Основные свойства нейтрино

Нейтрино и антинейтрино. Представление о Нейтрино и антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку Нейтрино не имеет электрического заряда, не исключено, что Нейтрино по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей; такое Нейтрино впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В 1946 Б. М. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения ³⁷Cl в ³⁷Ar. Из существования распада ³⁷Ar (e^-, n_e)³⁷CI следует реакция   ³⁷Cl + n_e®³⁷Ar + e^-.     (3)

  Если n_e и  не тождественны, то реакция

аналогичная реакции (3), при облучении ³⁷Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществленном американским учёным Р. Дейвисом в 1955—56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результат доказывает нетождественность n_e и  (и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа L_e).

Электронные и мюонные нейтрино. После открытия мюонов, p^- и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом Нейтрино:

В 1957 М. А. Марков, Ю.Швингер и К.Нишиджима высказали предположение, что Нейтрино, рождающееся в паре с мюоном (n_m), отлично от Нейтрино, рождающегося в паре с электроном (n_е). Возможность проверки этих ассоциативных свойств Н. с помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР М. А. Марковым и Б. М. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европейском центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием Нейтрино от распадов   p⁺®m + n_m, K⁺®m⁺ + n_m,     (4)

происходит только реакция n_m + n ® p + m^-. Реакция n_m + n ® р + e^- не была найдена; это означает, что Нейтрино от реакций (4) не рождают электроны. Т. о., было доказано существование двух разных Нейтрино — n_m и n_e.

  В 1964—67 в аналогичных опытах было установлено, что n_m при столкновении с ядрами рождает m^- и не рождает m⁺, т. е. мюонные нейтрино n_m и антинейтрино  также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число L_m.

Спиральность и лептонные числа нейтрино. До открытия несохранения чётности в b-распаде считалось, что Нейтрино описывается волновой функцией, являющейся решением Дирака уравнения, и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) l = —¹/₂ — левое (левовинтовое) Нейтрино n_л и левое антинейтрино  и два с l = + ¹/₂ — правое (правовинтовое) Нейтрино n_п и правое антинейтрино . Теория Нейтрино, предполагающая существование четырёх состояний, называется четырёхкомпонентной, а двух состояний — двухкомпонентной. Примером двухкомпонентного Нейтрино является майорановское Нейтрино

  Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания Нейтрино В 1957 Л. Д. Ландау и независимо пакистанский физик А. Салам, а также Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин построили двухкомпонентную теорию спирального Нейтрино, в которой Нейтрино имеет только два состояния: Либо n_л и , либо n_п и , т. е. Нейтрино и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного Нейтрино операция пространственной инверсии Р (операция перехода от правой системы координат к левой) и операция зарядового сопряжения С (переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физического смысла, так как переводит реальное Нейтрино в нефизическое состояние с неправильной спиральностью. Физический смысл имеет только произведение этих операций — так называемая комбинированная инверсия (CP), превращающая реальное Нейтрино n_л (n_п) в реальное антинейтрино

с противоположной спиральностью.

  В 1958 в Брукхейвене было проведено прямое измерение спиральности электронного Нейтрино, испускаемого в процессе ¹⁵²Eu^m (e^-,n_e)¹⁵² Sm* (рис. 2), и найдено, что с вероятностью, близкой к 100%, n_e обладает левовинтовой спиральностью. Измерения спиральности мюонных Нейтрино в распадах p⁺®m⁺ + n_m показали, что n_m тоже левое. Было также установлено, что  и  имеют правую спиральность (рис. 3).

Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков М. Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Суньяра по измерению спиральности нейтрино. Радиоактивный препарат ¹⁵²E^um (J^p = 0^-) 1 (где J — спин, p — чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро ¹⁵²Sm*(1^-) испускает g-квант [превращаясь в ядро ¹⁵²Sm(0⁺)], который, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах 152Sm(0+) 3. Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm после испускания g-кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и g-квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае g-квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор Nal 4 считает число g-квантов N₊ и N_-, рассеянных при направлениях магнитного поля по и против движения нейтрино. Теоретическое значение (N_- — N₊)/2(N_- + N₊) = +0,025 для левовинтовой и -0,025 для правовинтовых спиральностей нейтрино; экспериментальное значение равно +0,017 ± 0,003, что согласуется со 100%-ной левовинтовой спиральностью нейтрино, если учесть все возможные эффекты деполяризации g-квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания g-квантов.)

