Нейтрино: элементарная частица с малой массой.

Введение

Элементарная частица с чрезвычайно малой массой

Нейтрино (/nj//uː/'/t//r//iː//n//oʊ/ newTREEnoh; обозначается греческой буквой ν) — это фермион (элементарная частица со спином ½), который взаимодействует только посредством слабого взаимодействия и гравитации. Таким образом, нейтрино обычно проходят через обычную материю беспрепятственно и неопределёнными. Слабое взаимодействие создаёт нейтрино в одном из трёх лептонических ароматов:
электронное нейтрино,
мюонное нейтрино,
тау-нейтрино,

Каждый аромат связан с соответствующим заряженным лептоном. Хотя долгое время считалось, что нейтрино не имеют массы, теперь известно, что существует три дискретных массы нейтрино с различными, но очень малыми значениями (самая маленькая из которых может быть даже равна нулю), однако эти три массы не соответствуют однозначно трём ароматам: нейтрино, созданное с определённым ароматом, является определённой смесью всех трёх массовых состояний (квантовая суперпозиция). Подобно некоторым другим нейтральным частицам, нейтрино испытывают осцилляции между различными ароматами в полёте. Например, электронное нейтрино, образованное в реакции бета-распада, может взаимодействовать в далёком детекторе как мюонное или тау-нейтрино. Значения трёх масс до сих пор неизвестны (по состоянию на 2024 год), но лабораторные эксперименты и космологические наблюдения определили разности квадратов их масс, верхнюю границу их суммы (< 2,14) и верхнюю границу массы электронного нейтрино. Нейтрино создаются в различных радиоактивных распадах; приведённый ниже список не является исчерпывающим, но включает некоторые из этих процессов:
бета-распад атомных ядер или адронов,
естественные ядерные реакции, такие как те, что происходят в ядре звезды,
искусственные ядерные реакции в ядерных реакторах, ядерных бомбах или ускорителях частиц,
во время взрыва сверхновой,
во время замедления вращения нейтронной звезды,
при столкновении космических лучей или ускоренных пучков частиц с атомами.

Большинство нейтрино, регистрируемых на Земле, образуются в результате ядерных реакций внутри Солнца. На поверхности Земли поток составляет около 65 миллиардов (6,5 × 10¹⁰) солнечных нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Нейтрино можно использовать для томографии недр Земли.

Нейтрино аромат

Антинейтрино, открытое Клайдом Коуэном и Фредериком Рейном, являлось античастицей электронного нейтрино. В 1962 году Леон М. Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые зарегистрировав взаимодействия мюонного нейтрино (ранее предложенного под названием нейтретто), за что они были удостоены Нобелевской премии по физике 1988 года. Когда в 1975 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей был открыт третий тип лептона – тау, предполагалось, что у него также будет соответствующее нейтрино (тау-нейтрино). Первые свидетельства существования этого третьего типа нейтрино были получены при наблюдении за недостающей энергией и импульсом в распадах тау, аналогичных бета-распаду, который привел к открытию электронного нейтрино. Первое обнаружение взаимодействий тау-нейтрино было объявлено в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе; его существование уже было подтверждено как теоретической согласованностью, так и экспериментальными данными с Большого электронно-позитронного коллайдера.

Проблема солнечных нейтрино

В 1960-х годах знаменитый эксперимент "Хоместак" впервые измерил поток электронных нейтрино, приходящих из ядра Солнца, и обнаружил значение, составлявшее от одной трети до половины числа, предсказанного Стандартной солнечной моделью. Это несоответствие, получившее название "проблема солнечных нейтрино", оставалось неразрешенным около тридцати лет, пока исследовались возможные проблемы как в эксперименте, так и в солнечной модели, но ни одна из них не была выявлена. В конечном итоге было установлено, что оба подхода были верны, и расхождение между ними объяснялось большей сложностью нейтрино, чем предполагалось ранее. Было высказано предположение, что три типа нейтрино имеют ненулевые и немного различающиеся массы, и поэтому могут переходить в недетектируемые состояния (флейворы) во время своего полета к Земле. Эта гипотеза была проверена в ходе новой серии экспериментов, что открыло новое важное направление исследований, которое продолжается и по сей день. Окончательное подтверждение феномена колебаний нейтрино привело к присуждению двух Нобелевских премий: одна – Р. Дэвису, который разработал и возглавил эксперимент "Хоместак", и Масатоси Кошибе из Камиоканде, чьи работы подтвердили это, а другая – Такааки Каджите из Super Kamiokande и А. Б. Макдональду из SNO за их совместный эксперимент, который подтвердил существование всех трех флейворов нейтрино и отсутствие дефицита. Такааки Кадзита из Японии и Артур Б. Макдональд из Канады получили Нобелевскую премию по физике 2015 года за их основополагающее теоретическое и экспериментальное открытие, заключающееся в том, что нейтрино способны изменять свои флейворы.

