neutrino

Neutrino ( )

classification
Particule élémentaire
fermion
lepton
Propriétés
charge électrique neutre
Dimensions <2 · 10 −36  kg
Énergie au repos <1,1  eV
Tourner 1/2
Les interactions faible
gravité

Les neutrinos sont des particules élémentaires électriquement neutres de très faible masse . Dans le modèle standard de physique des particules élémentaires, il existe trois types ( générations ) de neutrinos: les neutrinos électroniques, muons et tau. Chaque génération de neutrino est constituée du neutrino lui-même et de son anti-neutrino . Le nom neutrino a été suggéré par Enrico Fermi pour la particule postulée par Wolfgang Pauli et signifie (selon le diminutif italien ino ) petite particule neutre.

Lorsque les neutrinos interagissent avec la matière, contrairement à de nombreuses autres particules élémentaires connues, seuls des processus d'interaction faibles ont lieu. Par rapport à l' interaction électromagnétique et forte , les réactions ont lieu très rarement. C'est pourquoi un faisceau de neutrinos traverse également de grandes épaisseurs de matière - par ex. B. à travers toute la terre - même si avec un certain affaiblissement. La détection des neutrinos dans les expériences est par conséquent complexe.

Toutes les particules élémentaires du modèle standard: le vert sont les leptons, la rangée inférieure sont les neutrinos

Selon le lieu d'origine des neutrinos observés dans les détecteurs de neutrinos, une distinction peut être faite entre

  • neutrinos cosmiques (espace)
  • neutrinos solaires (soleil)
  • neutrinos atmosphériques (atmosphère terrestre)
  • Geoneutrinos (intérieur de la Terre)
  • Neutrinos de réacteur (réacteurs nucléaires)
  • Neutrinos issus d'expériences sur des accélérateurs

Histoire de la recherche

La première image d'un neutrino dans une chambre à bulles remplie d'hydrogène liquide au Laboratoire national d'Argonne à partir de 1970. Un neutrino entre en collision avec un proton . La réaction a eu lieu à droite sur la photo, là où trois pistes convergent. Le faisceau de neutrinos a été obtenu à partir de pions chargés positivement en décomposition qui ont été générés en bombardant une cible de béryllium avec le faisceau de protons.
Image du haut (miroir et contraste différent) avec des traces dessinées: vous pouvez voir la réaction . Un neutrino muonique ( ) venant d'en bas à gauche (invisible) entre en collision avec un proton (p) d'hydrogène liquide. Le produit final de la réaction est un pion chargé positivement ( ) et un muon chargé négativement ( ). La réaction détaillée du neutrino avec les quarks du proton médiés par un boson W ( interaction faible ) est schématisée à droite des traces.

Au cours de la désintégration bêta-moins radioactive , un seul électron émis a été initialement observé. Avec le noyau restant, cela semblait être un problème à deux corps (voir aussi cinématique (processus de particules) ). Cela ne pourrait expliquer le spectre d'énergie continue des électrons bêta que si l'on supposait une violation de la loi de conservation de l' énergie . Cela a conduit Wolfgang Pauli à adopter une nouvelle particule élémentaire qui - non observée par les détecteurs - est émise par le noyau en même temps que l'électron. Cette particule emporte une partie de l'énergie libérée lors de la désintégration. De cette manière, les électrons du rayonnement bêta peuvent recevoir différentes quantités d'énergie cinétique sans que la conservation de l'énergie ne soit violée.

Dans une lettre datée du 4 décembre 1930, Pauli proposa cette particule hypothétique, qu'il appela initialement un neutron. Enrico Fermi , qui a élaboré une théorie sur les propriétés de base et les interactions de cette particule, l'a renommée neutrino (en italien pour «petit neutron», «petit neutron») afin d'éviter un conflit de nom avec le neutron connu aujourd'hui . Ce n'est qu'en 1933 que Pauli a présenté son hypothèse à un public plus large et s'est interrogé sur d'éventuelles preuves expérimentales. Le neutrino ne produisant pas de signal dans les détecteurs de particules habituels, il était clair qu'il serait extrêmement difficile à détecter.

