научная статья по теме ФИЗИКА НЕЙТРИНОПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ИТОГИ Физика

Текст научной статьи на тему «ФИЗИКА НЕЙТРИНОПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ИТОГИ»

Физика нейтрино-, промежуточные итоги

М.Д.Скорохватов

Открытие нейтрино — достаточно известная история, о которой читателям «Природы» только что напомнил С.С.Герштейн [1]. Почти 25 лет, от гипотезы В.Паули до знаменитых экспериментов Ф.Райнеса и К.Коуэна, попытки зарегистрировать неуловимое нейтрино казались совершенно безуспешными. Характеризуя оценочное значение сечения (вероятности) взаимодействия нейтрино с веществом, Райнес писал: «Чтобы понять, насколько мало это взаимодействие, заметим, что средний путь нейтрино в жидком водороде составляет 1000 световых лет» [2]. И все же нейтрино было обнаружено; более того, и по сей день эксперименты, в которых детектируются нейтрино, чрезвычайно востребованы в исследованиях — в астрофизике, астрономии, космологии, геофизике, а в физике частиц изучение свойств и взаимодействий нейтрино занимает одно из центральных направлений.

Нейтрино в Стандартной модели

По современным представлениям, окружающий нас материальный мир состоит из фермионов — лептонов и кварков — элементарных частиц со спином 1/2, взаимодействующих посредством полей, квантами которых являются фотоны (электромагнитное взаимодействие), W- и 7-бозоны (слабое взаимодействие), а также глюоны (сильное взаимодействие). Данные о наиболее элементарной структуре материи обобщены в так называемой Стандартной модели (далее СМ, рис.1), с высокой точностью описывающей совокупность свойств и взаимодействий известных нам лепто-

Михаил Дмитриевич Скорохватов,

доктор физико-математических наук, заместитель директора Центра фундаментальных исследований, директор Отделения физики частиц НИЦ КИ, заведующий кафедрой физики элементарных частиц Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов — ядерная физика и физика частиц, в том числе физика нейтрино и астрочастиц.

нов и кварков. Массы частиц в СМ генерируются с помощью гипотетического поля Хиггса; поиски скалярного бозона, кванта этого поля, недавно завершились успехом на ускорителе в ЦЕРНе [3].

© Скорохватов М.Д., 2013

Рис.1. Структура Стандартной модели.

Надежно установлено, что нейтрино и его античастица (антинейтрино) — это нейтральные лептоны, принимающие участие только в слабом взаимодействии. В научной литературе состояние, в котором нейтрино рождается или аннигилирует, называется флэйворным (flavour — аромат). В результате исследований были обнаружены три разных флэйворных состояния — электронное (ve), мюонное (v,) и тау- (v,) нейтрино и соответствующие им антинейтрино. Вместе с другими фермионами они образуют три семейства, или поколения. Заряженные частицы в каждом поколении обладают одинаковыми характеристиками, за исключением масс: частицы младших поколений легче. Это делает возможным распады частиц старших поколений, а стабильная материя во Вселенной практически полностью состоит из лептонов и кварков первого поколения.

После открытия нейтрино много усилий было потрачено на измерение их масс, но проведенные эксперименты показали, что масса нейтрино либо чрезвычайно мала, либо даже равна нулю. Задача прямого измерения массы у нейтрино оказалась настолько сложной, что по сей день мы имеем только ограничения на искомые величины: m(v) < 2.1 эВ, m(v,) < 170 кэВ, m(v,) < 15.5 МэВ. Сегодня из косвенных данных известно, что масса у нейтрино все-таки есть (см. далее). Соотношение массы (в энергетических единицах) и энергии нейтрино E, с которыми мы имеем дело в текущих экспериментах, всегда соответствует условию E >> m(v), т.е. наблюдаемые нами нейтрино — частицы релятивистские.

Частицы и взаимодействия в СМ описываются с учетом их наблюдаемой инвариантности по отношению к фундаментальным симметриям — пространственной четности Р (инверсии пространственных координат r ^ -r), зарядовой четности С (переходу от частицы к античастице) и инверсии времени T (t ^ -t). В середине прошлого века было обнаружено, что в процессах слабого взаимодействия пространственная и зарядовая четности в максимальной степени нарушены. Несохранение четности приводит к продольной поляризации частиц. В релятивистском случае это означает, что флэйворные состояния нейтрино должны описываться «левыми» спинорами — ^l(v), со спиральностью -1/2 (спин частицы ориентирован против направления ее движения), а антинейтрино — «правыми» — yE(v), со спиральностью + 1/2 (спин направлен по движению частицы). С учетом этих свойств была развита теория слабого взаимодействия [4], которая затем, в 70-х годах, была обобщена в теории Вайнбер-га—Салама—Глэшоу. Последняя в формализме СМ стала основой для описания слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов и кварков. В рамках этой теории левые компоненты полей частиц (правые компоненты античастиц) объеди-

нены в дублеты группы SU(2), образующие леп-тонный и кварковый сектора (рис.1):

