НЕЙТРИНО

(v), лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная ч-ца со спином 1/2 (в ед. ћ), участвующая только в слабом и гравитац. вз-ствиях. Н. принадлежит к классу лептонов, а по статистич. св-вам явл. фермионом. Известны три типа Н.: электронное (ve), мюонное (vm) и t-Н. (Vt), каждый из к-рых при вз-ствии с др. ч-цами может превращаться в соответствующий заряж. лептон. В отрицательно заряженные лептоны превращаются лишь «левые» Н. (со спиральностью l=-1/2), в положительно заряженные — только «правые» (l= +1/2). Считается, что правые Н. явл. античастицами по отношению к левым, они наз. антинейтрино (v=). Правым Н. приписывают лептонный заряд со знаком, противоположным лептонному заряду левых Н.

Отличительное св-во Н., определяющее его роль в природе,— огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Это, с одной стороны, затрудняет детектирование Н., с другой — предоставляет уникальную возможность изучения внутр. строения и эволюции косм. объектов. С увеличением энергии Н. сечения их вз-ствия с в-вом растут, а проникающая способность уменьшается.

Н., вероятно, столь же распространённые ч-цы, как и фотоны. Они испускаются при превращениях ат. ядер: b-распаде, захвате эл-нов (гл. обр. f-захвате) и мюонов, при распадах элем. ч-ц: p- и К-мезонов, мюонов и до. Процессы, приводящие к образованию Н., происходят в недрах Земли и её атмосфере, внутри Солнца и в звёздах. Предполагается, что мощные потоки Н. генерируются при гравитационном коллапсе звёзд, унося б. ч. высвобождающейся гравитац. энергии. В природе существуют Н. с энергиями (?v ) в огромном интервале: от реликтовых Н. со ср. энергией ?v=5•10-4 эВ, заполняющих (как следует из модели горячей Вселенной) всё косм. пр-во с плотностью 100—150 пар vv=/см3 на каждый тип Н., до Н., рождаемых в соударениях косм. лучей с ядрами межзвёздной среды с ?v вплоть до 1020 эВ. В лаб. условиях интенсивными источниками Н. (точнее, антинейтрино) низких энергий явл. ядерные реакторы; потоки Н. более высоких энергий, достигающих сотен ГэВ, генерируются с помощью ускорителей заряж. ч-ц.

История открытия

Представление о Н. введено в 1930 швейц. физиком В. Паули с целью объяснить непрерывный энергетич. спектр эл-нов при b-распаде: общие принципы квант. механики и закон сохранения энергии требовали, чтобы эл-ны имели определ. энергию, равную энергии, выделяемой при b-распаде. Согласно гипотезе Паули, в b-распаде вместе с эл-ном рождается новая нейтральная сильно проникающая и, следовательно, трудно обнаружимая ч-ца с массой <0,01 массы протона. Распределение дискр. порции энергии между Н. и эл-ном и приводит к нарушению моноэнергетичности спектра эл-нов. Для того чтобы соблюдался и закон сохранения момента кол-ва движения, новой ч-це приписали полуцелый спин.

Последоват. теория b-распада, созданная итал. физиком Э. Ферми в 1934, естественно включила гипотезу Паули (в 1932 Ферми предложил называть новую ч-цу «Н.» — уменьшительное от нейтрон). В соответствии с теорией Ферми b-распад представляет собой превращение нейтрона (протона) внутри ядра в протон (нейтрон), эл-н (позитрон) и антинейтрино (Н.):

Эксперименты по обнаружению нейтрино.

В первых экспериментах регистрировались импульсы отдачи ядер при испускании Н. (А. И. Лейпунский, 1936, амер. физик Дж. Аллен, 1942). Хотя их результаты согласовывались с гипотезой Паули, прямым доказательством существования Н. считается наблюдение амер. физиками Ф. Райнесом и К. Коуэном в 1953—56 т. н. обратного b-распада:

v=e+p®e++n. (2')

Измеренное сечение этого процесса

sv=e=9,4(1,3) •10-44 см2

находилось в согласии с сечением, рассчитанным по теории Ферми. Источником v=e в опытах Райнеса и Коуэна служил яд. реактор (поток v=e, образовавшихся в нём в результате b-распадов осколков деления 235U и 239Pu, достигал 1013 v=e/см2•c; ср. энергия ?v==4 МэВ). Реакция (2 ) происходила на водороде, входящем в состав сцинтилляц. жидкости с добавкой солей кадмия, и регистрировалась по двум сцинтилляц. вспышкам. Первая вспышка вызвана g-квантами от аннигиляции позитрона с эл-ном сцинтиллятора, вторая (через 5—10 мкс) — g-излучением ядра кадмия, поглотившего нейтрон.