En fait, la première observation n'a été faite que 23 ans plus tard, en 1956, dans l'un des premiers grands réacteurs nucléaires avec l' expérience de neutrinos purs de Cowan . Le 14 juin 1956, les chercheurs envoient à Wolfgang Pauli un télégramme à Zurich avec le message de réussite. En raison de la désintégration bêta des produits de fission, un réacteur nucléaire émet des neutrinos (plus précisément: électronique antineutrinos) avec une densité beaucoup plus élevé que le flux pourrait être atteint avec une préparation radioactive. Reines et Cowan ont utilisé la réaction de particules suivante (appelée désintégration bêta inverse) pour détecter les antineutrinos:

Un antineutrino rencontre un proton et crée un positron et un neutron. Ces deux produits de réaction sont relativement faciles à observer. Pour cette découverte, Reines a reçu le prix Nobel de physique en 1995 .

Le neutrino muonique a été découvert en 1962 par Jack Steinberger , Melvin Schwartz et Leon Max Lederman avec le premier faisceau de neutrinos produit à un accélérateur. Ils ont généré le faisceau de neutrinos en faisant passer un faisceau de pions à haute énergie jusqu'à ce que certains des pions (environ 10%) se soient désintégrés en muons et neutrinos. À l'aide d'un blindage en acier massif d'environ 12 m d'épaisseur, qui a arrêté toutes les particules à l'exception des neutrinos du faisceau de particules mixtes de pions, muons et neutrinos, ils ont alors pu obtenir un faisceau de neutrinos purs. Pour cela, ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1988. Avec le neutrino muonique, une deuxième génération de neutrinos est devenue connue, qui est l'analogue du neutrino électronique pour les muons . Pendant une courte période, le terme neutretto a été utilisé pour désigner le neutrino muonique ( -etto est également un diminutif italien ), mais il n'a pas été largement utilisé. Lorsque le tauon a été découvert en 1975 , les physiciens s'attendaient également à une génération correspondante de neutrinos, le neutrino tauon. Les premiers signes de son existence ont été donnés par le spectre continu de la désintégration de Tauon, similaire à celui de la désintégration bêta. En 2000, le neutrino tau a été détecté directement pour la première fois dans l' expérience DONUT .

L' expérience du LSND à Los Alamos, qui s'est déroulée de 1993 à 1998 , a été interprétée comme une indication de l'existence de neutrinos stériles , mais elle a été controversée. Après la KA rlsruhe- R utherford- M ittel- E de N de ( KARMEN l'expérience) sous la direction du Centre de recherche de Karlsruhe au laboratoire britannique Rutherford ne pouvait pas reproduire les résultats, cette interprétation a été en vigueur depuis 2007 à la première résultats de MiniBooNE ( expérience de neutrinos booster miniature au Laboratoire national d'accélérateur Fermi ) comme ouvert.

Dans la recherche sur les neutrinos du 21e siècle, quatre scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique (2002 et 2015) et cinq équipes de scientifiques ont reçu le prix de la percée en physique fondamentale 2016.

Propriétés

Trois générations de neutrinos et d'antineutrinos

Trois générations de leptons sont connues. Chacun de ceux-ci est constitué d'une particule chargée électriquement -  électron , muon ou tauon  - et d'un neutrino électriquement neutre, neutrino électronique ( ), neutrino muonique ( ) ou neutrino tau ou tauon ( ). Ensuite, il y a les six antiparticules correspondantes . Tous les leptons ont un spin  ½.

Selon des découvertes plus récentes, les neutrinos peuvent se transformer les uns en les autres. Cela conduit à une description des espèces de neutrinos comme trois états différents , et dont chacun a une masse différente, nettement définie (mais toujours inconnue). Les neutrinos observables d'électrons, de muons et de tau - nommés d'après le lepton chargé avec lequel ils se produisent ensemble - sont des superpositions de mécanique quantique de ces trois masses qui leur sont propres . La relation entre les états propres de saveur ( , , ), et les états propres de masse ( , , ) est représenté par une matrice de mixage, la matrice PMNS .

Le nombre de types de neutrinos ayant une masse inférieure à la moitié de la masse du boson Z a été déterminé dans des expériences de précision, entre autres. déterminé à exactement trois au détecteur L3 du CERN .

