაახლოებით 300 ლიტრი), რომელიც იძლეოდა მცირე აკიაფებებს მასში γ-კვანტების გავლის დროს.

ანტინეიტრინოს წყლის მოლეკულის ერთ-ერთ პროტონში მოხვედრისას წარმოქმნილი პოზიტრონი მაშინვე განიცდის ანიჰილაციას ერთ-ერთ ელექტრონთან და იძლევა ორ γ-კვანტს. γ-კვანტები იწვევს სცინტილატორის აკიაფებებს, რომლებიც რეგისტრირდება სპეციალური ხელსაწყოებით. რექაციის დროს წარმოშობილი ნეიტრონი გარკვეული „ხეტიალის“ შემდეგ წყალში სპეციალურად დამატებული კადმიუმის ბირთვის მიერ ჩაიჭიდება. ამის შემდეგ კადმიუმის ბირთვი რამდენიმე γ-კვანტს ასხივებს, რაც ნეიტრონის გამოჩენის სიგნალს წარმოადგენს. თავდაპირველად სხვადასხვა მიმართულებით გატყორცნილი ორი γ-კვანტის, ხოლო მცირე დროის შემდეგ კიდევ რამდენიმე γ-კვანტის გამოჩენით დადგენილ იქნა ანტინეიტრინოების არსებობა იმ სიცხადით, რომელიც საერთოდ შესაძლებელია ელემენტარული ნაწილაკების სამყაროში.

შემდეგი მნიშვნელოვანი ნაბიჯი ნეიტრინოს თეორიის განვითარებაში დაკავშირებულია 1973-1975 წლებში ჰადრონებსა და ელექტრონებზე ნეიტრინოს გაბნევის პროცესებში ნეიტრალური სუსტი დენების აღმოჩენასა და ლეპტონებისა და კვარკების სუსტი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებების ერთიანი თეორიის შექმნასთან. ამ თეორიის თანახმად ორივე ნეიტრინო, გარდა უვე ცნობილი ($\nu _{e}\rightarrow e^{-}$) და ($\nu _{\mu }\rightarrow \mu ^{-}$) ელემენტარული გადასვლებისა, რომელთა აღწერა შესაბამისი დამუხტული სუსტი დენებით ხდება, განიცდის აგრეთვე „დრეკად“ ($\nu _{e}\rightarrow \nu _{e}$) და ($\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{\mu }$) ელემენტარულ გადასვლებს ნეიტრალური დენებით, რაც იწვევს დამახასიათებელ გაბნევის პროცესებს: $\nu _{e}({\bar {\nu }}_{e})+e\rightarrow \nu _{e}({\bar {\nu }}_{e})+e$, $\nu _{\mu }({\bar {\nu }}_{\mu })+e\rightarrow \nu _{\mu }({\bar {\nu }}_{\mu })+e$, $\nu _{\mu }({\bar {\nu }}_{\mu })+Z^{X}\rightarrow \nu _{\mu }({\bar {\nu }}_{\mu })+...$ (2)

პირველი პროცესი შეიძლება გამოწვეული იყოს, როგორც დამუხტული, ისე ნეიტრალური დენებით, უკანასკნელი ორი კი — მხოლოდ ნეიტრალური დენებით.

თანამედროვე წარმოდგენების თანახმად, (2) პროცესები უმნიშვნელოვანეს როლს ასრულებენ ასტროფიზიკურ მოვლენებში, რადგან ისინი გარდაქმნიან სხვადასხვა სახის ენერგიას ($\nu {\bar {\nu }}$) წყვილის ენერგიად. ნეიტრინოს განსაკუთრებულ როლს ამ პროცესებში განაპირობებს მისი უზარმაზარი შეღწევადობის უნარი (მაგალითად, 1 მეგევ ენერგიის ნეიტრინოს გარბენი ტყვიაში 10²⁰ სმ-ია). ნივთიერებაში ფოტონების ინტენსიური შთანთქმის გამო ენერგიის კარგვა დიდი სიმკვრივისა და ტემპერატურის მქონე ვარსკვლავების (თეთრი ჯუჯები, ზეახალი ვარსკვლავები და სხვა) მიერ სინათლის გამოსხივებით გაძნელებულია, ამიტომ ისინი ენერგიას უმეტესად ($\nu {\bar {\nu }}$) წყვილების გამოსხივების (ე. წ. ვარსკვლავების ნეიტრინული ნათობა) შედეგად კარგავენ.

ამჟამად საყოველთადო მიღებულ ცხელი სამყაროს კოსმოლოგიურ მოდელში არსებობს შეზღუდვა ზემოდან ნეიტრინოს სხვადასხვა ტიპის რიცხვზე ($N_{\nu }\leqslant 6$) და მათ ჯამურ მასაზე $m_{\nu _{e}}+m_{\nu _{\mu }}+...<100$ ევ). რაც შეეხება სხვა ტიპის ნეიტრინოს, გარდა $\nu _{e}$-სი და $\nu _{\mu }$-სი, ბოლო წლებში მიღებულია დამაჯერებელი ექსპერიმენტული მითითება ერთი ასეთი ნაწილაკის $\nu _{\tau }$-ს არსებობაზე, რომელიც თავის დამუხტულ პარტნიორთან $\tau ^{-}(\tau ^{+})$ ერთად ქმნის ლეპტონების ახალ ქვეჯგუფს ($\nu _{\tau },\tau$); ეს ჯგუფი თავისი სუსტი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებებით ელექტრონული ($\nu _{e},e$) და მიუონური ($\nu _{\mu },\mu$) ქვეჯგუფების ანალოგიურია.

ელემენტარული ნაწილაკების დაშლის არსი

ნეიტრონისა და სხვა ნაწილაკების დაშლა წარმოადგენს გარდაქმნებს ელემენტარული ნაწილაკების სამყაროში და არა რთული სისტემის შემადგენელ ნაწილებად დაშლას.

შთამომავალ-ნაწილაკთა დამოკიდებულება წინაპარ-ნაწილაკებთან სრულიადაც არ მოგვაგონებს დამსხვრეული ქოთნის დამოკიდებულებას მთელთან. მაგალითად, ნეიტრონის დაშლის შემთხვევაში ყველაფერი აშკარაა: ვინაიდან ანტინეიტრინო არსებობს მხოლოდ სინათლის სიჩქარით წრფივად მოძრაობისას, ამიტომ მას ნეიტრონის შიგნით ყოფნა არ შეუძლია. ნეიტრონის დაშლის დროს გამოყოფილ პროტონსა და ელექტრონს კი შეუძლია მდგრადი სისტემის შექმნა, მაგრამ ეს იქნება კარგად ცნობილი და შესწავლილი წყალბადის ატომი და არა ნეიტრონი.

ლიტერატურა

• ჩქარეული ჯ., ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 7, თბ., 1984. — გვ. 370-371.