Нейтри́но (итал. neutrino, уменьшительное от итал. neutrone – нейтрон; символ $ν$), электрически нейтральная и не имеющая цвета лёгкая элементарная частица со спином ¹/₂, т. е. являющаяся лептоном и фермионом. Нейтрино участвует в слабых и гравитационных взаимодействиях. Характерная особенность нейтрино – исключительно высокая проникающая способность при низких энергиях и быстрый рост сечений взаимодействий с ростом энергии. Массы нейтрино по крайней мере в 10⁶–10⁷ раз меньше массы электрона.

Существует 3 типа нейтрино: электронное $ν_e$, мюонное $ν_μ$ и тау-нейтрино $ν_τ$, которые соответствуют 3 типам заряженных лептонов: электрону $(e)$, мюону $(μ)$ и $τ$-лептону. Соответствие устанавливается слабыми взаимодействиями, в которых нейтрино данного типа $ν_l$ участвует в паре с соответствующим заряженным лептоном $l\: (l=e, μ, τ),$ образуя заряженный ток. Это соответствие описывается тремя лептонными числами $L_e$,$L_μ$, $L_τ$, такими, что $ν_l$ и $l$ имеют $L_l=1,$ а два остальных лептонных числа равны нулю. Нейтрино имеют античастицы – антинейтрино $\tilde ν_l$, которые обладают отрицательными лептонными числами. Лептонные числа сохраняются в слабых взаимодействиях. Тип нейтрино рассматривается как внутренняя степень свободы – аромат, так что $ν_e$, $ν_μ$ и $ν_τ$ являются нейтрино с определёнными ароматами.

Открытие нейтрино

Гипотеза о существовании нейтрино была выдвинута В. Паули в 1930 г. для объяснения свойств бета-распада ядер. Нейтрино $ν_e$ было открыто в экспериментах Ф. Райнеса и К. Коуэна (1953–1956, США) по детектированию антинейтрино $\tilde ν_e$ от атомных реакторов в процессе обратного $β$-распада: $\tilde ν_e+p→e^+ +n$.

Открытием мюонного нейтрино считается детектирование реакции $ν_μ+n→μ+p$ под действием нейтрино от ускорителя, рождённых в распадах $π$-мезонов: $π→ν_μ+μ$ (Дж. Стейнбергер, М. Шварц, Л. Ледерман, Брукхейвенская национальная лаборатория, США, 1962, ЦЕРН, 1964). Отсутствие электронов в конечном состоянии реакции доказывает, что $ν_μ$ и $ν_e$ – разные частицы (идея Б. М. Понтекорво). Нейтрино $ν_τ$ было введено в связи с открытием $τ$-лептона в 1975 г. Открытием $ν_τ$ считается обнаружение т. н. событий с изломом трека в ядерной эмульсии (Фермиевская национальная ускорительная лаборатория, США, 2000). Эти события обусловлены взаимодействием $ν_τ+N→τ+X$ ($N$ – нуклон, $X$ – система адронов) с последующими распадами $τ$-лептона: $τ→ν_τ+ е+ν_e$ и $τ→ν_τ+ h$ ($h$ – адрон). Поток $ν_τ$ от ускорителя формировался в распадах очарованных мезонов.

Взаимодействия нейтрино

Фундаментальные взаимодействия нейтрино описываются Стандартной моделью элементарных частиц, в соответствии с которой только левосторонние нейтрино (имеющие левую киральность) участвуют в этих взаимодействиях. Они имеют слабый изоспин, равный ¹/₂, третью проекцию изоспина +¹/₂ и гиперзаряд −1. Это определяет элементарные связи нейтрино с промежуточными бозонами $W^+$, $W^–$ и $Z^0$. При испускании (поглощении) виртуального W-бозона нейтрино переходит в соответствующий заряженный лептон: $ν_l→W^+ +l^– (ν_l+W^–→l^–)$. Антинейтрино может аннигилировать с заряженным лептоном в $W$-бозон: $\tilde ν_e+е→W^–$ (т. н. резонанс Глэшоу) и обратно, бозон $W^–$ распадается с испусканием нейтрино: $W^–→ν_l+l^–$. При испускании (поглощении) виртуального Z-бозона нейтрино переходит в нейтрино того же типа: $ν_l→Z^0 +ν_l (ν_l+Z^0→ν_l)$. Нейтрино и антинейтрино могут аннигилировать в бозон $Z^0$: $ν_l+\tilde ν_l→Z^0$ (т. н. $Z^0$-вспышка). Бозон $Z^0$ имеет невидимые моды распада $Z^0→ν_l+\tilde ν_l$, которые дают вклад в полную ширину распада $Z^0$, пропорциональный числу типов нейтрино. Экспериментальные результаты согласуются с тем, что это число равно 3. Вероятно, нейтрино взаимодействуют с бозонами Хиггса, что приводит к генерации нейтринных масс.