Il n'y a actuellement aucune preuve de double désintégration bêta sans neutrino . Des travaux antérieurs suggérant que cela a été réfuté par des mesures plus précises. Une double désintégration bêta sans neutrino signifierait que soit la conservation du du numéro de lepton est violé ou neutrino est sa propre antiparticule . Dans la description théorique du champ quantique, cela signifierait (en contradiction avec le modèle standard actuel ) que le champ neutrino ne serait pas un spineur de Dirac , mais un spineur de Majorana .

Les physiciens Lee et Yang ont lancé une expérience pour étudier les spins des neutrinos et des antineutrinos. Cela a été réalisé en 1956 par Chien-Shiung Wu et a abouti à ce que le maintien de la parité ne s'applique pas sans exception:

Le neutrino s'est avéré être "gaucher", son spin est opposé à sa direction de mouvement (antiparallèle; voir la main ). Cela permet une explication objective de la gauche et de la droite . Dans la zone d'interaction faible, non seulement la charge électrique mais aussi la parité, c'est-à-dire le spin, doivent être permutées lors du passage d'une particule à son antiparticule . L'interaction faible diffère de l' interaction électromagnétique en ce que l' isospin faible est liée à la droite ou à la gauche d'une particule:

  • dans le cas des leptons et des quarks , seules les particules de gauche et leurs antiparticules de droite ont une isospin faible autre que zéro.
  • En revanche, les particules droitières et leurs antiparticules gauches sont inertes aux interactions faibles avec les bosons W ; ce phénomène est appelé violation de parité maximale .

Cela permet également de comprendre que les neutrinos pourraient être leurs propres antiparticules, bien que les neutrinos et les antineutrinos se comportent différemment dans l'expérience: les particules appelées antineutrinos de l'expérience seraient simplement des neutrinos dont le spin est parallèle à la direction du mouvement. La direction du mouvement des neutrinos ne peut pas être simplement inversée expérimentalement; De plus, il n'est actuellement pas possible de réaliser des expériences dans lesquelles un neutrino est dépassé par une particule plus rapide et interagit avec elle, de sorte que la direction du mouvement dans le système de référence du centre d'interaction est opposée à la direction du mouvement dans le référentiel du laboratoire.

Masse neutrino

Transport de la cuve à vide pour l' expérience KATRIN pour déterminer la masse des neutrinos (nov.2006)

La masse des neutrinos est extrêmement petite; toutes les expériences jusqu'à présent ne donnent que des limites supérieures. Mais depuis la découverte des oscillations des neutrinos, il est clair qu'elles doivent avoir une masse non nulle.

Les méthodes de détermination de la masse des neutrinos se répartissent en quatre groupes:

Tous les résultats publiés sont évalués par le Particle Data Group et sont inclus dans la revue annuelle de la physique des particules .

Les mesures directes du point d'extrémité du spectre bêta du tritium pourrait d' ici 2006 , la masse possible du neutrino électronique avec 2  eV / c ² limiter vers le haut. On espère qu'une meilleure limite supérieure sera atteinte grâce à des mesures encore plus précises de l' expérience KATRIN à l' Institut de technologie de Karlsruhe , qui devrait atteindre une limite supérieure de 0,2 eV / . Les mesures précédentes ne pouvaient pas exclure que le neutrino le plus léger soit sans masse, ce qui n'est pas attendu sans une amélioration de la précision des mesures de plusieurs ordres de grandeur. En 2019, la limite supérieure a été améliorée à 1,1 eV.

L'observation des oscillations des neutrinos est une mesure indirecte des différences de masse entre différents neutrinos. Ils prouvent que les neutrinos ont en fait une très petite masse différente de zéro (par rapport aux leptons chargés associés). Les très faibles différences de masse ainsi obtenues signifient également que la limite de masse ci-dessus pour les neutrinos électroniques est également la limite pour tous les types de neutrinos.

La double désintégration bêta hypothétique sans neutrino n'est possible que si les neutrinos sont leurs propres antiparticules. Ensuite, avec la désintégration bêta simultanée de 2 neutrons dans un noyau atomique, parfois 2 neutrinos virtuels sont annihilés au lieu de 2 neutrinos (réels) émis. Comme les neutrinos eux-mêmes sont difficilement mesurables, l'énergie totale des 2 électrons créés dans le processus est mesurée: si des désintégrations sans neutrinos se produisent, le spectre d'énergie totale des électrons a un maximum local proche de l'énergie de désintégration, car presque toute la désintégration l'énergie est maintenant dissipée par les électrons (un petit reste est converti en énergie cinétique du noyau atomique).

