Основные свойства нейтрино

Нейтрино и антинейтрино. Представление о H. и антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку H. не имеет электрич. заряда, не исключено, что H. по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей; такое H. впервые было рассмотрено итал. физиком Э. Майорана и поэтому наз. " майорановским". В 1946 Б. M. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения ³⁷Cl в ³⁷Ar. Из существования распада ³⁷Ar(e-, ve)³⁷Cl следует реакция
[ris]
Если ve и ve не тождественны, то реакция ³⁷Cl + ve -> ³⁷Ar + е-(*), аналогичная реакции (3), при облучении ³⁷Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществлённом амер учёным P. Дейвисом в 1955-56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результату доказывает нетождественность ve и ve (и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа L_e).

Электронные и мюонные нейтрино. После открытия мюонов, [ris] - и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом H.: [ris] ^±-> e^±+ [ris] + [ris], [ris] ^±-> [ris] ^± + [ris], К^±-> [ris] ^±+ [ris]. В 1957 M. А. Марков, Ю.Швингер и К.Нишиджима высказали предположение, что H., рождающееся в паре с мюоном ([ris][ris]), отлично от H., рождающегося в паре с электроном (v_e). Возможность проверки этих ассоциативных свойств H. с помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР M. А. Марковым и Б. M. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европ. центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием H. от распадов [ris] ⁺-> [ris] + [ris][ris]; K⁺-> [ris] ⁺+v [ris] (4) происходит только реакция [ris][ris] +n-> p + [ris] -. Реакция [ris][ris] +n -> p + е- не была найдена; это означает, что H. от реакций (4) не рождают электроны. T. о., было доказано существование двух разных H.- [ris][ris]иv_e.

В 1964-67 в аналогичных опытах было установлено, что [ris][ris] при столкновении с ядрами рождает [ris] - и не рождает [ris] +, т. e. мюонные нейтрино [ris][ris] и антинейтрино [ris][ris] также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число L[ris].

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

Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания H. В 1957 Л. Д. Ландау и независимо пакистанский физик А. Салам, а также Ли Цзундао и Ян Чжэнъ-нин построили двухкомпонентную теорию спирального H., в которой H. имеет только два состояния: либо [ris]_Л И [ris] _П, Либо [ris]_П И [ris] _Л, T. е. H. и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного H. операция пространств, инверсии P (операция перехода от правой системы координат к левой) и операция зарядового сопряжения С (переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физич. смысла, т. к. переводит реальное H. в нефи-зич. состояние с неправильной спиральностью. Физич. смысл имеет только произведение этих операций-т. н. комбинированная инверсия (CP), превращающая реальное Н [ris]_Л ([ris]_П) в реальное антинейтрино [ris] _П ([ris] _Л) с противоположной спиральностью.

Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков M Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Cyньяра по измерению спиральности нейтрино.
Радиоактивный препарат ^l02Eu^m (J [ris] =0^-) 1 (где J - спин, [ris] - чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро ¹⁵²Sm *(1-) испускает [ris] -квант [превращаясь в ядро ¹⁵²Sm(0⁺)], к рый, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации [ris] -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах ¹⁵²Sm(O⁺) 3 Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm лосле испускания [ris] -кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и [ris] -квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае [ris] -квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор NaI 4 считает число [ris] -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 [ris] -квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания [ris] квантов.)

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

Рис 3 П [ris] и отражении в зеркале (пространственной инверсии) левое нейтрино [ris]_Л переходит в несуществующее состояние правого нейтрино [ris]_П (а). Реальное состояние получается при одновременном (с отражением) переходе от частицы к античастице, при этом [ris]_Л, переходит в правое антинейтрино [ris] _П (б)

Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного H. Доказательством двухкомпонент-ности H. 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 проведенные с H. опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного H., теория спирального двухкомпонентного H. более предпочтительна, т. к допускает введение лептонных чисел L_e и L [ris], посредством к-рых удается получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, напр. [ris] ^±< > e^±+ [ris], е- + р< > n + [ris] - + [ris] ⁺, K^- < > [ris] + + е- + [ris] - и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и " экономной", т. к. из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента H.

Помимо L_e и L[ris], имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд).

Масса и магнитный момент нейтрино. Экспериментально невозможно исключить наличие у H. очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного H. получена из анализа формы спектра [ris] -электронов трития: m [ris]_e < =60 эв (что почти в 10⁴ раз меньше массы электрона m_е~510 кэв). Для мюонного H. экспериментальный предел значительно выше: m [ris][ris] < = 1, 2 Мэв. Если масса H. не строго равна О, H. может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, напр, в реакциях v_e + e^--> [ris]_e + e-, [ris][ris] + p-> p + [ris] ⁰ + [ris][ris]. Эксперименты по поиску этих реакций дали след, ограничения на величину магнитного момента:

[ris][ris]_e< = 1, 4·10^{-9 [ris]} _Б, [ris][ris][ris] Б=10^{-8 [ris]} _Б, где [ris] _Б - магнетон Бора (если m [ris]_e =m [ris][ris] =0, то [ris][ris]_e = [ris][ris][ris] =0).

Осцилляции нейтрино. В 1958 Б. M. Понтекорво высказал гипотезу, что если масса H не строго равна О и нет строгого сохранения лептонных зарядов, возможны осцилляции H., т. е. превращение одного вида H. в другой (аналогично К° < => К° осцилляциям К-мезонов вследствие несохранения странности в слабых взаимодействиях), напр. [ris]_e< => [ris]_e
[ris]_e < => [ris][ris]и т.д. Вопрос об осцилляциях может быть решен лишь экспериментально.