Собственности и реакции

Нейтрино обладают полуцелым спином (ħ); следовательно, они являются фермионами. Нейтрино — это лептоны. Наблюдения показывают, что они взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, хотя предполагается, что они также взаимодействуют гравитационно. Поскольку они имеют ненулевую массу, теоретические соображения допускают магнитное взаимодействие нейтрино, но не обуславливают его. На данный момент нет экспериментальных данных, подтверждающих наличие ненулевого магнитного момента у нейтрино.

Аромат, масса и их смешение

Слабое взаимодействие создает нейтрино в одном из трех лептонических ароматов: электронные нейтрино, мюонные нейтрино или тау-нейтрино, связанные с соответствующими заряженными лептонами – электроном, мюоном и тау, соответственно. Хотя долгое время считалось, что нейтрино не имеют массы, теперь известно, что существует три дискретных массы нейтрино; каждое состояние аромата нейтрино является линейной комбинацией трех дискретных собственных состояний массы. Хотя по состоянию на 2016 год известны только разности квадратов трех значений массы, нейтрино, рожденное в определенном собственном состоянии аромата, находится в соответствующей специфической квантовой суперпозиции всех трех собственных состояний массы. Эти три массы настолько незначительно отличаются друг от друга, что их невозможно экспериментально различить на каком-либо практически достижимом расстоянии. Было установлено, что доля каждого массового состояния в производимых чистых ароматических состояниях существенно зависит от аромата. Связь между состояниями аромата и массы закодирована в матрице PMNS. Эксперименты установили значения средней и низкой точности для элементов этой матрицы, а единственная комплексная фаза в матрице оставалась плохо изученной по состоянию на 2016 год.

Колебания вкуса

Нейтрино осциллируют между различными ароматами в полёте. Например, электронное нейтрино, образовавшееся в результате бета-распада, может взаимодействовать в далёком детекторе как мюонное или тау-нейтрино, в зависимости от аромата заряженного лептона, возникшего при этом взаимодействии. Эта осцилляция происходит из-за того, что три компоненты, соответствующие различным массам, образовавшегося аромата, движутся с немного отличающимися скоростями, в результате чего их квантово-механические волновые пакеты приобретают относительный сдвиг фаз, изменяющий способ их комбинации и приводящий к переменной суперпозиции трёх ароматов. Таким образом, каждый компонент аромата осциллирует по мере движения нейтрино, при этом относительная сила каждого аромата меняется. Относительные пропорции ароматов в момент взаимодействия нейтрино отражают вероятности того, что взаимодействие данного аромата приведёт к образованию соответствующего аромата заряженного лептона.

Эффект МихееваСмирноваВолфенштейна

Нейтрино, проходя сквозь вещество, в целом испытывают процесс, аналогичный распространению света через прозрачную среду. Этот процесс непосредственно не наблюдается, поскольку не производит ионизирующего излучения, но приводит к эффекту Михеева — Смирнова — Вольфенштейна. Лишь малая часть энергии нейтрино передаётся веществу.

Антинейтрино

Для каждого нейтрино существует соответствующая античастица, называемая антинейтрино, которая также не имеет электрического заряда и обладает полуцелым спином. Они отличаются от нейтрино противоположным знаком лептонового числа и противоположной хиральностью (и, как следствие, противоположным знаком слабого изоспина). По состоянию на 2016 год никаких свидетельств каких-либо других различий обнаружено не было. До настоящего времени, несмотря на обширные и продолжающиеся поиски исключений, во всех наблюдаемых лептонических процессах не было зафиксировано никаких изменений общего числа лептонов; например, если общее лептоновое число в начальном состоянии равно нулю, то в конечном состоянии наблюдаются только спаренные пары лептонов и антилептонов: электронные нейтрино появляются в конечном состоянии только вместе с позитронами (антиэлектронами) или электронными антинейтрино, а электронные антинейтрино – с электронами или электронными нейтрино.

Масса Майораны

Поскольку антинейтрино и нейтрино являются нейтральными частицами, существует вероятность, что это одна и та же частица. В отличие от обычных фермионов Дирака, нейтральные частицы могут представлять собой другой тип спиновых частиц, называемых частицами Майораны, в честь итальянского физика Этторе Майораны, впервые предложившего эту концепцию. Эта теория приобрела популярность в отношении нейтрино, поскольку её можно использовать в сочетании с механизмом качели для объяснения того, почему массы нейтрино настолько малы по сравнению с массами других элементарных частиц, таких как электроны или кварки. Нейтрино Майораны обладают свойством, при котором нейтрино и антинейтрино можно различить только по хиральности; то, что эксперименты фиксируют как различие между нейтрино и антинейтрино, может быть обусловлено всего лишь одной частицей с двумя возможными хиральностями. По состоянию на 2019 год неизвестно, являются ли нейтрино частицами Майораны или Дирака. Это свойство можно проверить экспериментально. Например, если нейтрино действительно являются частицами Майораны, то будут разрешены процессы, нарушающие лептонное число, такие как двойной бета-распад без участия нейтрино, в то время как для нейтрино Дирака они были бы запрещены. Для поиска этого процесса проводятся и проводились различные эксперименты, такие как GERDA, SNO+ и CUORE. Космический нейтринный фон также может служить инструментом для определения того, являются ли нейтрино частицами Майораны, поскольку в случае нейтрино Дирака или Майораны должно наблюдаться разное количество космических нейтрино.

Ядерные реакции

Нейтрино могут взаимодействовать с ядром, превращая его в другое ядро. Этот процесс используется в радиохимических детекторах нейтрино. В этом случае для оценки вероятности взаимодействия необходимо учитывать энергетические уровни и спиновые состояния внутри целевого ядра. В общем случае вероятность взаимодействия возрастает с увеличением числа нейтронов и протонов в ядре.

Стерильные поиски нейтрино

Другие исследования направлены на поиск доказательств существования стерильного нейтрино — четвертого типа нейтрино, которое не взаимодействует с материей так, как три известных типа нейтрино. Возможность существования стерильных нейтрино не зависит от измерений распада Z-бозона, описанных выше: если их масса превышает половину массы Z-бозона, они не могли бы быть продуктом распада. Следовательно, масса тяжелых стерильных нейтрино должна быть не менее 45,6 ГэВ. Экспериментальные данные, полученные в эксперименте LSND, фактически указывают на возможность существования таких частиц. С другой стороны, эксперимент MiniBooNE, который в настоящее время проводится, предполагает, что стерильные нейтрино не требуются для объяснения экспериментальных данных, хотя последние исследования в этой области продолжаются, и аномалии в данных MiniBooNE могут допускать существование экзотических типов нейтрино, включая стерильные нейтрино. Повторный анализ данных о спектрах электронов от Института Лауэ-Лангевена, проведенный в 2011 году, также намекает на существование четвертого, легкого стерильного нейтрино. Стимулированные результатами 2011 года, с тех пор несколько экспериментов на очень коротких расстояниях от ядерных реакторов искали стерильные нейтрино. Хотя большинство из них смогли исключить существование легкого стерильного нейтрино, общие результаты остаются неоднозначными. Согласно анализу, опубликованному в 2010 году, данные, полученные с помощью зонда микроволнового анизотропии Уилкинсона космического микроволнового фона, согласуются как с тремя, так и с четырьмя типами нейтрино.

Поиск безнейтринового двойного бета-распада

Другая гипотеза связана с "нейтрино-бесполезным двойным бета-распадом", который, если он будет обнаружен, нарушит закон сохранения лептонного числа. Поиски этого механизма ведутся, но пока не дали никаких результатов. В случае его обнаружения, частицы, которые сейчас называются антинейтрино, не смогут являться истинными античастицами.

Нейтрино космических лучей

Эксперименты по регистрации космических нейтрино обнаруживают нейтрино из космоса для изучения как свойств самих нейтрино, так и космических источников, их порождающих.