Свойства нейтрино

Типы нейтрино.

Тип Н. определяется заряж. лептоном, вместе с к-рым оно рождается и взаимодействует (эл-н, мюон, t-лептон). Источником электронных Н. явл. b-распад ядер (1), (2), распад мюонов:

распады мезонов и барионов, содержащих тяжёлые кварки: странные — и т. д.

Мюонные Н., представление о к-рых было введено в 1957—59 в связи с отсутствием распада m® е+g (М. А. Марков, амер. физик Ю. Швингер, япон. физик К. Нишиджима), рождаются в распадах мюонов (3) p- и К-мезонов:

а также, как и ve, в распадах более тяжёлых мезонов, напр. D+ ®К-+p++m++vm(K-+p++e++ve).

t-Н. было введено в 1975 в связи с открытием третьего заряж. лептона (t±). t-Н. рождается в распадах t-лептона: t-®vt+p-, t-®vt+ v=e+e-и т. д., а также в распадах мезонов, более тяжёлых, чем t-лептон:

F+(D+ )®t++vt (7) и др.

Н. каждого типа могут рождаться парами и без участия соответствующего заряж. лептона, напр.:

е++е-®v+v=, g+e-® v+v= + e-,

g+Z®v+v=+Z, (8)

e++e-®g+v+v= (9)

(здесь v — любой тип Н., Z — ядро). Реакции (8), по-видимому, играют существ. роль в эволюции звёзд. Реакцию (9) можно будет зарегистрировать при высоких энергиях (>90 ГэВ) в экспериментах на встречных пучках е+е-. Н. во вз-ствиях с др. ч-цами в свою очередь рождают заряж. лептоны только своего типа; с хорошей точностью это св-во проверено для мюонных Н.: наблюдаются процессы типа

vm+n®m-+p,

V=m+P®m++n (10)

(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964), в то время как процессы типа vm+n®е-+р на опыте не обнаружены. Различие между тремя типами Н. описывается тремя сохраняющимися (или прибл. сохраняющимися) лептонными зарядами: электронным Le, мюонным Lm и таонным Lt. Для ve, как и для е-,

Le = l, Lm=Lt=0, для vm и m- Lm=1, Le=Lt=0 и т. д.

Вз-ствия Н. разных типов в тех случаях, когда массы лептонов несущественны, оказываются одинаковыми. Это лежит в основе т. н. m — е (и, по-видимому, t)-универсальности и выражается в том, что пары лептонов (vee), (vmm), (Vtt) входят в теорию вз-ствий симметрично. Вопрос о числе типов Н. (nv) остаётся открытым.

Измерение сечения реакции (9) (оно пропорц. nv в случае универсальности всех типов лептонов) даст возможность определить nv.

Нейтрино и антинейтрино.

Представление о Н. и антинейтрино возникло в теории Ферми, согласно к-рой Н. рождается в паре с позитроном, а антинейтрино — с эл-ном (аналогично определяются мюонные и t-антинейтрино и Н.). Н. и антинейтрино при рассеянии в свою очередь рождают лептон определ. знака электрич. заряда: Н.— отрицательного, антинейтрино — положительного. Так, при облучении четырёххлорнстого углерода (ССl4) пучком антинейтрино от реактора (амер. физик Р. Дейвис, 1955—56) реакция v=e+37Cl ® 37Ar+е-не была обнаружена (реакция превращения 37Сl в 37Аr для определения различия или тождественности ve и v=e была предложена в 1946 Б. М. Понтекорво). Другое указание на различие ve и v=e — отрицат. результат поиска безнейтринного двойного b-распада (напр., 48Cd ®48Ti+e-+e+ ), обнаруженио к-рого свидетельствовало бы о возможности перехода ve «v=e.

