Нейтрино

Нейтрино - стабильные нейтральные лептоны с полуцелым спином, участвующие только в слабой и гравитационной взаимодействиях. Чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: нейтрино с энергией 1 М эВ имеют в свинце длину свободного пробега ~ 10 ²⁰ см (~ 100 световых лет).

Нейтрино - стабильная электрически нейтральна элементарная частица, масса которой близка к нулю. Она относится к группе лептонов. Скорость движения нейтрино близка к скорости света. Различают нейтрино электронное, мюонное и τ-лептонного нейтрино. Нейтрино и соответствующие им антинейтрино участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Они играют большую роль в превращениях элементарных частиц, в глобальных космогонических процессах.

1. Свойства нейтрино

Каждому заряженном лептонов соответствует своя пара нейтрино / антинейтрино:

• электронное нейтрино / антинейтрино
• мюонное нейтрино / антинейтрино
• тау -нейтрино/антинейтрино

Масса нейтрино крайне мала по сравнению с другими элементарными частицами. Последние экспериментальные оценки (на май 2012 г.), полученные в ходе работы австралийской коллаборации WiggleZ на Англо-австралийском телескопе показывают, что верхний предел массы для всех ароматов нейтрино составляет всего 0,29 эВ ^[1].

Масса нейтрино важна для объяснения феномена скрытой массы в космологии, поскольку, несмотря на ее малое значение, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность вещества.

Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино могут превращаться друг в друга. Это так называемые осцилляции нейтрино, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино, угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведены в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительная нейтрино. Кроме того, существование осцилляций нейтрино, вероятно, напрямую подтверждено экспериментами в Садбери. Подтверждение осцилляций нейтрино потребует внесения изменений в Стандартную Модель.

1.1. Спиральность

Нейтрино имеет спин 1/2. Однако экспериментально детектируются только нейтрино с определенной спиральностью, есть только нейтрино с одной проекцией спина на направление движения, который задается импульсом. Нейтрино имеют левую спиральность, антинейтрино - правую спиральность. Левая спиральность нейтрино означает, что его спин направлен противоположно импульса.

2. История открытия

Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30х годов ХХ века была проблема бета-распада : спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймс Чедвик еще в 1914 г. имеет непрерывный характер, то есть, с ядра вылетают электроны с самыми энергиями.

Развитие квантовой механики в 20-х годах привел к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922. Т.е. спектр частиц, вылетающих при распаде ядра должен быть дискретным, и показывать энергии, равные разностям энергий уровней, между которыми при распаде происходит переход. Таким, например, является спектр альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 г. знаменитый датский физик Нильс Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии. Однако было и другое объяснение - потерянную энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании частицы, чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом, выдвинул 4 декабря 1930 Паули - не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене :

... Имея в виду ... непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти "обменную статистику" и закон сохранения энергии. А именно, есть возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть "нейтронами" и которые имеют спин 1/2. Масса "нейтрона" по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не больше от 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при β-распаде вместе с электроном вылетает еще и "нейтрон" таким образом, что сумма энергий "нейтрона" и электрона остается постоянной.

Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным. Однако не рискнув, не выиграешь; серьезность положения с непрерывным β-спектром хорошо проиллюстрировал мой почтенный предшественник господин Дебай, недавно заявил мне в Брюсселе : "О ... это лучше не думать совсем, как о новых налогах".

("Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене", цит. По М. П. Рекало, Нейтрино.)

Впоследствии нейтроном была названа, как оказалось, другая элементарная частица.

На Сольвеивському Конгрессе 1933 г. в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием легкой нейтральной частицы со спином 1/2, в котором, со ссылкой на предложение Ферми, назвал гипотетическую частицу "нейтрино". Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвященной нейтрино.

См.. также

• Охлаждение нейтрино
• Бета-распад
• Скрытая масса
• IceCube - нейтринная обсерватория.

Примечания