L'approche cosmologique pour déterminer les masses des neutrinos est basée sur l'observation de l'anisotropie du rayonnement de fond cosmique par WMAP et d'autres observations qui déterminent les paramètres du modèle lambda CDM , le modèle standard actuel de la cosmologie. En raison de l'influence des neutrinos sur la formation des structures dans l'univers et sur la nucléosynthèse primordiale , la limite supérieure de la somme des trois masses de neutrinos peut être supposée être de 0,2 eV / (à partir de 2007) .

Pour leur découverte des oscillations des neutrinos, Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald ont reçu le prix Nobel de physique 2015 .

la vitesse

En raison de leur faible masse, on s'attend à ce que les neutrinos générés dans les processus physiques des particules se déplacent presque à la vitesse de la lumière dans le vide . La vitesse des neutrinos a été mesurée dans plusieurs expériences et une correspondance dans la précision de mesure avec la vitesse de la lumière a été observée.

La mesure de la masse des neutrinos, de la vitesse des neutrinos et des oscillations des neutrinos représente également des possibilités de vérifier la validité de l' invariance de Lorentz de la théorie de la relativité spéciale . Les résultats de mesure de l' expérience OPERA en 2011, selon lesquels les neutrinos auraient dû se déplacer plus vite que la lumière , pourraient être attribués à des erreurs de mesure. Une nouvelle mesure par ICARUS ainsi qu'une nouvelle analyse des données OPERA ont montré des correspondances avec la vitesse de la lumière.

Capacité de pénétration

La capacité de pénétration dépend de l'énergie des neutrinos. Avec l'augmentation de l'énergie, la section efficace des neutrinos augmente et le libre parcours moyen diminue en conséquence.

Exemple:
Le libre parcours moyen des neutrinos d'une énergie de 10 3  TeV lorsqu'ils interagissent avec la Terre est dans la gamme du diamètre de la Terre. Cela signifie que près des deux tiers de ces neutrinos interagissent lorsqu'ils survolent la Terre, tandis qu'un bon tiers survole la Terre. À 11 MeV, le libre parcours moyen du plomb est déjà de 350 milliards de kilomètres, et en moyenne environ trois neutrinos sur un milliard interagiraient dans la Terre, tandis que le reste passerait sans entrave.

A titre de comparaison:
Le plus grand accélérateur de particules au monde, le Grand collisionneur de hadrons , génère des particules d'une énergie de 6,5 TeV par nucléon , le soleil produit principalement des neutrinos avec des énergies inférieures à 10 MeV.

Un aperçu de la section efficace des neutrinos à différentes réactions et énergies, publié en 2013, est disponible sur Internet.

Décomposition et réactions

Diagramme de Feynman pour la désintégration d'un neutron  n en proton  p, électron  e - et antineutrino électronique  , médiée par un boson  W W - . Cette réaction est un exemple du courant chargé.

Les processus avec les neutrinos ont lieu via l' interaction faible . Les neutrinos sont également soumis à la gravité; mais c'est si faible que cela n'a pratiquement aucun sens. Comme toute interaction faible, les processus neutrinos peuvent être divisés en deux catégories:

Flux chargé
Une particule élémentaire se couple à un neutrino via un boson W chargé électriquement . Ici, les particules impliquées se transforment en autres. Le boson d'échange est chargé positivement ou négativement en fonction de la réaction, de sorte que la charge est retenue. La diffusion élastique peut également procéder de cette manière. Parce que les particules sont les mêmes au début et à la fin, elles peuvent généralement être décrites simplement comme une diffusion classique.
Électricité neutre
Une particule élémentaire se couple à un neutrino via un boson Z électriquement neutre . Les saveurs des particules impliquées sont conservées et la réaction est comme une collision élastique qui peut avoir lieu avec n'importe quels leptons ou quarks. Si le transfert d'énergie est suffisamment important, des conversions de particules peuvent alors avoir lieu au niveau des noyaux atomiques qui ont été touchés.