Скорость

До того, как было обнаружено, что нейтрино осциллируют, обычно считалось, что они не имеют массы и распространяются со скоростью света (c). Согласно теории специальной теории относительности, вопрос о скорости нейтрино тесно связан с их массой: если нейтрино безмассовы, они должны двигаться со скоростью света, а если они обладают массой, они не могут достичь скорости света. Из-за их чрезвычайно малой массы, предсказанная скорость во всех экспериментах очень близка к скорости света, и современные детекторы недостаточно чувствительны для обнаружения ожидаемой разницы. Кроме того, существуют варианты квантовой гравитации, нарушающие лоренц-инвариантность, которые могли бы позволить нейтрино двигаться быстрее света. Всеобъемлющей основой для описания нарушений лоренц-инвариантности является расширение Стандартной модели (SME). Первые измерения скорости нейтрино были проведены в начале 1980-х годов с использованием импульсных пучков пионов (полученных при бомбардировке мишени импульсными пучками протонов). Пионы распадались, порождая нейтрино, и взаимодействия нейтрино, зарегистрированные в детекторе в течение определенного временного интервала на расстоянии, соответствовали скорости света. Это измерение было повторено в 2007 году с помощью детекторов MINOS, которые установили, что скорость 3 нейтрино, с 99% уровнем достоверности, находится в диапазоне между и . Центральное значение выше скорости света, но с учетом погрешности также согласуется со скоростью, равной точно c, или немного меньшей. Это измерение установило верхнюю границу массы мюонного нейтрино в 50 с 99% уровнем достоверности. После модернизации детекторов проекта в 2012 году MINOS уточнил первоначальный результат и обнаружил соответствие скорости света, при этом разница во времени прибытия нейтрино и света составила −0.0006% (±0.0012%). Аналогичное наблюдение, но в гораздо большем масштабе, было сделано со сверхновой 1987A (SN 1987A). Антинейтрино с энергией 10 МэВ, испущенные сверхновой, были зарегистрированы в пределах временного окна, соответствующего скорости света для нейтрино. На сегодняшний день все измерения скорости нейтрино согласуются со скоростью света.

Сверхсветовой нейтринный сбой

В сентябре 2011 года коллаборация OPERA опубликовала результаты расчетов, показывающих, что скорости нейтрино с энергией 17 и 28 ГэВ превышают скорость света в их экспериментах. В ноябре 2011 года OPERA повторила эксперимент с изменениями, позволяющими определять скорость индивидуально для каждого зарегистрированного нейтрино. Результаты подтвердили превышение скорости света. В феврале 2012 года появились сообщения о том, что причиной результатов мог стать неплотно подключенный оптоволоконный кабель, прикрепленный к одному из атомных часов, измерявших время отправления и прибытия нейтрино. Независимое воспроизведение эксперимента в той же лаборатории коллаборацией ICARUS не выявило заметной разницы между скоростью нейтрино и скоростью света.

Хиральность

Экспериментальные результаты показывают, что в пределах погрешности все произведенные и наблюдаемые нейтрино имеют левостороннюю спиральность (спины антипараллельны импульсам), а все антинейтрино – правостороннюю спиральность. В безмассовом пределе это означает, что для каждой частицы наблюдается только одна из двух возможных хиральностей. Это единственные хиральности, включенные в Стандартную модель взаимодействия частиц. Возможно, что их антиподы (правые нейтрино и левые антинейтрино) просто не существуют. Если они существуют, их свойства существенно отличаются от наблюдаемых нейтрино и антинейтрино. Предполагается, что они либо очень тяжелые (порядка масштаба GUT – см. механизм качели), не участвуют в слабом взаимодействии (так называемые стерильные нейтрино), либо и то, и другое. Существование ненулевой массы нейтрино несколько усложняет ситуацию. Нейтрино рождаются в слабых взаимодействиях как собственные состояния хиральности. Хиральность массивной частицы не является сохраняющейся величиной; спиральность – является, но оператор хиральности не имеет общих собственных состояний с оператором спиральности. Свободные нейтрино распространяются как смеси левых и правых состояний спиральности, с амплитудами смешивания порядка . Это не оказывает существенного влияния на эксперименты, поскольку вовлеченные нейтрино почти всегда ультрарелятивистские, и, следовательно, амплитуды смешивания пренебрежимо малы. Фактически, они движутся настолько быстро, и время течет настолько медленно в их системе отсчета, что у них нет достаточного времени для изменения на любом наблюдаемом пути. Например, большинство солнечных нейтрино имеют энергии порядка 0,100 ~ 1,00; следовательно, доля нейтрино с "неверной" спиральностью среди них не может превышать .

Аномалия GSI

Неожиданная серия экспериментальных результатов, полученных при измерении скорости распада тяжелых высокозаряженных радиоактивных ионов, циркулирующих в накопительном кольце, стимулировала теоретические исследования, направленные на поиск убедительного объяснения. Наблюдаемое явление известно как аномалия GSI, поскольку накопительное кольцо находится в Центре исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI в Дармштадте, Германия. Было установлено, что скорости слабого распада двух радиоактивных изотопов с периодом полураспада около 40 и 200 секунд подвержены значительной осцилляторной модуляции с периодом около 7 секунд. Более поздняя гипотеза основана на различиях между массовыми состояниями нейтрино.