^ (у, 1 (и) I ( 5,) I (ь) I

В настоящее время нет убедительных доказательств существования «правого» нейтрино и «левого» антинейтрино. Примесь «неправильной» спиральности для релятивистских нейтрино, обусловленной массой, сильно подавлена и определяется фактором т(у)/Е << 1, что недоступно экспериментальной проверке. Однако сохранение СРТ-комбинации фундаментальных симмет-рий, которое служит базисным принципом теории, дает основание полагать, что правые нейтрино и левые антинейтрино существуют. Но тогда их взаимодействие с веществом должно быть ничтожным, даже в сравнении с проявлением слабых сил, и такие нейтрино должны быть, как отмечал Б.М.Понтекорво, «стерильными» [5]. В СМ стерильные состояния нейтрино могут быть введены в виде SU(2)-синглетов: (Vв)Е, (у„)Е и (у,)е, которые не связаны с Ж- и 7-бозонами и поэтому не участвуют в слабом взаимодействии.

После обнаружения несохранения Р- и С-чет-ности в р-распаде была разработана теория двух-компонентного нейтрино, допускающая описание безмассового нейтрино с помощью двухком-понентных спиноров. Правые нейтрино и левые антинейтрино в этом случае вообще не использовались. Сегодня эта теория не столь актуальна, но связанная с ней история повлияла на развитие физики нейтрино в Курчатовском институте. Старшие коллеги рассказывали, что Л.Д.Ландау, один из разработчиков этой модели, выступая на семинаре, заинтересовал И.В.Курчатова возможностями проверки теории. Для этого предполагалось измерить продольную поляризацию электронов в р-распаде ядер. Разработка эксперимента была поручена П.Е.Спиваку, который привлек к работам своего ученика Л.А.Микаэляна. Этот случай дал старт развитию в Курчатовском институте целого направления исследований: в конце 60-х годов была разработана программа работ по физике реакторных нейтрино под руководством Микаэляна и созданы две нейтринных лаборатории (одна на атомной станции в Ровно, другая в Красноярске), где на ядерных ректорах учеными Курчатовского института были выполнены уникальные исследования свойств и взаимодействий электронного антинейтрино, поставлены эксперименты по поиску нейтринных осцилляций, намечены пути практического использования нейтринного излучения. Сам же Петр Ефимович Спивак до конца жизни интересовался проблемой масс нейтрино и был одним из авторов уникального проекта, завершившегося измерением указанного выше рекордного предела на массу V,, излучаемого в в-распаде трития.

Тождественны ли нейтрино и антинейтрино?

За исключением нейтрино, все фермионы в СМ — это заряженные частицы, которые в свободном состоянии описываются уравнениями Дирака. Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрино может быть истинно нейтральным леп-тоном, т.е. частицей, тождественно совпадающей со своей античастицей. В этом случае описание нейтрино возможно с помощью уравнений Майораны, которые применимы для тождественных фермионов. Однако выяснить этот вопрос оказалось непросто из-за спиральности нейтрино. Например, предпринимались попытки поглотить антинейтрино — в процессе обратного ß--распа-да. Однако даже в случае — = vв такая реакция запрещена из-за правой спиральности налетающего антинейтрино.

Вопрос о тождественности нейтрино и антинейтрино до настоящего времени остается открытым. Способом решения проблемы считается поиск процессов безнейтринного двойного ß-распа-да некоторых ядер (0v2ß), т.е. реакций спонтанного распада ядер, в которых, например, заряд ядра увеличивается на две единицы и испускаются только два электрона (рис.2). Как видно из рисунка, в этом процессе на первом этапе излучаются электрон и виртуальное антинейтрино, которое в случае v = v поглощается промежуточным ядром и вызывает обратный ß-распад с испусканием еще одного электрона. Обнаружить процесс (0v 2ß) пока не удалось, хотя интенсивные поиски ведутся во многих научных центрах мира [6]. Установленный предел на период полураспада (0v2ß) ряда ядер (76Ge, 100Mo, 130Te и др.) составляет 1024—1 025 лет. Поиски продолжаются в нескольких международных проектах (GERDA, SUPERNEMO, EXO и др.) с участием российских ученых.

Работы по изучению двойного ß-распада тесно связаны с разработкой технологий и производством изотопно-обогащенных материалов. В Курча-

Ov рр

В

N

Рис.2. Двойной бета-распад (0уРР) без излучения антинейтрино, который становится возможным для нейтрино Майораны.

товском институте были созданы и действуют экспериментальные установки, использующие самые современные методики разделения изотопов. В частности, с помощью этих методов были получены наиболее интересные для экспериментов обогащенные мишени, среди которых 7^е, 8^е, 100Мо, 130Хе, 150Nd.

За пределами Стандартной модели

Расширение СМ тесно связано с проблемой нейтринных масс. В рамках модели существует два способа построения массового члена. Во-первых, все заряженные дираковские фермионы приобретают массу путем взаимодействия с полем Хиггса левыми и правыми компонентами. Поэтому по аналогии существует возможность построения «дираковской» массы нейтрино (v ф v) путем введения в СМ правых нейтрино и левых антинейтрино. Другой способ допускает для истинно нейтральных фермионов построение «майоранов-ской» массы (v = v), когда используются только левые компоненты нейтрино и правые компоненты антинейтрино. Одн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком