Σε αυτήν την παρουσίαση σκιαγραφούμε την ιστορική διαδρομή του νετρίνο: από τη σύλληψή του το 1930 για να επιλύσει την φαινόμενη μη-διατήρηση της ενέργειας στην πυρηνική β-διάσπαση, έως το Nobel Φυσικής του 2015 και πλέον.

1. ΝΕΤΡΙΝΟ: Μια ιστορική διαδρομή
Σεμινάρια Σύγχρονης Φυσικής
Ε.Χανιωτάκης
Φυσικός
1

2. 2

3. Το 1914 ο Chadwick ανακάλυψετην β-διάσπαση κάποιων πυρήνων:
Κατα τη β-διάσπαση ένας πυρήνας μπορεί να διασπαστεί αυθόρμητα
- Μετατρέποντας ένα νετρόνιο (πρωτόνιο) του ατομικού πυρήνα σε πρωτόνιο
(νετρόνιο)
- Προκαλώντας την εκπομπή ενός σώματιδίου το οποίο τότε ονομάστηκε β-
(β+)  ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο)
3
 Αλλαγή ενός χημικού στοιχείου σε ένα άλλο με διαφορετικές ιδιότητες!!

4. Η β-διάσπαση φαινόταν να μην «σέβεται την διατήρηση της ενέργειας»
Κατα την διάρκεια της β-διάσπασης απελευθερώνεται ενέργεια ίση με:
𝑄 = 𝑀 𝑃. 𝑐2 − 𝑀 𝐷. 𝑐2
(MP, MD : Μάζες μητρικού και θυγατρικού πυρήνα)
Αυτή η ενέργεια θα έπρεπε να μεταφέρεται όλη στο εκπεμπόμενο β- (β+)
Αν μετρήσω την ενέργεια των σωματιδίων
β, και σχεδιάσω την κατανομή της σε
ένα ιστόγραμμα, βλέπω οτι τα περισσότερα
ηλεκτρόνια έχουν λιγότερη ενέργεια από
την τιμή Q !!!!
Πού πήγε η υπόλοιπη ενέργεια ;;;;;
Q
4

5. Niels Bohr: « Η ενέργεια δεν διατηρείται σε όλες τις διαδικασίες του μικρόκοσμου»
Lise Meitner:
« Τα ηλεκτρόνια που παράγονται κατά την β-διάσπαση έχουν ενέργεια Q και
χάνουν μέρος της κατά την αλληλεπίδρασή τους με το υλικό τριγύρω τους
έως ότου φθάσουν στον ανιχνευτή»
 Πείραμα Ellis & Wooster (1927)
• Πηγή σωματιδίων β τοποθετημένη σε
θερμιδόμετρο
• Τα σωμάτια β θερμαίνουν το θερμιδόμετρο
αφήνοντας όλη τους την ενέργεια μέσα του
• Μέση Ενέργεια = Ολική Ενέργεια/ Αριθμός Ηλεκτρονίων
• Αν η ενέργεια διατηρείται, θα πρέπει η μέση ενέργεια να
ισούται με Q
5

6. Το Πείραμα αποδεικνύει ότι : Όντως μέρος της ενέργειας χάνεται ;;;
6

7. Σώζοντας την διατήρηση της Ενέργειας-Ορμής
7

8. Το 1934, ο Εnrico Fermi διατύπωσε την πρώτη θεωρία
για την Ασθενή Αλληλεπίδραση.
Η αλληλεπίδραση αυτή είναι υπαίτια για την β-διάσπαση.
Απαραίτητο στοιχείο αυτής της θεωρίας το νέο σωματίδιο
του Pauli, το οποίο ο Fermi βάφτισε «Νετρίνο» (neutrino  μικρό ουδέτερο)
Ένα νετρόνιο αλληλεπιδρά με ένα νετρίνο
και παράγεται ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο.
Η εμβέλεια της αλληλεπίδρασης 0
Τα σωματίδια βρίσκονται πρακτικά στην ίδια θέση
κατα την δημιουργία τους!!!
8