Ультрарелятивистские (левые) нейтрино поляризованы преимущественно против направления движения, т. е. имеют спиральность $λ=–^1/_2$ с малой примесью спиральности $λ=+^1/_2$. Антинейтрино имеют правую киральность и соответственно преимущественную спиральность $λ=+^1/_2$.

Электромагнитное взаимодействие нейтрино появляется в высшем порядке теории возмущений; в частности, генерируются магнитные дипольные моменты нейтрино $μ_ν$. В большинстве моделей предсказываемые величины $μ_ν$ много меньше экспериментальных ограничений $μ_ν< (10^{–10}–10^{–12})μ_В$ ($μ_В$ – магнетон Бора).

Процессы с участием нейтрино

Взаимодействия нейтрино с электронами, нуклонами, ядрами обусловлены обменом бозонами $W^+$, $W^–$ и $Z^0$. Экспериментально изучены процессы рассеяния на электронах $ν_e+e→ν_e+e$ и $\tilde ν_e+e→\tilde ν_e+e$; $ν_μ+ e→ν_μ+ e$ и $\tilde ν_μ+ e→\tilde ν_μ+ e$ ($Z^0$-обмен). Обнаружение этих процессов и процессов рассеяния нейтрино на нуклонах явилось открытием нейтральных токов (аналогичные реакции существуют для $τ$-нейтрино). В системе покоя электронов сечения этих реакций растут с ростом энергии нейтрино ${ℰ}_\nu$ как ${ℰ} ^2_\nu$ при ${ℰ}_\nu < m_e$; квадратичный рост сменяется линейным по ${ℰ}_\nu$ при ${ℰ}_\nu>m_e$. В области энергий $ℰ_\nu∼m^2_W /2m_e$ (где $m_W$ – масса $W$-бозона) линейный рост замедляется и сечение реакции приближается к константе.

При рассеянии на нуклонах нейтрино низких энергий ($ℰ_ν≪m_N$) основными являются упругое и квазиупругое взаимодействия: $ν_l+n→p+l^–,\tilde ν_l+p→n+l^+$ и сечения растут пропорционально $ℰ^2_n$. При $ℰ_ν∼m_N$ существенный вклад вносят неупругие взаимодействия, а при $ℰ_ν>m_N$ доминирующими становятся глубоко неупругие взаимодействия, например $ν_l+N→l+ X$. Вследствие сложной кварк-партонной структуры нуклонов сечение продолжает расти по близкому к линейному закону до энергий, значительно превышающих $ℰ_ν∼m^2_W/2m_N∼3000$ ГэВ. Далее более быстрый, чем логарифмический, рост продолжается до сверхвысоких энергий. Сечение может достигать 10⁻³² см² при $ℰ_ν∼10^{11}$ ГэВ. Земной шар становится непрозрачным для нейтрино с энергиями свыше 10³ ГэВ.

Массы и смешивание нейтрино

Нейтрино с определёнными ароматами ($ν_e$, $ν_μ$, $ν_τ$) не имеют определённых масс, но являются комбинациями состояний $ν_i$ с определёнными массами $m_i (i=1, 2, 3):\nu_\alpha=\sum_iU_{\alpha i}\nu_i$; где $U_{αi}$ – элементы 3 × 3-матрицы смешивания Понтекорво – Маки – Накагавы – Сакаты. Матрица смешивания задаётся 3 углами вращения и комплексной фазой $δ$, которая описывает эффекты нарушения комбинированной чётности. Экспериментальные измерения углов $θ_{12}≈ 32°,$ $θ_{23}≈ 45°,$ $θ_{13}≈ 0–7°$ показывают, что лептоны обладают сильным смешиванием, в отличие от смешивания кварков.

Эксперименты по нейтринным осцилляциям и эксперименты с солнечными нейтрино позволяют измерить разности квадратов масс нейтрино: $m^2_2- m^2_1\approx8·10^{–5}$ эВ², $∣ m^2_3-m^2_ 1 ∣\approx 2,3·10^{–3}$ эВ². Это означает, что по крайней мере одна из масс должна быть больше либо равна 0,05 эВ. Верхнее ограничение на массы нейтрино $m_i< 1,1 эВ$ следует из измерений спектра электронов, образующихся при распаде трития, вблизи граничной энергии. Наиболее сильное ограничение следует из космологии: анализ данных по крупномасштабной структуре Вселенной даёт верхний предел для суммы масс нейтрино: $\sum_i m_i ⩽ 0,1-0,5$ эВ.

Более тяжёлые нейтрино должны распадаться на лёгкие: например, $ν_2→ν_1+ν_1+\tilde ν_1, ν_2→ν_1+γ$. Эти распады описываются теорией возмущений в высших порядках, и в Стандартной модели с нейтринными массами времена жизни нейтрино на много порядков превышают возраст Вселенной.

