Нейтральные токи

Нейтральные токи в электрослабом взаимодействии

Нейтральные токи — это тип слабого взаимодействия, при котором не происходит изменения электрического заряда участвующих фермионов. В отличие от заряженных токов, которые реализуются через обмен W-бозонами и приводят к смене типа частиц (например, превращение нейтрино в лептон или кварка одного поколения в кварк другого), нейтральные токи обусловлены обменом Z-бозоном и сохраняют род фермиона.

Такой тип взаимодействия был предсказан в рамках электрослабой теории Глэшоу–Вайнберга–Салама, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единую теоретическую конструкцию. В рамках этой теории появление Z-бозона — носителя нейтрального тока — является неизбежным следствием спонтанного нарушения симметрии SU(2)×U(1).

Лагранжиан нейтральных токов

Лагранжиан взаимодействия фермионов с нейтральным слабым током записывается следующим образом:

$$ \mathcal{L}_{\text{NC}} = -\frac{g}{2 \cos\theta_W} \sum_f \bar{f} \gamma^\mu (g_V^f - g_A^f \gamma^5) f \cdot Z_\mu $$

где:

  • g — постоянная слабого взаимодействия,
  • θW — угол Вайнберга,
  • f — фермионное поле,
  • gVf и gAf — векторные и аксиальные слабые токи для данного фермиона,
  • Zμ — поле Z-бозона.

Слабые векторные и аксиальные константы задаются через слабый изоспин T3 и заряд Q следующим образом:

gVf = T3f − 2Qfsin2θW,  gAf = T3f

Таким образом, взаимодействие через нейтральный ток зависит как от слабого изоспина, так и от электромагнитного заряда фермиона, что отличает его от чисто электромагнитного взаимодействия.

Экспериментальное открытие нейтральных токов

Открытие нейтральных токов стало важнейшим подтверждением правильности Стандартной модели. В 1973 году в ЦЕРН на установке Gargamelle были впервые зафиксированы события рассеяния нейтрино на электронах без изменения заряда, что стало прямым свидетельством обмена Z-бозоном. Эксперимент наблюдал реакции типа:

νμ + e− → νμ + e−

Этот процесс не может быть объяснён взаимодействием с участием заряженного W-бозона, так как не сопровождается изменением типа частиц. Такие реакции возможны исключительно при наличии нейтрального слабого тока.

Различия между заряженными и нейтральными токами

Нейтральные токи обладают рядом уникальных характеристик:

  • Сохранение типа лептона и кварка: взаимодействие не приводит к смене поколения (например, нейтрино остаётся нейтрино, электрон — электроном и т. д.).
  • Электрический заряд не изменяется: в отличие от обмена W-бозоном, при котором изменяется заряд частиц.
  • Меньшая вероятность по сравнению с заряженными токами: обусловлена массой Z-бозона и слабой связью (малое сечение взаимодействия).

Заряженные токи, наоборот, участвуют в бета-распадах, ионизации материи при прохождении мюонов, лептонных распадах мезонов и других явлениях, где происходит трансформация фермионов.

Нейтральные токи и нейтрино

Особое значение нейтральные токи имеют в физике нейтрино. Они позволяют взаимодействие всех типов нейтрино с материей даже в отсутствие заряженного тока. Например, электронное нейтрино может рассеиваться на нейтронах или электронах не только через заряженное взаимодействие, но и через нейтральный ток. Это стало основой для экспериментов по детекции нейтрино солнечного и атмосферного происхождения, таких как SNO и Super-Kamiokande.

Кроме того, через нейтральные токи взаимодействуют и стерильные нейтрино, если таковые существуют — но при этом они не обладают никакими калибровочными зарядами Стандартной модели. Это остаётся открытым направлением современной экспериментальной физики.