9. Με βάση τη θεωρία του Fermi:
 Πιθανότητα αλληλεπίδρασης νετρίνο με την ύλη: Απειροελάχιστη! Ένα
νετρίνο ενέργειας 1 MeV θα διανύσει 50 έτη φωτός στο νερό μέχρι να
αλληλεπιδράσει !!!
( MeV: Mονάδα μέτρησης ενέργειας. Ισοδυναμεί με την ενέργεια που θα
αποκτήσει ένα ηλεκτρόνιο αν τοποθετηθεί σε διαφορά δυναμικού 1 MV)
 Η ανίχνευση του νετρίνο είναι τρομακτικά δύσκολη
 Όσο η ενέργεια του νετρίνο αυξάνει τόσο μεγαλώνει η πιθανότητα
αλληλεπίδρασής του!
 Το νετρίνο αλληλεπιδρά μόνο με την Ασθενή Αλληλεπίδραση
𝜎 𝑛 + 𝜈 → 𝑒−
+ 𝑝+
~𝐸 𝜈 𝛭𝑒𝑉 . 10−43
(𝑐𝑚2
)
9

10. 10

11. Πoυ θα ψάξουμε για νετρίνο;
Θα ψάξουμε για έντονες φυσικές διεργασίες στις οποίες συμβαίνουν ασθενείς
αλληλεπιδράσεις!!
11

12. 26 χρόνια πέρασαν από την θεωρητική σύλληψη του νετρίνο από τον Pauli, μέχρι
την πολυπόθητη ανίχνευσή του από τους C.Cowan και F. Reines το 1956
Θυμηθείτε! Είναι πολύ σπάνιο να αλληλεπιδράσει ένα νετρίνο. Για να το εντοπίσουμε
πρέπει να έχουμε μια πηγή που παράγει πολλά νετρίνα, έναν μεγάλο ανιχνευτή ώστε
να έχουν αρκετούς ‘στόχους’ για να αλληλεπιδράσουν, καλούς ανιχνευτές
και πολλή υπομονή!
Οι Reines & Cowan χρησιμοποίησαν σαν πηγή νετρίνο τον πυρηνικό αντιδραστήρα
Savvanah River στην Ν. Καρολίνα.Τοποθέτησαν τον ανιχνευτή τους 11m μακριά
σε βάθος 12 μέτρων από την επιφάνεια της γης.
12

13. Στο πείραμα αυτό περίπου 1012
νετρίνα εισέρχονταν στον ανιχνευτή κάθε δευτερόλεπτο.
Ανιχνεύθηκαν μόλις 3 !!!
13

14. Στο μεταξύ, η Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων βρισκόταν σε άνθηση χάρη στην
ανάπτυξη του εργαλείου των επιταχυντών. Πολλά νέα σωματίδια ανακαλύφθηκαν και
ανάμεσα σε αυτά το μιόνιο, ένα βαρύ ξαδερφάκι του ηλεκτρονίου το οποίο ζεί για
μόλις 2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου!
Αφού περάσει αυτός ο χρόνος, το μιόνιο διασπάται και δίνει ηλεκτρόνια.
Ο τρόπος που διασπάται το μιόνιο υποψίασε τους φυσικούς, στο οτι μπορεί να
υπήρχαν παραπάνω από ένα είδη νετρίνο!
Ένα είδος που όταν αλληλεπιδρούσε
με την ύλη θα έδινε ηλεκτρόνια:
το νετρίνο ηλεκτρονίου
και ένα άλλο είδος το οποίο στις
αλληλεπιδράσεις του με την ύλη,
θα έδινε μιόνια :το νετρίνο μιονίου!
14

15. Το 1962, η ομάδα του L.Lederman στον επιταχυντή του εργαστηρίου Brookhaven
απέδειξε οτι υπάρχει δεύτερο είδος νετρίνο, το νετρίνο μιονίου!
15