Природа нейтрино

Нейтрино могут быть четырёхкомпонентными фермионами, т. е. иметь правые компоненты и обладать дираковскими массами, их движение описывается уравнением Дирака. Правые компоненты имеют нулевой изоспин и нулевой гиперзаряд и не взаимодействуют с промежуточными бозонами, могут иметь связи с бозонами Хиггса и рождаться в их взаимодействиях с лептонами и кварками.

Малость масс нейтрино может свидетельствовать в пользу того, что нейтрино является частицей Майорана, т. е. относится к истинно нейтральным фермионам, у которых частица совпадает с античастицей. Волновая функция нейтрино совпадает с волновой функцией антинейтрино с точностью до фазового фактора: $\tilde ν=e^{іφ}ν$, где $φ$ – т. н. майорановская фаза. Все сохраняющиеся заряды такого нейтрино равны нулю. Полное лептонное число нарушается майорановскими массовыми членами на две единицы: $|ΔL|=2,$ и, следовательно, должны существовать процессы с $|ΔL|=2.$ Наиболее перспективным для детектирования является безнейтринный двойной $β$-распад: $Z→(Z+2)+e+e$ ($Z$ – заряд ядра), вероятность $Γ$ которого пропорциональна квадрату эффективной майорановской массы электронного нейтрино: $Γ∼m^2_{ee}$. Чувствительность современных экспериментов, позволяющая измерить $m_{ее}≈ 0,4–0,5$ эВ, будет улучшена до $m_{ее}≈ 0,02–0,05$ эВ следующей серией экспериментов.

Распространение нейтрино

Нейтрино рождаются в ароматных состояниях, т. е. как определённые когерентные смеси состояний с определёнными массами. Распространение ароматных состояний в вакууме носит характер осцилляций – периодического, полного или частичного превращения одного типа нейтрино в другой: $ν_μ→ ν_τ→ ν_μ→ ν_τ→ ν_μ→\dots$

При распространении в среде нейтрино испытывают упругое рассеяние вперёд на электронах и нуклонах (ядрах), составляющих среду. Результат этого рассеяния (рефракция) описывается индексом рефракции, или потенциалом. Разность потенциалов разных типов нейтрино влияет на их осцилляции. В обычной среде для $ν_e$ и $ν_μ$ или $ν_τ$ эта разность определяется рассеянием на электронах. Рефракция изменяет параметры осцилляций – угол смешивания, эффективные массы и осцилляционную длину.

В среде с постоянной плотностью распространение нейтрино также имеет характер осцилляций, но с изменёнными углами смешивания и длинами осцилляций. Среда может как усилить, так и подавить осцилляции (их глубину), усиление носит резонансный характер. Резонансное усиление осцилляций реализуется при распространении нейтрино в веществе Земли.

В неоднородной среде потенциал и угол смешивания меняются на пути нейтрино. Если плотность изменяется достаточно медленно, происходит адиабатическая конверсия, при которой изменение аромата нейтринного состояния следует изменению плотности среды (эффект Вольфенштейна – Михеева – Смирнова). Это реализуется в Солнце, приводя к необратимому (частичному) переходу $ν_e→ν_μ, ν_τ$ , а значит, к подавлению потока солнечных нейтрино $ν_e.$ Адиабатические переходы должны происходить и в сверхновых звёздах.

Источники нейтрино

Нейтрино являются одной из наиболее распространённых компонент во Вселенной. Космологические (реликтовые) нейтрино с энергией 10⁻⁴ эВ заполняют Вселенную со средней плотностью около 300 см⁻³. Распады радиоактивных изотопов $(^{40}K, ^{232}U, ^{239}Th)$ в коре Земли формируют потоки нейтрино с низкой энергией – т. н. геонейтрино. Солнце является мощным источником $ν_e$ с энергиями 0,1–15 МэВ. Эти нейтрино рождаются в ядерных реакциях в центре Солнца и частично трансформируются в $ν_μ$ и $ν_τ$ в веществе Солнца на пути выхода из него. Мощные потоки нейтрино возникают при гравитационном коллапсе звёзд (см. Нейтринная астрономия). Взаимодействие космических лучей с ядрами атомов воздуха в атмосфере Земли генерирует в цепочке распадов $π→μ+ν_μ, μ→e+ν_e+ν_μ$ потоки атмосферных нейтрино в интервале энергий 10⁻²–10⁵ ГэВ. Предсказывается существование потоков космических нейтрино высоких и сверхвысоких энергий (1–10¹² ГэВ). Эти нейтрино рождаются в цепочке распадов $π$-мезонов, которые возникают во взаимодействиях космических лучей с протонами, ядрами и электромагнитным излучением в галактическом и межгалактическом пространстве, а также в самих источниках космических лучей.

Искусственными источниками нейтрино являются атомные реакторы, радиоактивные источники, ускорители протонов, мезонные фабрики. Планируется создавать пучки нейтрино от распада ускоренных распадающихся ядер и ускоренных мюонов на нейтринных фабриках.