Структура взаимодействия: параллель с электромагнетизмом

Интересной особенностью нейтрального слабого тока является его близкое родство с электромагнитным взаимодействием. После спонтанного нарушения симметрии SU(2)×U(1), поля W₃ и B смешиваются, образуя:

$$ \begin{aligned} A_\mu &= \cos\theta_W B_\mu + \sin\theta_W W^3_\mu \\ Z_\mu &= -\sin\theta_W B_\mu + \cos\theta_W W^3_\mu \end{aligned} $$

Таким образом, фотон и Z-бозон являются комбинациями исходных калибровочных полей. Это приводит к тому, что нейтральный ток содержит компоненты как слабого изоспина, так и гиперзаряда, и соответственно может проявляться даже у электрически нейтральных частиц, если у них есть ненулевой слабый изоспин.

Явления с участием нейтральных токов

  1. Рассеяние лептонов: реакции типа e− + e− → e− + e− через Z-бозон в дополнение к фотонному обмену.
  2. Нейтрино-электронное рассеяние: важный канал для регистрации солнечных и атмосферных нейтрино.
  3. Кварковое рассеяние: проявляется в глубоконеупругом рассеянии лептонов на нуклонах, где Z-бозон может участвовать в передаче импульса без смены типа кварка.
  4. Асимметрия в лептонном рассеянии: Z-бозон взаимодействует с разной интенсивностью с левыми и правыми фермионами, что приводит к наблюдаемым асимметриям в распределениях.

Роль угла Вайнберга

Величина угла Вайнберга θW критически определяет относительную силу взаимодействий через фотон и Z-бозон. Величина sin2θW ≈ 0.231 даёт точное соотношение между электромагнитными и слабыми компонентами в нейтральном токе. Экспериментальное определение этого параметра осуществляется через наблюдение лептонных асимметрий, сечений взаимодействия нейтрино и других тонких эффектов.

Измерения sin2θW на различных энергиях дают информацию о ренормализационной групповой эволюции параметров Стандартной модели и являются тестом на наличие новой физики за её пределами.

Универсальность и нарушение универсальности

По Стандартной модели, нейтральные токи должны быть универсальны: взаимодействие Z-бозона с различными поколениями лептонов и кварков должно происходить одинаково, при равных условиях. Однако в последние годы появляются намёки на возможные отклонения от универсальности (например, в распадах B-мезонов), что может указывать на присутствие новых бозонов, например Z′, или на отклонения от стандартных механизмов.

Интегральная роль в Стандартной модели

Нейтральные токи не только составляют один из ключевых предсказанных каналов слабого взаимодействия, но и являются необходимым элементом калибровочной инвариантности электрослабой теории. Их существование — прямое следствие спонтанного нарушения симметрии и формирования бозонов с массой. Именно нейтральный ток придаёт электрослабой теории предсказательную силу и обеспечивает связь между наблюдаемыми эффектами, такими как паритетное нарушение, слабые асимметрии и взаимодействия нейтрино.

Связь с паритетным нарушением

Z-бозон взаимодействует по V–A току, что приводит к максимальному нарушению чётности. Например, в экспериментах с рассеянием электронов на атомных ядрах (эксперимент SLAC E122, рассеяние поляризованных электронов), было зафиксировано различие в сечениях для левых и правых спинов, что согласуется с предсказаниями нейтрального слабого тока и явилось ещё одним важнейшим подтверждением Стандартной модели.

Обнаружение Z-бозона

Z-бозон был экспериментально открыт на коллайдерах SPS в ЦЕРН в 1983 году. Детекция событий e+e− → Z → ff̄ позволила точно измерить массу бозона, его ширину и распадные каналы. Это стало венцом подтверждения существования нейтральных токов.

Масса Z-бозона составляет:

MZ ≈ 91.1876 ГэВ

а ширина:

ΓZ ≈ 2.4952 ГэВ

что соответствует суммарной вероятности всех возможных распадов на лептоны и кварки через нейтральные токи.

Значение для современной физики

Исследования нейтральных токов продолжаются и в наши дни: точные измерения в экспериментах LHC, ILC, Belle II и других позволяют тестировать Стандартную модель с колоссальной точностью и искать признаки новой физики. Особое внимание уделяется возможным отклонениям в распадах B-мезонов, нейтрино-аномалиям и поискам дополнительных нейтральных бозонов.

Нейтральные токи остаются не только подтверждением фундаментального единства электромагнитных и слабых взаимодействий, но и потенциальным окном в физику за пределами Стандартной модели.

Оглавление