Нейтрино — элементарная частица¶

Нейтрино — элементарная частица, не несущая электрического заряда, с массой, близкой к нулю, и очень слабым участием в слабом взаимодействии. Нейтрино относится к классу лептонов и существует в трёх ароматах, соответствующих трём поколениям материи. Из-за крайне малого сечения взаимодействия нейтрино свободно проходят сквозь обычное вещество и регистрируются лишь с помощью крупных детекторов.

¶История открытия

Нейтрино было теоретически предсказано в 1930 году Вольфгангом Паули для объяснения непрерывного спектра энергий бета-распада. Если бы в этом процессе участвовала только электронная частица, энергия должна была бы распределяться дискретно, чего не наблюдалось. Паули предположил существование новой нейтральной частицы с малой массой, которая уносит часть энергии.

Экспериментальное подтверждение пришло в 1956 году, когда Клайд Коуэн и Фредерик Рейнес провели опыт по детектированию нейтрино в потоке антинейтрино от ядерного реактора. За открытие Рейнес получил Нобелевскую премию по физике в 1995 году.

В 1962 году группа под руководством Мелвина Шварца, Леона Ледермана и Джека Стейнбергера показала, что существуют нейтрино, связанные с мюоном (мюонные нейтрино), отличные от нейтрино, связанных с электроном. За это открытие в 1988 году была присуждена Нобелевская премия.

В 2000 году на эксперименте DONUT в Фермилабе было подтверждено существование третьего аромата — тау-нейтрино. В 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду за открытие нейтринных осцилляций, доказавшее, что нейтрино обладают ненулевой массой.

¶Свойства

Нейтрино — нейтральная частица, поэтому не взаимодействует с электромагнитным полем. Масса нейтрино не измерена напрямую, но данные по нейтринным осцилляциям указывают на то, что она составляет порядка 0,1 эВ и менее (для сравнения, масса электрона — 511 кэВ). Нейтрино движется со скоростью, очень близкой к скорости света.

Нейтрино бывает трёх ароматов: электронное (νe), мюонное (νμ) и тау-нейтрино (ντ). Каждому аромату соответствует свой лептон-партнёр: электрон, мюон или тау-лептон.

¶Нейтринные осцилляции

Ключевое явление в физике нейтрино — нейтринные осцилляции, то есть способность нейтрино самопроизвольно менять аромат по мере движения. Это возможно только если нейтрино имеют ненулевую массу и если массовые собственные состояния не совпадают с ароматными.

Осцилляции описывают матрицей смешивания Понтекорво — Микелли — Сакада — Сакада (PMNS). Эффект был впервые предсказан в 1968 году Бруно Понтекорво, а в 1998 году подтверждён японским экспериментом Super-Kamiokande, наблюдавшим дефицит атмосферных мюонных нейтрино.

¶Источники нейтрино

Нейтрино возникают при многих процессах:

• Бета-распад — при распаде нестабильных ядер.
• Ядерный синтез — в ядрах звёзд, включая Солнце.
• Радиоактивный распад в земной коре.
• Космические лучи — при столкновении с веществом атмосферы.
• Активность сверхновых — при коллапсе ядер звёзд.

Солнечные нейтрино были впервые зарегистрированы в 1960-х годах, однако их количество оказалось существенно меньше предсказаний. Это расхождение, известное как «солнечная нейтринная проблема», было разрешено после открытия нейтринных осцилляций: часть электронных нейтрино превращается в другие ароматы на пути к Земле.

¶Детекторы нейтрино

Из-за слабости взаимодействия нейтрино регистрируются в больших объёмах вещества. Основные методы:

• Водяные черенковские детекторы — например, Super-Kamiokande в Японии (50 000 тонн воды) и IceCube в Антарктиде (куб льда размером 1 км³).
• Жидкостные детекторы — с использованием жидких аргона или сцинтилляторов.
• Реакторные эксперименты — регистрация антинейтрино от ядерных реакторов (Даная, КамЛанд).

В России работает подземный детектор Баксанский нейтринный телескоп, расположенный в Кабардино-Балкарии.

¶Применение

Нейтрино используются для изучения свойств Солнца, сверхновых и других астрофизических объектов. В перспективе нейтринная астрономия позволяет наблюдать процессы, скрытые от обычных телескопов. Также ведутся работы по использованию нейтрино для связи и обнаружения ядерных материалов, хотя практическое применение остаётся ограниченным.

¶Источники

• «Физика нейтрино» — учебное пособие, МГУ.
• Статьи в журнале «Успехи физических наук».
• Нобелевские лекции по физике 1995, 1988 и 2015 годов.
• Обзоры экспериментов Super-Kamiokande и IceCube.