Pourritures

Les premiers processus connus auxquels participent les neutrinos ont été les désintégrations bêta radioactives . Dans la désintégration β - - (bêta-moins), un neutron se transforme en proton et un électron et un électron antineutrino sont émis. L'un des deux quarks down du neutron émet le boson vecteur intermédiaire W - et se transforme ainsi en quark up. Le W - boson se décompose alors en un électron et un électron antineutrino. C'est donc le «courant chargé». Cette désintégration se produit, par exemple, avec des neutrons libres, mais aussi avec des noyaux atomiques avec un grand excès de neutrons .

Lors de la réaction proton / proton à l'intérieur du soleil, des neutrinos électroniques sont générés.
Un nucléide passe
dans le noyau fille avec un numéro atomique supérieur de 1 , envoyant un électron et un antineutrino électronique .

Inversement, dans la désintégration β + - (bêta-plus), un proton est converti en neutron, et dans la désintégration du boson W + résultant , un positron et un neutrino électronique sont émis. Le processus se produit lorsqu'il y a un excès de protons dans le noyau. Étant donné que les produits de réaction sont plus lourds que le proton d'origine, la différence de masse doit être appliquée à partir de l' énergie de liaison du noyau.

Un nucléide passe
dans un noyau fille de numéro atomique inférieur à 1 , avec l'émission d'un positron et d'un neutrino électronique .

Réactions

Des sources importantes de neutrinos sont également les processus de fusion nucléaire cosmique , par exemple au soleil . Un exemple est la réaction proton-proton , qui est particulièrement importante pour les petites étoiles. Ici, deux noyaux d'hydrogène fusionnent à des températures extrêmement élevées pour former un noyau de deutérium; à la suite de la conversion d'un proton en neutron, un positron et un neutrino électronique sont libérés.

En termes de physique des particules, cette réaction équivaut à une désintégration β + . Mais c'est beaucoup plus important pour la recherche sur les neutrinos car beaucoup de neutrinos sont générés par le soleil. Les neutrinos électroniques se forment également dans un autre processus de fusion, le cycle de Bethe-Weizsäcker , dans le soleil et des étoiles plus lourdes. L'observation des soi-disant neutrinos solaires est importante pour comprendre leurs propriétés, les détails des processus solaires et les interactions fondamentales de la physique .

Les réactions avec un neutrino comme partenaire de collision de déclenchement sont importantes en tant que «désintégration bêta inverse» pour la détection des neutrinos, comme par exemple dans l' expérience historique de neutrinos de Cowan-Reines :

.

Recherche sur les neutrinos

Bien que la faible réactivité des neutrinos rend leur détection difficile, la capacité de pénétration des neutrinos peut également être utilisée dans la recherche: les neutrinos provenant d'événements cosmiques atteignent la Terre , tandis que le rayonnement électromagnétique ou d'autres particules de la matière interstellaire sont protégés.

astrophysique

Premièrement, les neutrinos ont été utilisés pour explorer l'intérieur du soleil . L'observation optique directe du noyau n'est pas possible en raison de la diffusion du rayonnement électromagnétique dans les couches de plasma environnantes. Cependant, les neutrinos, qui sont produits en grand nombre lors des réactions de fusion à l'intérieur du soleil, n'interagissent que faiblement et peuvent pénétrer le plasma pratiquement sans entrave. Un photon met généralement quelques milliers d'années à se diffuser à la surface du soleil; un neutrino n'a besoin que de quelques secondes pour cela.

Plus tard, des neutrinos ont également été utilisés pour observer des objets cosmiques et des événements au-delà de notre système solaire. Ce sont les seules particules connues qui ne sont pas significativement affectées par la matière interstellaire. Les signaux électromagnétiques peuvent être protégés des nuages ​​de poussière et de gaz ou couverts par un rayonnement cosmique lorsqu'ils sont détectés sur Terre . Le rayonnement cosmique quant à lui, sous forme de protons ultrarapides et de noyaux atomiques, ne peut se propager au-delà de 100 mégaparsecs en raison de la coupure GZK (interaction avec le rayonnement de fond) . Le centre de notre galaxie est également exclu de l'observation directe en raison du gaz dense et des innombrables étoiles brillantes. Cependant, il est probable que les neutrinos du centre galactique pourront être mesurés sur Terre dans un proche avenir.

