Квантовые числа нейтрино

Электрический заряд

Нейтрино относятся к числу фундаментальных фермионов, которые обладают нулевым электрическим зарядом. Экспериментально установлено, что заряд нейтрино, если и отличается от нуля, то он не превышает величину порядка 10−19e. Это делает нейтрино уникальной частицей: они не участвуют в электромагнитных взаимодействиях, что в значительной мере затрудняет их регистрацию.

Спин

Нейтрино являются фермионами со спином $s = \tfrac{1}{2}$. Важнейшей характеристикой является то, что они всегда регистрируются в состояниях с определённой хиральностью. В стандартной модели слабое взаимодействие имеет V–A структуру, то есть оно взаимодействует только с левыми фермионами и правыми антифермионами. Для нейтрино это означает:

  • нейтрино наблюдаются только в виде левых (left-handed) частиц;
  • антинейтрино — только в виде правых (right-handed) античастиц.

Экспериментально это подтверждается результатами, начиная с классических измерений Гольдхабера (1958), где было показано, что спиновое состояние нейтрино связано с направлением его импульса именно таким образом.

Лептонное число

Каждому семейству лептонов в стандартной модели сопоставляется собственное квантовое число — лептонное число. Для трёх поколений лептонов существуют:

  • электронное лептонное число Le,
  • мюонное лептонное число Lμ,
  • тау-лептонное число Lτ.

Для нейтрино выполняются правила:

  • электронное нейтрино имеет Le = +1,
  • антинейтрино электрона имеет Le = −1,
  • аналогично для мюонного и тау-нейтрино.

Долгое время предполагалось, что каждое лептонное число сохраняется независимо. Однако с открытием нейтринных осцилляций стало ясно, что строгого сохранения отдельных лептонных чисел нет. Сохраняется лишь их сумма:

L = Le + Lμ + Lτ.

Таким образом, полное лептонное число остаётся одним из фундаментальных квантовых чисел нейтрино.

Масса и тип нейтрино

В стандартной модели нейтрино первоначально считались безмассовыми. Эксперименты по нейтринным осцилляциям однозначно доказали, что массы нейтрино отличны от нуля, хотя и чрезвычайно малы ( < 1 эВ).

Существует два возможных сценария для природы нейтрино:

  1. Дираковские нейтрино — аналогичные другим фермионам (электронам, кваркам), имеющие чётко разделённые частицы и античастицы. В этом случае у нейтрино существует ещё одно квантовое число — лептонное число Дирака, которое строго различает нейтрино и антинейтрино.

  2. Майорановские нейтрино — частицы, являющиеся собственными античастицами. Для них отдельного лептонного числа не существует: нейтрино и антинейтрино — это одно и то же состояние.

Этот вопрос остаётся открытым и имеет фундаментальное значение. Экспериментальные поиски безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) направлены именно на выяснение майорановской или дираковской природы нейтрино.

Изоспин и участие в слабом взаимодействии

В рамках электрослабой теории нейтрино включены в левый дублет изоспина вместе с заряженным лептоном:

$$ \begin{pmatrix} \nu_e \\ e^- \end{pmatrix}_L,\quad \begin{pmatrix} \nu_\mu \\ \mu^- \end{pmatrix}_L,\quad \begin{pmatrix} \nu_\tau \\ \tau^- \end{pmatrix}_L. $$

Каждое нейтрино в этом дублете имеет изоспин $T = \tfrac{1}{2}$, а его третья проекция $T_3 = +\tfrac{1}{2}$. Это квантовое число определяет участие нейтрино в слабых взаимодействиях, в частности в процессах, опосредованных W и Z-бозонами.

Квантовые числа в обобщённой форме

Подытоживая, для нейтрино можно выделить следующие квантовые характеристики:

  • спин: $s = \tfrac{1}{2}$;
  • заряд: Q = 0;
  • лептонное число: L = ±1 (в зависимости от того, нейтрино или антинейтрино);
  • хиральность: только левые состояния для нейтрино и правые для антинейтрино;
  • изоспин: $T = \tfrac{1}{2}, T_3 = +\tfrac{1}{2}$;
  • масса: малая, ненулевая, точное значение пока неизвестно.

Таким образом, нейтрино занимают особое место среди элементарных частиц: обладая минимальным набором квантовых чисел и крайне слабо взаимодействуя с веществом, они открывают фундаментальные вопросы о природе материи, симметриях и законах сохранения в микромире.

Оглавление