Взаимодействия нейтрино

  Как уже говорилось, взаимодействие Нейтрино с др. частицами осуществляется посредством слабого взаимодействия. Современная теория универсального слабого взаимодействия (обобщённая теория Ферми), разработанная американскими учёными М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом, Р. Маршаком и Е. Сударшаном, описывает все экспериментально наблюдавшиеся процессы с участием Нейтрино, а также предсказывает ещё не наблюдавшиеся, например упругое рассеяние Нейтрино на электроне и мюоне: n_e + e ®n_e + e, n_m + m®n_m + m. Эксперименты по рассеянию Нейтрино на электроне по своей чувствительности близко подошли к возможности обнаружения этих процессов, однако, выделить их над уровнем фона пока не удалось.

  Особый интерес представляет взаимодействие Нейтрино при высоких энергиях. Согласно современной теории слабого взаимодействия, сечение рассеяния Нейтрино на др. лептонах, например реакции n_m + е^-®n_e + m^-, должно расти с ростом энергии пропорционально квадрату энергии в системе центра инерции (с. ц. и.) сталкивающихся частиц [или линейно в лабораторной системе (л. с.)]. Однако такой рост сечения взаимодействия в локальной теории Ферми не может происходить неограниченно, т.к. при энергиях ~300 Гэв в с. ц. и. сечение достигает своего естественного предела, определяемого так называемым условием унитарности (условием того, что суммарная вероятность всех возможных процессов при столкновении данных частиц равна 1). Можно ожидать, что при этих энергиях (если окажется справедливой современная теория) слабое взаимодействие станет «сильным» в том смысле, что сечения процессов множественного рождения лептонов станут сравнимыми с сечением двухчастичных процессов.

  Экспериментально пока удалось исследовать только процессы взаимодействий Нейтрино с сильно взаимодействующими частицами (адронами). Наблюдались квазиупругие процессы типа n_e (n_m) + n ® p + е^-(m^-) и неупругие процессы, например n_e (n_m) + n ® n (p) + е^-(m^-) + Np + N'K +..., где N, N' — целые числа. Для квазиупругих процессов можно теоретически предсказать ход сечения с ростом энергии. Согласно гипотезе советских учёных С. С. Герштейна и Я. Б. Зельдовича, нуклон является носителем сохраняющегося «слабого заряда», аналогичного электрическому. Если это так, то «слабый заряд» (как и электрический) должен быть «размазан» по объёму нуклона и нуклон при взаимодействии с Нейтрино должен вести себя как протяжённая частица. В то время как сечение квазиупругого рассеяния Нейтрино на точечном нуклоне растет линейно с ростом энергии (в л. с.), на протяжённом нуклоне, как показывают расчёты, оно достигает постоянного значения при энергии Нейтрино E_n = 1—2 Гэв. Эксперименты подтвердили эту гипотезу при E_n = 1—5 Гэв.

Для неупругих процессов ситуация более сложная. М. А. Марков высказал предположение, что полное сечение взаимодействия Нейтрино с нуклоном, несмотря на «обрезание» сечения в каждом отдельном канале реакции, должно расти линейно с возрастанием энергии (в л. с.) из-за неограниченного роста числа возможных каналов. В рамках определённых предположений это было доказано американскими учёными С. Адлером и Дж. Бьёрксном. Как показал Р. Фейнман, такая зависимость сечения от энергии возможна, если нуклон представляет собой облако точечных частиц («партонов»). Измерения, проведённые в ЦЕРНе, согласуются с линейным ростом полного сечения в области E_n = 1—10 Гэв:s_n = (0,69 ± 0,05)·10^-38E_nсм²(в формуле энергия E_n, выражена в Гэв). Получены также данные в опытах с Нейтрино космических лучей при энергии 10—100 Гэв: s_n = (0,55 ± 0,15)·10^-38E_nсм². Первые результаты, полученные в Национальной ускорительной лаборатории США (Батавия), не противоречат линейному росту сечения до E_n~40 Гэв. Т. о., все данные согласуются с линейным ростом полного сечения взаимодействия Нейтрино с нуклоном при E_n£ 100 Гэв. Высказывалось предположение, что сечение может линейно расти с энергией вплоть до геометрических размеров нуклона (~ 10^-26см²).

Существует теория, отличная от теории Ферми, в которой слабое взаимодействие осуществляется за счёт обмена так называемым промежуточным бозоном. В этой теории сечение взаимодействия Нейтрино как с лептонами, так и с адронами должно «обрезаться» при высоких энергиях, причём энергия «обрезания» определяется массой промежуточного бозона.

  В 1973 впервые (ЦЕРН) в пузырьковой камере наблюдалось около сотни случаев взаимодействия n_m и  с ядрами с рождением адронов без образования мюонов, а также (1974) несколько случаев рассеяния  на электроне. Это, по-видимому, свидетельствует о существовании нового типа взаимодействия Нейтрино с адронами и лептонами через так называемые нейтральные токи. Существование подобных взаимодействий вытекает, в частности, из объединённой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (см. Слабые взаимодействия).

Во всех перечисленных выше экспериментах Нейтрино выступает в роли инструмента исследования структуры элементарных частиц.

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