Основные свойства нейтрино

  Нейтрино и антинейтрино. Представление о Н. и антинейтрино возникло чисто теоретически. Однако доказательство того, что эти частицы действительно разные, не может быть получено в рамках самой теории. Поскольку Н. не имеет электрического заряда, не исключено, что Н. по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей; такое Н. впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В 1946 Б. М. Понтекорво предложил для экспериментального решения этой проблемы использовать реакцию превращения ³⁷ Cl в ³⁷ Ar. Из существования распада ³⁷ Ar (e^- , n_e )³⁷ CI следует реакция

  ³⁷ Cl + n_e ® ³⁷ Ar + e^- .     (3)

  Если n_e и

 не тождественны, то реакция

аналогичная реакции (3), при облучении ³⁷ Cl пучком антинейтрино от реактора не должна наблюдаться. В эксперименте, осуществленном американским учёным Р. Дейвисом в 1955—56 на четырёххлористом углероде, реакцию (*) не удалось обнаружить. Этот результат доказывает нетождественность n_e и

 (и, следовательно, является основой для введения сохраняющегося лептонного числа L_e ).

  Электронные и мюонные нейтрино. После открытия мюонов, p^- и К-мезонов было установлено, что распад этих частиц также сопровождается вылетом Н.:

В 1957 М. А. Марков , Ю.Швингер и К.Нишиджима высказали предположение, что Н., рождающееся в паре с мюоном (n_m ), отлично от Н., рождающегося в паре с электроном (n_е ). Возможность проверки этих ассоциативных свойств Н. с помощью ускорителей высокой энергии рассматривалась в СССР М. А. Марковым и Б. М. Понтекорво. Успешные опыты были осуществлены в 1962 на Брукхейвенском ускорителе в США и в 1964 в Европейском центре ядерных исследований (в ЦЕРНе). Было показано, что под действием Н. от распадов

  p⁺ ® m + n_m , K⁺ ® m⁺ + n_m ,     (4)

происходит только реакция n_m + n ® p + m^- . Реакция n_m + n ® р + e^- не была найдена; это означает, что Н. от реакций (4) не рождают электроны. Т. о., было доказано существование двух разных Н. — n_m и n_e .

  В 1964—67 в аналогичных опытах было установлено, что n_m при столкновении с ядрами рождает m^- и не рождает m⁺ , т. е. мюонные нейтрино n_m и антинейтрино

 также не тождественны и необходимо ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число L_m.

  Спиральность и лептонные числа нейтрино. До открытия несохранения чётности в b-распаде считалось, что Н. описывается волновой функцией, являющейся решением Дирака уравнения , и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) l = —¹ /₂ — левое (левовинтовое) Н. n_л и левое антинейтрино

 и два с l = + ¹ /₂ — правое (правовинтовое) Н. n_п и правое антинейтрино . Теория Н., предполагающая существование четырёх состояний, называется четырёхкомпонентной, а двух состояний — двухкомпонентной. Примером двухкомпонентного Н. является майорановское Н.

  Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания Н. В 1957 Л. Д. Ландау и независимо пакистанский физик А. Салам, а также Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин построили двухкомпонентную теорию спирального Н., в которой Н. имеет только два состояния: Либо n_л и

, либо n_п и , т. е. Н. и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного Н. операция пространственной инверсии Р (операция перехода от правой системы координат к левой) и операция зарядового сопряжения С (переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физического смысла, так как переводит реальное Н. в нефизическое состояние с неправильной спиральностью. Физический смысл имеет только произведение этих операций — так называемая комбинированная инверсия (CP), превращающая реальное Н. n_л (n_п ) в реальное антинейтрино

с противоположной спиральностью.

  В 1958 в Брукхейвене было проведено прямое измерение спиральности электронного Н., испускаемого в процессе ¹⁵² Eu^m (e^- ,n_e )¹⁵² Sm* (рис. 2 ), и найдено, что с вероятностью, близкой к 100%, n_e обладает левовинтовой спиральностью. Измерения спиральности мюонных Н. в распадах p⁺ ® m⁺ + n_m показали, что n_m тоже левое. Было также установлено, что

 и  имеют правую спиральность (рис. 3 ).

  Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного Н. Доказательством двухкомпонентности Н. 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 проведённые с Н. опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного Н., теория спирального двухкомпонентного Н. более предпочтительна, так как допускает введение лептонных чисел L_e и L_m , посредством которых удаётся получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, например m^± ® e^± + g, е^- + р ® n + p^- + m⁺ , К^- ® p⁺ + е^- + m^- и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и «экономной», так как из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента Н.

  Помимо L_e и L_m , имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд ).

  Масса и магнитный момент нейтрино. Экспериментально невозможно исключить наличие у Н. очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного Н. получена из анализа формы спектра b-электронов трития: m_ne £ 60 эв (что почти в 10⁴ раз меньше массы электрона m_e » 510 кэв ). Для мюонного Н. экспериментальный предел значительно выше: m_nm £ 1,2 Мэв. Если масса Н. не строго равна 0, Н. может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, например в реакциях

  n_e + e^- ® n_e + e^- , n_m + p ® p + p° + n_m .