Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Πως πιάνουμε ένα νετρίνο(;)

Αν και βρίσκονται παντού γύρω μας, τα νετρίνα δεν κάνουν εύκολα αισθητή την παρουσία τους. Αλληλεπιδρούν σπάνια με οτιδήποτε βρεθεί στο δρόμο τους. Γι' αυτό άλλωστε ταξιδεύουν μέσα στο σύμπαν για εκατομμύρια χρόνια χωρίς να αλλάζουν πορεία. Αν μπορούσαμε να "πιάσουμε" ένα, θα να μας έδινε πληροφορίες για τις πιο μακρινές γωνιές του σύμπαντος. Από που έρχονται όμως και πως ανιχνεύονται αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια;

Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια, δεν μπορούν δηλαδή να υποδιαιρεθούν σε άλλα μικρότερα σωματίδια. Είναι μάλιστα από τα μικρότερα. Περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο μπορεί εύκολα να περάσει μέσω της ύλης, ενώ παράλληλα δεν επηρεάζεται από τα μαγνητικά πεδία, αφού δεν διαθέτει ηλεκτρικό φορτίο.
Υπάρχουν διάφορες πηγές νετρίνων στο σύμπαν. Κάποια από αυτά παράγονται από τη ραδιενεργό διάσπαση χημικών στοιχείων που βρίσκονται στο σώμα μας ή στο εσωτερικό της Γης. Νετρίνα παράγονται επίσης στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και στους επιταχυντές σωματιδίων. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούν μια άλλη πηγή νετρίνων. Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια με σχετικά μεγάλη μάζα, όπως τα πρωτόνια. Τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν έντονα με την ύλη και παράγουν υψηλής ενέργειας νετρίνα. Τα νετρίνα με τις υψηλότερες ενέργειες όμως παράγονται πολύ μακριά από τη Γη, σε ακραίες συνθήκες όπως υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, σουπερνόβα και άλλες πηγές ισχυρών κοσμικών ακτίνων που δεν γνωρίζουμε ακόμη κάτι γι' αυτές.
Το γεγονός ότι τα νετρίνα αλληλεπιδρούν περιορισμένα με την ύλη τα καθιστά σπουδαίους μεταφορείς πληροφοριών. Για τον ίδιο λόγο από την άλλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν. Ο εντοπισμός αυτών των σωματιδίων γίνεται από ειδικούς ανιχνευτές. Η κατασκευή όλων των ανιχνευτών νετρίνων ακολουθεί δύο βασικές "αρχές". Η πρώτη αφορά το μέγεθος του ανιχνευτή. Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ασθενώς με άλλα σωματίδια της ύλης, οι ανιχνευτές πρέπει να έχουν μεγάλο μέγεθος έτσι ώστε να υπάρχει αυξημένη πιθανότητα ανίχνευσης νετρίνων. Η δεύτερη αφορά την τοποθεσία του ανιχνευτή, ο οποίος θα πρέπει να μην επηρεάζεται από εξωτερικές παρεμβολές, όπως οι διάφοροι τύποι ακτινοβολιών. Έτσι οι περισσότεροι ανιχνευτές βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια, είτε μέσα στη γη είτε μέσα στη θάλασσα.
Οι διάφοροι τύποι ανιχνευτών νετρίνων διακρίνονται ανάλογα με τη μέθοδο ανίχνευσης που χρησιμοποιούν.
Ένα είδος ανιχνευτών είναι οι ανιχνευτές Cherenkov. Οι ανιχνευτές αυτοί λειτουργούν εκμεταλλευόμενοι την ακτινοβολία Cherenkov. Η ακτινοβολία αυτού του είδους παράγεται όταν φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια ή μιόνια, περνούν μέσα από ένα διηλεκτρικό μέσο με μία ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα φάσης του φωτός στο συγκεκριμένο μέσο. Στους ανιχνευτές Cherenkov χρησιμοποιείται ένας μεγάλος όγκος διαφανούς υλικού, όπως το νερό ή ο πάγος. Ο όγκος αυτός διατρέχεται από φωτοπολλαπλασιαστές, που λειτουργούν ως ανιχνευτές φωτεινών σημάτων. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα μόριο νερού ή πάγου παράγονται φορτισμένα υποατομικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά, ταξιδεύοντας γρηγορότερα μέσα στο υλικό από το φως, δημιουργούν ένα είδος φωτεινής έκρηξης κατά παρόμοιο τρόπο με ένα υπερηχητικό αεροπλάνο που "σπάει" το φράγμα του ήχου.  Οι φωτοπολλαπλασιαστές ενισχύουν το σήμα φωτός, το οποίο περιέχει πληροφορίες για την πορεία και τις ενέργειες των φορτισμένων σωματιδίων. Η ανάλυση του φωτεινού σήματος των σωματιδίων δίνει στοιχεία για το νετρίνο που τα παρήγαγε. 