Нетождественность Н. и антинейтрино и связанные с ней запреты определ. реакций описывают обычно сохраняющимся лептонным зарядом, к-рый имеет разные знаки для Н. (L=1) и антинейтрино (L=-1). Такие же значения L приписываются соответствующим заряж. лептонам (е-, m-, t-) и антилептонам (е + , m+, t+).

Н. и антинейтрино во всех изученных процессах отличаются и знаками спиральности (см. ниже). Различными оказываются сечения вз-ствия Н. и антинейтрино с др. ч-цами, напр.:

(X — совокупность адронов).

Массы нейтрино.

В уникальной работе, выполненной в Ин-те теор. и экспернм. физики (СССР, 1980), получено указание на то, что наблюдаемая форма энергетич. спектра эл-нов от (b-pacпада трития (3Н ®3He+v=e+e-) соответствует значению массы электронного Н. в интервале 14 эВ< mve<46 эВ. Для Н. др. типов экспериментально получены лишь верхние ограничения: mvm?0,65 МэВ (no форме спектра распада K0L®p-+m++vm, Беркли, США, 1974) и mvm <0,52 МэВ (по измерениям импульса мюона в распаде p+®m++vm Швейц. ин-т яд. исследований, 1979; Станфорд, США, 1981), mvt<250 МэВ (по распаду t-лептона, Станфорд, США, 1979). Подтверждением того, что масса Н. не равна нулю, могло бы явиться обнаружение осцилляции в нейтринных пучках (см. ниже). Из космологич. соображении (использующих данные о возрасте Вселенной, Хаббла постоянной и темп-ре реликтового излучения) получается ограничение на суммарную массу всех типов стабильных Н. и антинейтрино: Smv<100 эВ. Если масса хотя бы одного из них действительно достигает 10—30 эВ, то из модели горячей Вселенной следует, что общая масса Н. во Вселенной более чем на порядок превышает общую массу остального в-ва. Это в свою очередь ведёт к фундам. космологич. и астрофиз. следствиям. Напр., Вселенная могла бы оказаться замкнутой, образование галактик и скоплений галактик должно было бы происходить вначале из «конденсаций» нейтринного газа (образующихся благодаря гравитационной неустойчивости), а затем к таким нейтринным «сгусткам» стягивалось бы обычное в-во. Это могло бы объяснить «скрытую» массу галактик и их скоплений (на существование к-рой указывают наблюдат. данные), а также нек-рые другие астрофизические «загадки».

Спиральность нейтрино.

Определение спиральности основано на учёте закона сохранения момента кол-ва движения и измерениях поляризации ч-ц, рождённых вместе с Н. Для ve — это измерения поляризации возбуждённого ядра 152Sm* по поляризации g-кванта в цепочке радиоакт. превращений:

(амер. физики М. Гольдхабер, Л. Гродзинс, А. Суньяр, 1958), где J, Р — спин и чётность ядра. Для vm— это измерения поляризации мюона в распаде p+®m++vm. Полученные значения спиральностн согласуются с l=-1/2 для Н. и l=1/2 для антинейтрино.

Теория свободного нейтрино.

Н. с отличной от нуля массой могут, как и др. фермионы, описываться Дирака уравнением. Такие Н. имеют четыре состояния — «левые» и «правые» Н. и «левые» и «правые» антинейтрино и наз. четырёхкомпонентными. Левая поляризация наблюдаемых в эксперименте Н. и правая поляризация антинейтрино полностью обусловлены хар-ром их вз-ствий. Рождение и вз-ствия правополяризованных Н. и левополяризованных антинейтрино подавлены.

Другая возможность — двухкомпонентное Н. ненулевой массы (итал. физик Э. Майорана, 1937). Для майорановских Н. v?v=, так что лептонный заряд не сохраняется и состояния Н., рождаемых вместе с заряж. лептоном и антилептоном, различаются только спиральностями. Теория с майорановскими Н. предсказывает, в частности, существование безнейтринного двойного b-распада.

Не исключено, что Н. нек-рых типов имеют строго нулевое значение массы. Такие Н., впервые рассмотренные Л. Д. Ландау, пакист. физиком А. Саламом, кит. физиками Ли Цзундао и Ян Чженьнином в 1957, описываются ур-нием Вейля (нем. математик Г. Вейль, 1929), имеют строго определ. значения спиральности и находятся в двух состояниях: «левое» Н. и «правое» антинейтрино (др. вариант: «правое» Н. и «левое» антинейтрино, к-рые экспериментально не обнаружены). Лептонные заряды в этом случае сохраняются.