Рис. 3. При отражении в зеркале (пространственной инверсии) левое нейтрино n_л переходит в несуществующее состояние правого нейтрино n_п (а). Реальное состояние получается при одновременном (с отражением) переходе от частицы к античастице, при этом n_л переходит в правое антинейтрино n_п (б).

  Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного Нейтрино Доказательством двухкомпонентности Нейтрино являются опыты Райнеса по измерению сечения захвата антинейтрино (см. выше): сечение, в соответствии с двухкомпонентной теорией, оказалось в 2 раза выше, чем рассчитанное по четырёхкомпонентной теории. Хотя все проведённые с Нейтрино опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного Нейтрино, теория спирального двухкомпонентного Нейтрино более предпочтительна, так как допускает введение лептонных чисел L_e и L_m, посредством которых удаётся получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, например m^±® e^± + g, е^- + р ® n + p^- + m⁺, К^-®p⁺ + е^- + m^- и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и «экономной», так как из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента Нейтрино

  Помимо L_e и L_m, имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд).

Масса и магнитный момент нейтрино. Экспериментально невозможно исключить наличие у Нейтрино очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного Нейтрино получена из анализа формы спектра b-электронов трития: m_ne£ 60 эв (что почти в 10⁴ раз меньше массы электрона m_e» 510 кэв). Для мюонного Нейтрино экспериментальный предел значительно выше: m_nm£ 1,2 Мэв. Если масса Нейтрино не строго равна 0, Нейтрино может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, например в реакциях   n_e + e^-®n_e + e^-, n_m + p ® p + p° + n_m.

  Эксперименты по поиску этих реакций дали следующие ограничения на величину магнитного момента:

где m_в — магнетон Бора, если

Осцилляции нейтрино. В 1958 Б. М. Понтекорво высказал гипотезу, что если масса Нейтрино не строго равна 0 и нет строгого сохранения лептонных зарядов, возможны осцилляции Нейтрино, т. е. превращение одного вида Нейтрино в другой (аналогично

осцилляциям К-мезонов вследствие несохранения странности взаимодействиях), например

и т.д. Вопрос об осцилляциях может быть решен лишь экспериментально.

Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон), электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), спином¹/₂ (в единицах постоянной Планка ) и исчезающе малым, по-видимому, нулевым, магнитным моментом. Н. принадлежит к группе лептонов, а по своим статистическим свойствам относится к классу фермионов. Название «Н.» применяется к двум различным элементарным частицам — к электронному (n_e) и к мюонному (n_m) Н. Электронным называется Н., взаимодействующее с др. частицами в паре с электроном е^- (или позитроном е⁺), мюонным — Н., взаимодействующее в паре с мюоном (m^-, m⁺). Оба вида Н. имеют соответствующие античастицы: электронное

и мюонное

антинейтрино. Электронные и мюонные Н. принято различать с помощью сохраняющихся аддитивных лептонных квантовых чисел (лептонных зарядов) L_e и L_m, при этом принимается, что L_e= + 1, L_m = 0 для n_е и L_e = 1, L_m = 0 для , L_e = 0, L_m = + 1 для n_m и L_e = 0, L_m = — 1 для . В отличие от др. частиц, Н. обладают удивительным свойством иметь строго определённое значение спиральности l — проекции спина на направление импульса: Н. имеют левовинтовую спиральность (l = —¹/₂), т. е. спин направлен против направления движения частицы, антинейтрино — правовинтовую (l = + ¹/₂), т. е. спин направлен по направлению движения.

  Н. испускаются при бета-распаде атомных ядер, К-захвате, захвате m^-ядрами и при распадах нестабильных элементарных частиц, главным образом пи-мезонов (p⁺, p^-), К-мезонов и мюонов. Источниками Н. являются также термоядерные реакции в звёздах.

  Н. принимают участие лишь в слабом взаимодействии и гравитационном взаимодействии и не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях. С этим связана крайне высокая проникающая способность Н., позволяющая этой частице свободно проходить сквозь Землю и Солнце.

История открытия нейтрино
Основные свойства нейтрино
Взаимодействия нейтрино
Естественные источники нейтрино