Παραδείγματα ανιχνευτών τέτοιου τύπου είναι ο ανιχνευτής Super-Kamiokande, το παρατηρητήριο νετρίνων SNO (Sudbury Neutrino Observator), που βρίσκονται μέσα στη γη. Ο ανιχνευτής ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch) που βρίσκεται σε βάθος 2,5 χιλιομέτρων στη Μεσόγειο λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. Οι ανιχνευτές KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) αποτελούν τη νέα γενιά υποθαλάσσιων ανιχνευτών τύπου Cherenkov και θα τοποθετηθούν σε τρία σημεία της Μεσογείου ένα εκ των οποίων βρίσκεται ανοιχτά της Πύλου (Nestor Project). Τέλος ο ανιχνευτής IceCube, που βρίσκεται στην Ανταρκτική, λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο αλλά χρησιμοποιεί ως μέσο τον πάγο.
Ένας άλλος τρόπος ανίχνευσης νετρίνων είναι η ραδιοχημική μέθοδος. Οι ανιχνευτές αυτού του είδους αποτελούνται από μία δεξαμενή γεμάτη με ένα υγρό που περιέχει στοιχεία όπως το χλώριο  ή το γάλλιο. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά με ένα άτομο χλωρίου (37Cl) το τελευταίο μετατρέπεται σε αργό (37Ar). Τα άτομα αργού απομακρύνονται από το υγρό του ανιχνευτή με τη χρήση ηλίου σε αέρια μορφή. Στη συνέχεια το ήλιο ψύχεται ώστε να διαχωριστεί το αργό. Με τον ίδιο τρόπο λειτουργούν και οι ανιχνευτές γαλλίου. Τα νετρίνα αντιδρούν με τα άτομα γαλλίου (71Ga), μετατρέποντάς τα σε γερμάνιο (71Ge). Έπειτα το γερμάνιο απομονώνεται με τις διαδικασίες της εκχύλισης και της συμπύκνωσης. Τα νετρίνα ανιχνεύονται με τη μέτρηση της ραδιενεργούς διάσπασης του αργού και του γερμανίου αντίστοιχα. Η ραδιοχημική μέθοδος ανίχνευσης νετρίνων μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη μέτρηση του αριθμού των νετρίνων και όχι για την ανάλυση πληροφοριών που αφορούν την πορεία τους ή την ενέργειά τους. Ο ανιχνευτής χλωρίου στο ορυχείο Homestake, στη νότια Ντακότα, ήταν ο πρώτος ανιχνευτής στον οποίο παρατηρήθηκαν νετρίνα που προέρχονται από τον Ήλιο και ανακαλύφθηκε το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Ένας τύπος ανιχνευτή γαλλίου χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα SAGE (Soviet-American Gallium Experiment), το οποίο επινοήθηκε για την μέτρηση της ηλιακής ροής των νετρίνων.
Μία άλλη πειραματική διάταξη για την ανίχνευση νετρίνων είναι αυτή που χρησιμοποιείται στο πείραμα MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Το MINOS είναι ένα πείραμα, σχεδιασμένο να παρατηρεί το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων. Η διάταξη περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές, από τους οποίους ο ένας βρίσκεται στο Fermilab, στο Σικάγο, στην πηγή των νετρίνων, και ο άλλος βρίσκεται 735 χλμ μακριά, στο βόρειο τμήμα της Μινεσότα. Η εγκατάσταση στο Fermilab χρησιμοποιεί πρωτόνια από έναν κύριο επιταχυντή για να παράγει μια ακτίνα νετρίνων. Η δέσμη νετρίνων κατευθύνεται κατά μήκος μιας γραμμής που συνδέει τα δύο άκρα του πειράματος. Τα νετρίνα προσκρούουν σε έναν στόχο που βρίσκεται στο δεύτερο ανιχνευτή. Όταν ένα νετρίνο χτυπά ένα άτομο του στόχου, απελευθερώνει μια έκρηξη φορτισμένων σωματιδίων. Η ενέργεια των σωματιδίων αυτών συλλέγεται από φωτοανιχνευτές. Ανάλογα με το πρότυπο φωτός που εμφανίζεται στους ανιχνευτές οι επιστήμονες μπορούν να καθορίσουν το είδος του νετρίνου που προκάλεσε την αλληλεπίδραση καθώς και την ενέργειά του. Παρόμοια διάταξη χρησιμοποιείται και στο πείραμα NOvA (NuMI Off-Axis ve Appearance). Το πείραμα αυτό προορίζεται να είναι ο διάδοχος του MINOS, καθώς βρίσκεται στην ίδια τοποθεσία και αποτελείται από δύο ανιχνευτές, ο ένας εκ των οποίων βρίσκεται στο Fermilab. Η διαφορά βρίσκεται στον δεύτερο ανιχνευτή, ο οποίος είναι τοποθετημένος στη βόρεια Μινεσότα, αλλά πιο μακριά (811 χλμ) ενώ έχει και διαφορετική διάταξη.