Осцилляции и распад нейтрино.

Если Н. обладают массой покоя и лептонные заряды не сохраняются, то становятся возможны нейтринные осцилляции (Б. М. Понтекорво, 1957), т. е. периодическое (полное или частичное) превращение одного типа Н. в другой, напр.:

vm<->vt, ve<->vt.

Характерный масштаб l этих превращений определяется разностью квадратов масс Н.:

l=2p?v/(m2i-m2j).

Нек-рые указания на осцилляции Н. следуют из измерений энергетич. спектра ve от реактора на разных расстояниях от центра активной зоны (Dm2v»1 эВ2), а также из измерений потока солнечных Н. (Dm2v->10-10 эВ2). В то же время измерения на Баксанском нейтринном телескопе потока vm под землёй, рождаемых косм. лучами в верхних слоях атмосферы, дают Dm2v?10-3 эВ2 для vm« ve при условии полного превращения vm в ve . В этих же предположениях могут происходить распады Н.: v1 ®g+v2, v1 ®3v3, ... , где v1 v2, v3 — ч-цы с определ. массами, представляющие собой смесь ve, vm,vt

Взаимодействия нейтрино.

Б. ч. информации о вз-ствиях Н. была получена в экспериментах на ускорителях. Общая схема их такова: пучок ускоренных протонов рождает на ядрах мишени p- и К-мезоны. Мезоны попадают сначала в фокусирующее устройство, отбирающее ч-цы нужного заряда, а затем в распадный канал, где в реакциях (6) формируется нейтринный пучок. Распадный канал заканчивается мюонным фильтром — массивным (чаще стальным) поглотителем. Поток Н. через фильтр попадает на мишень-детектор — пузырьковую или искровую камеру и сцинтилляц. счётчики, прослоенные фильтрами из Fe и Аl. Характерные размеры таких детекторов 4 мХ4 мХ16 м, вес =1000 т.

Модификацией этой схемы явл. эксперименты по «сбрасыванию пучка», в к-рых ускоренные протоны падают на массивную толстую мишень. В мишени, не успевая распасться, поглощается большая часть p- и К-мезонов, так что становятся заметными потоки т. н. прямых Н. от распада короткоживущих (со временем жизни <10-11 с) тяжёлых ч-ц (D-, F-мезонов, t-лептонов) (см. реакции (5), (7)1.

Типы взаимодействий нейтрино.

Во вз-ствиях с др. ч-цами Н. может переходить как в заряж. лептон: vm®m-, v=e ®е+ и т. д. (см. реакции (2'), (10)), так и в нейтральный: vm®vm , т. е. в Н. того же типа. Эти реакции описываются соотв. заряженными токами (ЗТ) и нейтральными токами (НТ). Заряж. токами обусловлены распады (1)—(7), т. е. процессы, в к-рых были обнаружены Н. и изучены их св-ва. НТ были впервые зарегистрированы в 1973 в пузырьковой камере (ЦЕРН): рассеяние vm(v=m) на нуклонах и эл-нах не сопровождалось вылетом m-(m+) (т. н. безмюонные события):

Изучение ЗТ и НТ в рассеянии Н. на нуклонах и эл-нах даёт уникальную информацию о структуре нуклонов, о слабом вз-ствии элем. ч-ц, о рождении и св-вах новых тяжёлых ч-ц.

Взаимодействие нейтрино с электроном.

Заряж. токами обусловлен процесс

vm(v=m)+e-®m-(m+)+ve (13) (ЦЕРН, 1979).

При энергиях Н. ?v (в лаб. системе), заметно превышающих порог реакции (13) (?v?20 ГэВ), её сечение, согласно теории Ферми, линейно растёт с ростом ?v:

где GF — фермиевская константа слабого вз-ствия, me — масса эл-на. Сечение процесса (12) с НТ имеет зависимость (14) уже при ?v >неск. МэВ (порог отсутствует) и содержит дополнит. фактор подавления 0,1—0,4 (ЦЕРН, Лаборатория им. Ферми, США, 1979).