Нейтрино реактора

Ядерные реакторы являются основным источником нейтрино, создаваемых человеком. Большая часть энергии в ядерном реакторе генерируется в результате деления (четыре основных делящихся изотопа в ядерных реакторах – это уран-235, уран-238, плутоний-239 и плутоний-241). Образующиеся дочерние нуклиды, богатые нейтронами, быстро подвергаются дополнительным бета-распадам, в каждом из которых один нейтрон превращается в протон и электрон с высвобождением электронного антинейтрино. С учетом этих последующих распадов, одно ядерное деление в среднем высвобождает около 200 единиц энергии, из которых примерно 95,5% остается в активной зоне в виде тепла, а примерно 4,5% (или около 9 единиц) излучается в виде антинейтрино. Для типичного ядерного реактора с тепловой мощностью 4000 единиц, общее производство энергии от делящихся атомов фактически составляет 4185 единиц, из которых 185 единиц излучается в виде антинейтрино и не учитывается в энергетическом балансе. Иными словами, 185 единиц энергии деления теряется для этого реактора и не преобразуется в тепло, доступное для работы турбин, поскольку антинейтрино практически не взаимодействуют с любыми строительными материалами и легко их проникают. Энергетический спектр антинейтрино зависит от степени выгорания топлива (антинейтрино, образующиеся при делении плутония-239, в среднем имеют немного больше энергии, чем антинейтрино, образующиеся при делении урана-235), но в целом, обнаруживаемые антинейтрино от деления имеют пиковую энергию в диапазоне от 3,5 до 4, с максимальной энергией около 10. Не существует установленного экспериментального метода для измерения потока антинейтрино с низкой энергией. Только антинейтрино с энергией выше порога 1,8 могут вызывать обратный бета-распад и, следовательно, быть однозначно идентифицированы (см. ниже). По оценкам, около 3% всех антинейтрино из ядерного реактора несут энергию выше этого порога. Таким образом, средняя атомная электростанция может генерировать более 20 антинейтрино в секунду с энергией выше порога, но также гораздо большее количество (примерно в 30 раз больше, что соответствует соотношению 97% / 3%) – ниже энергетического порога; эти антинейтрино с более низкой энергией недоступны для обнаружения с помощью современных детекторных технологий.

Нейтрино ускорителя

Некоторые ускорители частиц использовались для создания пучков нейтрино. Техника заключается в столкновении протонов с неподвижной мишенью, в результате чего образуются заряженные пионы или каоны. Эти нестабильные частицы затем фокусируются магнитным полем в длинном туннеле, где они распадаются в полёте. Благодаря релятивистскому эффекту увеличения времени жизни распадающихся частиц, нейтрино образуются в виде пучка, а не изотропно. Ведутся работы по проектированию ускорительского комплекса, в котором нейтрино будут производиться при распадах мюонов.

Ядерное оружие

Ядерное оружие также производит очень большое количество нейтрино. Фред Рейнс и Клайд Коуэн рассматривали возможность обнаружения нейтрино от бомбы до начала поисков реакторных нейтрино; руководитель физического отдела Лос-Аламоса Дж. М. Б. Келлогг рекомендовал использовать расщепляющийся реактор как более подходящую альтернативу. Оружие деления производит антинейтрино (в результате процесса деления), а оружие термоядерное – как нейтрино (в результате процесса термоядерного синтеза), так и антинейтрино (от инициирующего взрыва деления).

Геологическая

Нейтрино образуются вместе с естественным фоновым излучением. В частности, цепочки распада изотопов урана-238 и тория-232, а также калия-40, включают бета-распад, излучающий антинейтрино. Эти так называемые геонейтрино могут предоставить ценную информацию о строении недр Земли. Первое указание на существование геонейтрино было получено в эксперименте KamLAND в 2005 году, а обновленные результаты, представленные KamLAND, показали, что их количество достаточно велико, чтобы влиять на длительность сигнала нейтрино, задерживая некоторые из них. 13-секундный сигнал нейтрино от SN 1987A длился значительно дольше, чем потребовалось бы для беспрепятственного прохождения нейтрино через ядро сверхновой, генерирующее нейтрино, диаметр которого для SN 1987A оценивается всего в 3200 километров. Количество зарегистрированных нейтрино также соответствовало общей энергии нейтрино, равной 2,2, что, по оценкам, составляет почти всю энергию сверхновой. В июне 2023 года астрономы сообщили об использовании нового метода для впервые зарегистрированного обнаружения выброса нейтрино из галактической плоскости Млечного Пути.