Η αστρονομία νετρίνων βρίσκεται σε πολύ αρχικά στάδια και δεν έχουμε ιδέα τι πληροφορίες μπορούν να μας δώσουν, στο μέλλον, οι ανιχνευτές νετρίνων. Πληροφορίες που θα μας βοηθήσουν να "δούμε" τις πιο απομακρυσμένες και άγνωστες γωνιές του σύμπαντος.


NeildeGrasse Tyson - Cosmos: A Spacetime Odyssey 2014. 

Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Ταλάντωση και πλαστική κρούση

Θυμήσου την ορμή: 
Για ένα σώμα μάζας m που κινείται µε ταχύτητα u η ορμή του p δίνεται από τη σχέση: p=mu

Η ορμή p είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το ο­ποίο έχει: μέτρο p = mu,διεύθυνση και φορά ίδια µε τη διεύθυνση και τη φορά της ταχύτητας u,μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 kg ∙ m/s (ισοδύναμη μονάδα είναι το 1 Ν∙s).Η ορμή, ως διανυσματικό μέγεθος, έχει όλες τις ιδιότητες των διανυσμάτων. Έτσι: μπορεί ν' αναλυθεί σε άξονες, δηλαδή σε συ­νιστώσες px και py,μεταβάλλεται αν μεταβληθεί τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της, δηλαδή το μέτρο της, η διεύθυνσή της ή η φορά της.Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής (dp/dt) ισούται με την δύναμη ή τη συνισταμένη των δυνάμεων (ΣF) που ασκούνται στο σώμα.

Προσοχή:

Όταν στις ασκήσεις πρέπει να υπολογίσεις την μεταβολή της ορμής τότε θα υπολογίζεις την σχέση:Δp = pτελ – pαρχΕνώ όταν  ζητείται ο ρυθμό μεταβολής της ορμής θα υπολογίζεις τη σχέση: dp/dt ή ΣF. Θυμήσου:
Σύστημα σωμάτων ονομάζουμε κάθε σύνολο σωμάτων, τα οποία απομονώνουμε νοητι…