В рассеяние электронных Н. и антинейтрино на эл-не, напр. антинейтрино от реактора (Райнес и др., 1976), дают вклад как ЗТ, так и НТ.

Взаимодействие нейтрино с нуклонами представляет собой суммарный эффект рассеяния Н. на отд. кварках, составляющих нуклон. При низких энергиях (?v<1 ГэВ) происходит упругое

Vm(V=m)+P®Vm(V=m)+P (15)

и квазиупругое (10) вз-ствие. При энергиях ?v?l ГэВ доминируют неупругие процессы: сначала с малым числом адронов в конечном состоянии, напр. однопионное рождение:

затем глубоко неупругие процессы:

Vm(V=m)+N®MI-(m+)+X (18) для ЗТ или (11) для НТ. Сечение процесса (18) явл. некогерентной суммой сечений рассеяния Н. на отд. точечных кварках и может быть представлено в виде s=(G2F/p)2mp?vk, где k — доля импульса нуклонов, к-рую несут кварки, взаимодействующие с Н. (mp — масса протона). Наблюдаемый рост сечений с уве-

Слабое нарушение масштабной инвариантности (зависимость структурных ф-ций (см. ФОРМФАКТОР) нуклона от квадрата переданного четырёхмерного импульса q2, рост sv=/sv), обнаруженное во вз-ствии Н. (18), согласуется с предсказаниями квантовой хромодинамики.

Сечения процессов с НТ (реакции (11), (15), (16)) составляют 10—50% от соответств. сечений для ЗТ. При ?V>нecк. ГэВ они имеют одинаковые энергетич. зависимости, причём

Взаимодействия нейтрино при высоких энергиях.

Все нейтринные эксперименты, и в первую очередь эксперименты по НТ, хорошо согласуются с моделью электрослабого вз-ствия Глэшоу — Вайнберга — Салама (1961 — 1968). В соответствии с этой моделью Н. взаимодействуете заряженными W± (с массой (в энергетич. ед.) mw=80 ГэВ) и нейтральным Z° (mz=90 ГэВ) промежуточными векторными бозонами: vm®m-+-W+, vm®vm+Z°, ve®e-+W+ и т. д. Обмен заряж. и нейтр. бозонами между парами фермионов приводит к наблюдаемым процессам соотв. с ЗТ и НТ. Для ?s<-mW, где s — квадрат энергии в системе центра инерции, модель воспроизводит локальный хар-р четырёхфермионных процессов. При ?v?m2W/2m0, т. е. при ?s?mW, согласно модели Вайнберга — Салама — Глэшоу, сечение рассеяния Н. на эл-не (а также на кварке) должно прекратить линейный рост с увеличением ?v и выйти на константу: sv=G2Fm2Wlp.

Сечение вз-ствия Н. с нуклоном продолжает быстрый (близкий к линейному) рост до энергий, заметно превышающих m2W/2mp (?s=(6 —10mW), а при ?s, значительно большем 10mW, оно растёт с увеличением s логарифмически. Такое поведение сечения обусловлено наличием в нуклоне «моря» виртуальных кварков и антикварков, каждый из к-рых несёт малую долю полного импульса нуклона (см. ПАРТОНЫ).

Эксперименты с нейтрино и новые частицы.

Наряду с процессами (18) наблюдаются, хотя и с заметно меньшей вероятностью, т. н. многолептонные события, когда в конечном состоянии возникают два и более заряж. лептона. Такие процессы служат сигналом рождения и последующего полулептонного распада новых тяжёлых ч-ц (F-, D-мезонов и т. д.). В экспериментах по «сбрасыванию пучка» уже сами Н. (т. н. прямые Н.) явл. сигналом рождения новых короткоживущих ч-ц.

Нейтрино и лептокварковые переходы.

В связи с построением объединённых моделей электрослабого и сильного вз-ствнй возникло представление о новом типе вз-ствий, приводящем к т. н. лептокварковым переходам. При таком переходе Н., испуская, напр., гипотетич. Y-бозон (mY?1014 ГэВ) с электрич. зарядом -1/3, может переходить в d-кварк. Такие переходы приводят к распаду протона, напр. р®v=+p+ , со временами tр:?1031 лет.