16. ΔΕΝ μπορούμε να δούμε τα ίδια τα νετρίνο. ΜΟΝΟ τα υποπαράγωγα των
αλληλεπιδράσεών τους! Μπορείτε να πείτε, βλέποντας την παρακάτω εικόνα
από πού ήρθε το νετρίνο;
16

17. Πλέον γνωρίζουμε οτι το ηλεκτρόνιο (e-) έχει δύο «ξαδερφάκια»: το μιόνιο (μ-)
και το ταύ (τ-). Έτσι και το νετρίνο βγαίνει σε τρείς διαφορετικές ‘γεύσεις’:
Το νετρίνο ηλεκτρονίου (νe), το νετρίνο μιονίου (νμ) και το νετρίνο ταυ (ντ).
Τα 6 αυτά σωμάτια ανήκουν στην οικογένεια των λεπτονίων.
Το νετρίνο ταυ ανακαλύφθηκε από την κοινοπραξία D0NuT στο εργαστήριο Fermilab
των ΗΠΑ το 2000 17

18. 18

19.  Η ενέργεια που παράγεται από τον Ήλιο οφείλεται στις πυρηνικές αντιδράσεις
που γίνονται στο εσωτερικό του.
 Οι πυρηνικές αυτές αντιδράσεις παράγουν νετρίνο ηλεκτρονίου (νe)!
 Το μοντέλο (John Bachall) που περιγράφει τις πυρηνικές αντιδράσεις στον
ήλιο είναι τόσο επιτυχημένο που μας έχει προβλέψει την τιμή της Ηλιακής
Σταθεράς: Της ενέργειας που φθάνει κάθε δευτερόλεπτο σε ένα τετραγωνικό
μέτρο της γης!!
19

20. Το ξέρατε οτι περίπου 65 εκατομμύρια νετρίνο από τον ήλιο
περνάνε μέσα από τον αντίχειρά μας κάθε δευτερόλεπτο;;;
20

21. - Έγινε στα τέλη της δεκαετίας του
1960
- Τοποθέτησε στα 1480m κάτω
από την επιφάνεια της γής, στο ορυχείο Homestake
ένα κοντέινερ 380 κυβικών μέτρων
στο οποίο τοποθέτησε χλωρίνη.
- Νετρίνο από τον ήλιο αλληλεπιδρούσαν με τη
χλωρίνη και δημιουργούσαν το στοιχείο Αργό (Ar)
- To Αργό, αντλούνταν από το δοχείο με
ραδιοχημικές μεθόδους.
- Το πείραμα έδειξε οτι τα νετρίνο που φθάνουν
από τον ήλιο είναι το 1/3 απ’ ότι θα περιμέναμε
από το ηλιακό μοντέλο!!
21

22. 22

23. Το νετρίνο αλληλεπιδρά
με τα νουκλεόνια ή τα ηλεκτρόνια
του νερού εντός του ανιχνευτή.
Το φορτισμένο σωματίδιο που
παράγεται
έχει ταχύτητα μεγαλύτερη απ’
την ταχύτητα του φωτός
στο νερό 
Εκπέμπεται ακτινοβολία Cherenkov
την οποία ανιχνεύουν τα «μάτια»
του ανιχνευτή.
Έτσι καταλαβαίνουμε οτι είχαμε
αλληλεπίδραση νετρίνο!
23

24. Παρατήρηση του ήλιου μέσω νετρίνο 24 ώρες το 24ωρο!!!
Οι μετρήσεις του άνιχνευτή Kamiokande και του διαδόχου του, Super Kamiokande
έδειξαν οτι το πείραμα του Davis ήταν σωστό. Όντως τα νετρίνο που φθάνουν στη γή
από τον ήλιο είναι το 1/3 όσων θα έπρεπε με βάση τη θεωρία.
Ηλιοσεισμολογικές παρατηρήσεις έδειξαν οτι το ηλιακό μοντέλο είναι σωστό.
Άρα, ΠΟΥ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΥΠΟΛΟΙΠΑ ΝΕΤΡΙΝΟ:::
24