Les neutrinos jouent également un rôle important dans l'observation des supernovae , qui libèrent environ 99% de leur énergie dans un flash de neutrinos. Les neutrinos résultants peuvent être détectés sur Terre et donner des informations sur les processus pendant la supernova. En 1987, des neutrinos ont été détectés par la supernova 1987A du Grand Nuage de Magellan : onze dans le Kamiokande , huit dans l' expérience Irvine Michigan Brookhaven , cinq dans l' Observatoire souterrain des neutrinos du Mont Blanc et peut-être cinq dans le détecteur Baksan . Ce sont les premiers neutrinos détectés qui proviennent certainement d'une supernova, comme cela a été observé avec des télescopes quelques heures plus tard.

Des expériences comme IceCube , Amanda , Antares et Nestor visent à détecter les neutrinos cosmogéniques. IceCube est actuellement (2018) le plus grand observatoire de neutrinos .

Détecteurs de neutrinos

L'expérience IceCube mentionnée dans la section astrophysique ci-dessus est un observatoire de neutrinos à haute énergie avec environ 260 employés. Il a été achevé en 2010 dans la glace du pôle Sud et a un volume de 1 km³. La réaction des neutrinos de haute énergie avec les particules élémentaires de la glace est observée et évaluée avec ce détecteur.

Les détecteurs de neutrinos bien connus sont encore ou d'une part les détecteurs radiochimiques (par exemple l'expérience de chlore dans la mine d'or de Homestake , USA ou le détecteur GALLEX dans le tunnel du Gran Sasso en Italie), d'autre part les détecteurs basés sur le Cherenkov effet , ici en particulier l' Observatoire des neutrinos de Sudbury (SNO) et Super-Kamiokande . Ils détectent les neutrinos solaires et atmosphériques et le permettent, entre autres. la mesure des oscillations des neutrinos et donc des inférences sur les différences des masses des neutrinos, puisque les réactions se déroulant à l'intérieur du soleil et donc l'émission de neutrinos du soleil sont bien connues. Des expériences telles que l' expérience Double Chooz ou le détecteur KamLAND , qui travaille depuis 2002 à l' Observatoire des neutrinos de Kamioka, sont capables de détecter les géoneutrinos et les neutrinos des réacteurs par désintégration bêta inverse et fournissent des informations complémentaires à partir d'une plage non couverte par les neutrinos solaires. détecteurs .

L'un des plus grands détecteurs de neutrinos actuellement, appelé MINOS, est situé sous terre dans une mine de fer aux États-Unis, à 750 kilomètres du centre de recherche Fermilab . Un faisceau de neutrinos est émis par ce centre de recherche en direction du détecteur, où il est ensuite compté combien de neutrinos se transforment pendant le vol souterrain.

L' expérience CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso ) étudie la physique des neutrinos depuis 2007. A cet effet, un faisceau de neutrinos est envoyé du CERN sur une distance de 732 km à travers la croûte terrestre vers le laboratoire du Gran Sasso en Italie et y est détecté. Certains neutrinos muoniques se transforment en d'autres types de neutrinos (presque exclusivement des neutrinos tau), qui sont détectés par le détecteur OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Pour les mesures de vitesse associées, reportez-vous à la section Vitesse .

application

Les chercheurs des laboratoires nationaux de Sandia veulent utiliser les preuves des antineutrinos pour mesurer la production de plutonium dans les réacteurs nucléaires afin que l' AIEA n'ait plus à se fier à des estimations et que personne ne puisse détourner quoi que ce soit pour la construction d' armes nucléaires . En raison du taux de production élevé d'antineutrinos dans les réacteurs nucléaires, un détecteur avec 1  m³ de liquide détecteur devant la centrale nucléaire serait suffisant.

Des chercheurs de l' Université de Rochester et de la North Carolina State University ont réussi à envoyer un message à travers la matière solide à l'aide de neutrinos pour la première fois en 2012. Un accélérateur de protons a généré un faisceau de neutrinos, qui a été détecté par un détecteur de neutrinos à 100 mètres sous la terre.

Littérature

liens web

Wiktionnaire: Neutrino  - explications des significations, origines des mots, synonymes, traductions

Vidéos

Preuve individuelle

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