25. 25

26. Τι μάθαμε μέχρι τώρα;
 Τα νετρίνο βγαίνουν σε 3 γεύσεις: Το νετρίνο ηλεκτρονίου (νe), το
νετρίνο μιονίου (νμ) και το νετρίνο ταυ (ντ).
 Το κάθε είδος νετρίνο όταν αλληλεπιδρά θα δώσει το αντίστοιχο
φορτισμένο λεπτόνιο.
 Ta ηλιακά νετρίνο είναι νετρίνο ηλεκτρονίου: Όταν αλληλεπιδράσουν θα
μας δώσουν ηλεκτρόνια στον ανιχνευτή μας που μπορούμε να τα
μετρήσουμε!
 Η ροή νετρίνο που ανιχνεύουμε στη γή είναι το ~1/3 της ροής που
προβλέπει το επιτυχημένο ηλιακό μοντέλο
 Συμπέρασμα: Ή το ηλιακό μοντέλο είναι λάθος, ή κάτι συμβαίνει
στα νετρίνο από την στιγμή της δημιουργίας τους μέχρι την
ανίχνευσή τους
που δεν μας επιτρέπει να τα μετρήσουμε όλα!
26

27.  Την δεκαετία του ’60, ο Φυσικός Bruno Pontecorvo
πρότεινε την ύπαρξη ενός νέου φαινομένου: της
ταλάντωσης νετρίνο.
 Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, όταν παράγεται ένα
νετρίνο από μια φυσική διαδικασία και θεωρήσουμε
οτι τα νετρίνο έχουν μάζα τότε κατα τη διαδρομή
του, το νετρίνο θα αλλάζει γεύση!
Μπορεί να ξεκινάει σαν νετρίνο μιονίου και μετά από
κάποια απόσταση να «ταλαντωθεί» σε νετρίνο ταυ ή
νετρίνο ηλεκτρονίου!
27

28. 2 κύματα με ελαφρά
διαφορετικές συχνότητες
ξεκινάνε ταυτόχρονα στο
ίδιο μέσο.
Τα σημεία στα οποία τα
κύματα συμβάλλουν
έχουν πλάτος το οποίο
εξαρτάται από την απόσταση
από την πηγή και από την
διαφορά συχνοτήτων
των δύο κυμάτων
 Διακροτήματα στα κύματα!
28

29. Όμοια λειτουργεί και η ταλάντωση νετρίνο:
Αν σε μία θέση Α ξεκινάει ένα νετρίνο μιονίου, μπορούμε να θεωρήσουμε οτι αυτό
είναι επαλληλία δύο κυμάτων (ιδιοκαταστάσεων μάζας) με λίγο διαφορετικές
συχνότητες. Οι διαφορετικές συχνότητες οφείλονται στο οτι για να ‘μαγειρέψω’ ένα
νετρίνο μιονίου, ανακατέβονται δύο καταστάσεις νετρίνο με διαφορετική μάζα.
Το πλάτος του κύματος του νετρίνο μιονίου μας δίνει την πιθανότητα να δώ νετρίνο
μιονίου σε μια θέση χ.
Όσο η απόσταση από την πηγή Α αλλάζει, η πιθανότητα να δω
νετρίνο μιονίου αλλάζει  Ταλάντωση νετρίνο από μία γεύση σε μια άλλη!!!
29

30. 30

31. 31

32. - Σύγκρουση πρωτονίων από έναν επιταχυντή με έναν σταθερό στόχο
- Παραγωγή δέσμης νετρίνο
- Τα νετρίνο κατευθύνονται σε έναν κοντινό ανιχνευτή και μετριέται το ενεργειακό τους
φάσμα
- Συνεχίζουν το ταξίδι τους μέσα από την γή για πολλά χιλιόμετρα (μέχρι και 700 km!)
μέχρι να φτάσουν σε έναν πανομοιότυπο μακρινό ανιχνευτή όπου ξαναμετράμε το
φάσμα τους.
- Συγκρίνουμε τα δύο φάσματα. Αν τα νετρίνο έχουν ταλαντωθεί, τότε ο μακρινός
ανιχνευτής θα μετράει λιγότερα νετρίνα από τον κοντινό σε κάποια τιμή ενέργειας που
καθορίζεται από τη φυσική των ταλαντώσεων!!
32

33. Αποτελέσματα από το πείραμα MINOS στην Αμερική:
33

34. Παρόμοια διαδικασία με τα πειράματα εξαφάνισης:
Μελετάμε τα νετρίνο που αλληλεπιδρούν στον κοντινό ανιχνευτή.
Μετράμε τα νετρίνο στον μακρινό ανιχνευτή και κοιτάμε αν έχει εμφανιστεί μία
«γεύση» νετρίνο που δεν υπήρχε αρχικά!
34

35.  Μπορεί το φαινόμενο των ταλαντώσεων νετρίνο να εξηγήσει την
«απώλεια ηλιακών νετρίνο»;
Σκεφτείτε: Αν με κάποιο τρόπο μπορούσαμε να μετρήσουμε όλα τα
νετρίνο που έρχονται από τον ήλιο χωρίς να μας ενδιαφέρει η «γεύση»
τους, και συγκρίναμε με τον αριθμό των νετρίνο ηλεκτρονίου που μετράμε
από τον ήλιο θα βλέπαμε αν τα νετρίνο αλλάζουν ταυτότητα στο δρόμο!!!
Ας δούμε την παρκάτω εφαρμογή:
http://www.learner.org/courses/physics/interactive/lab_interactives
/subatomic.html
35

36. 36

37. 37

38. 38

39.  O ανιχνευτής SNO μπορεί να
μετρήσει ξεχωριστά τα νe
(παρατηρώντας την ακτινοβολία
Cherenkov από τα ηλεκτρόνια
που παράγονται και τα δύο
πρωτόνια που παράγονται
παράλληλα)
και να συγκρίνει με τον
συνολικό αριθμό νετρίνο
(όλα τα νετρίνο όταν
αλληλεπιδρούν με το δευτέριο
παράγουν ένα νετρόνιο και ένα
πρωτόνιο)
39

40. Τα αποτελέσματα του SNO (2001) δείχνουν οτι συμφωνούν απόλυτα με τη θεωρία!
Good Job Guys!
40

41.  Λύσαμε το Πρόβλημα των Ηλιακών Νετρίνο!
Τώρα τί;
41

42. Η ατμόσφαιρα βομβαρδίζεται
συνεχώς από κοσμική ακτινοβολία:
Ενεργητικά σωματίδια (κυρίως πρωτόνια)
τα οποία έρχονται από το διάστμα και
αλληλεπιδρούν με τα μόρια της
ατμόσφαιρας! Έτσι παράγονται
νετρίνο!!
Άραγε εμφανίζουν και τα
ατμοσφαιρικά νετρίνο
το φαινόμενο των ταλαντώσεων;;;
42

43. Μετράμε ταλαντώσεις στα ατμοσφαιρικά
νετρίνο !!!!
That makes 2 out of 2!
Good job Super Kamiokande.
(Super-K, 1998)
43

44. 44

45. Τί άλλο έχουν να μας πουν τα νετρίνο;
45

46.  Τα νετρίνο αλληλεπιδρούν σπάνια: Μπορούν να διατρέξουν μεγάλες αποστάσεις
στο σύμπαν χωρίς να επηρεαστούν και να τα ανιχνεύσουμε στη γή!!
Παίρνουμε πληροφορία για τα βίαια αστροφυσικά γεγονότα τα οποία τα
δημιούργησαν
46

47. 47

48. Επίτευγμα της χρονιάς 2013! Ανίχνευση των πρώτων κοσμικών νετρίνο
υψηλής ενέργειας από το πείραμα IceCube
48

49. 49

50. Έχει προκύψει πολλή
παραφιλολογία σχετικά με το
αποτέλεσμα που ανακοινώθηκε το
2011 από το πείραμα OPERA
σχετικά με την ύπαρξη
υπέρφωτων νετρίνο.
Πολλοί βγήκαν και συνέδεσαν το
ατύχημα στο CERN (το 2008) με
την """"ανακάλυψη"""" των
υπέρφωτων νετρίνο (το 2011) .
Έφτσαν δε στο σημείο να
υποστηρίζουν οτι "έκλεισαν το
CERN γιατί βρήκαν οτι μπορούμε
να πάμε πιο γρήγορα απ' το φώς".
50

51.  Το 2011 το πείραμα OPERA
παρατήρησε ότι τα νετρίνα που
διασχίζουν την γή ξεκινώντας από
το CERN και καταλήγοντας στο
Gran Sasso στην Ιταλία. Τα νετρίνα
βρέθηκαν να κινούνται κατά
0,025% πιο γρήγορα από την
ταχύτητα του φωτός στο κενό.
 Μετά από αυτό το εύρημα,
ακολούθησαν παρόμοιες μετρήσεις
από το πείραμα ICARUS στην
Ιταλία και το πείραμα MINOS στην
Αμερική.
Και τα δύο έδωσαν αρνητικό
αποτέλεσμα.
Μετά από εκτενείς προσπάθειες και
μια εξτρατεία βαθμονόμησης της
χρονικής απόκρισης του ανιχνέυτή
OPERA με κοσμικές ακτίνες,
βρέθηκε ότι υπήρχε μια οπτική ίνα
η οποία ήταν τοποθετημένη
λανθασμένα στον ανιχνευτή, καθώς
και το ρολόι του ανιχνευτή ήταν
κακώς βαθμονομημένο.
Το πείραμα OPERA εκτέλεσε νέες
μετρήσεις με διορθωμένα τα πρότερα
προβλήματα και το αποτέλεσμά του
συμπίπτει με την ταχύτητα του φωτός για
τα νετρίνα
51

52.  Το νετρίνο προτάθηκε ως σωματίδιο από τον W. Pauli το 1930 για να εξηγήσει το φάσμα
της β-διάσπασης.
 Νετρίνο: Είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο λεπτόνιο. Αλληλεπιδρά ασθενικά με την ύλη. Έχει
σχεδόν μηδενική μάζα και υπάρχει σε τρείς διαφορετικές εκδόσεις:
Το νετρίνο ηλεκτρονίου (νe), το νετρίνο μιονίου (νμ) και το νετρίνο ταυ (ντ).
 Τα νετρίνο παράγονται μέσω των ασθενών αλληλεπιδράσεων . Πηγές νετρίνο: Ήλιος,
Εκρήξεις Υπερκαινοφανών, Πυρηνικοί Αντιδραστήρες, Επιταχυντές, Κοσμικά Φαινόμενα κ.α
 Καθε νετρίνο στις αλληλεπιδράσεις του συνοδεύεται από το αντίστοιχο φορτισμένο λεπτόνιο:
(νe  e), (νμ μ) και το νετρίνο ταυ (νττ).
 Δεν μπορούμε να δούμε το νετρίνο αυτό καθαυτό. Μόνο τα παράγωγα των
αλληλεπιδράσεών του!
 Περίπου 65.000.000 νετρίνο από τον ήλιο διαπερνούν το νύχι του αντίχειρά μας κάθε
δευτερόλεπτο
 Ξεκινώντας από μερικά ‘περίεργα’ αποτελέσματα από τον Ήλιο μας, είδαμε οτι τα νετρίνο
αλλάζουν γεύση: ταλαντώνονται από τη μία μορφή στην άλλη!
Για την πειραματική ανακάλυψη αυτή απονεμήθηκε το βραβείο Nobel Φυσικής 2015 !
 Πολλοί ανιχνευτές ανα τον κόσμο μελετούν τις ιδιότητες των νετρίνο. Οι ανιχνευτές πρέπει
να είναι μεγάλοι για να έχουν πιθανότητα να δούν λίγα νετρίνο.
 Το νετρίνο αλληλεπιδρά ασθενικά με την ύλη: Μπορεί να χρησιμεύσει ως «Κοσμικός
Αγγελιοφόρος» : Γέννηση της Αστρονομίας Νετρίνο !
52