После введения нейтрино Вольфгангом Паули и формулирования теоретической структуры бета-распада Энрико Ферми предполагалось, что эта частица должна быть строго безмассовой. Такое предположение вытекало из двух соображений: во-первых, из отсутствия прямых экспериментальных свидетельств массы, во-вторых, из удобства при построении теоретической модели слабого взаимодействия. В Стандартной модели нейтрино трактовались как безмассовые фермионы, обладающие только левыми спинорными компонентами. Это позволяло элегантно объяснять нарушение четности в слабом взаимодействии.
Однако с самого начала подобное предположение вызывало сомнения. В квантовой теории поля частица, не обладающая массой, должна распространяться со скоростью света, а её кинематическое поведение строго фиксировано. Если бы нейтрино действительно было безмассовым, его масса покоющегося состояния была бы равна нулю, и никакие массовые термины не могли бы быть добавлены в лагранжиан без нарушения калибровочных симметрий.
Первые оценки массы нейтрино были получены из анализа бета-спектра. В классическом эксперименте исследовался энергетический конец спектра электронов при бета-распаде трития. Если масса нейтрино равна нулю, форма кривой вблизи конца должна быть строго линейной. Любые отклонения интерпретировались как указания на конечную массу. В течение десятилетий такие измерения давали лишь верхние пределы, постепенно снижавшиеся до порядка нескольких электронвольт.
Дополнительные ограничения поступали из астрофизики и космологии. Например, динамика коллапса сверхновых и формирование крупномасштабной структуры Вселенной позволяли наложить строгие лимиты на суммарную массу нейтрино.
В Стандартной модели масса фермионов возникает через механизм Хиггса за счёт юкавских взаимодействий с бозоном Хиггса. Однако нейтрино в этой схеме занимают особое место. Их левые компоненты входят в слабые дублеты, но правые компоненты в исходной формулировке отсутствуют. Следовательно, невозможно построить обычный юкавский член, отвечающий за массу.
Это приводит к парадоксу: все остальные фермионы приобретают массу в результате электрослабого спонтанного нарушения симметрии, но нейтрино оказываются исключением. Именно это породило “проблему безмассовости”, которая долгое время оставалась нерешённой в рамках минимальной Стандартной модели.
Перелом наступил в конце XX века, когда были надёжно установлены нейтринные осцилляции. В экспериментах с солнечными нейтрино, а также в атмосферных и реакторных установках было показано, что нейтрино способны переходить из одного ароматного состояния в другое.
С точки зрения квантовой механики, такие осцилляции возможны только в случае, если ароматные состояния являются суперпозициями массовых собственных состояний. Это автоматически означает ненулевую массу хотя бы для одного из нейтрино. Таким образом, проблема безмассовости была окончательно снята: нейтрино действительно имеют массу, хотя и чрезвычайно малую по сравнению с другими фермионами.
После открытия осцилляций возникла необходимость в теоретических схемах, объясняющих происхождение массы нейтрино. Наиболее распространённые из них:
Механизм Дирака. В этом случае предполагается существование правых нейтрино — стерильных частиц, не участвующих в слабом взаимодействии. Тогда масса нейтрино возникает по обычному юкавскому механизму, аналогично массам электронов или кварков. Однако для объяснения крайне малой величины массы требуется искусственно малое значение константы связи.
Механизм Майораны. Здесь нейтрино трактуется как частица, тождественная собственной античастице. В этом случае возможно написание майорановского массового члена, не требующего введения правых компонент. Это ведёт к особым экспериментальным предсказаниям, в частности к возможности безнейтринного двойного бета-распада.
Механизм seesaw (качелей). Один из наиболее элегантных вариантов, объединяющий идеи Дирака и Майораны. Вводятся тяжёлые правые нейтрино с массой, близкой к масштабу великого объединения. Их взаимодействие с лёгкими левыми нейтрино приводит к тому, что наблюдаемая масса оказывается подавленной отношением низких и высоких энергетических масштабов. В результате масса нейтрино естественно становится на порядки меньше массы других фермионов.
Даже крошечная масса нейтрино играет значительную роль в эволюции Вселенной. Нейтрино присутствуют в огромном количестве, формируя космический нейтринный фон. Их вклад в суммарную плотность материи ограничивает параметры космологических моделей.
Кроме того, точное знание массы необходимо для понимания процессов в сверхновых, для моделей нуклеосинтеза и для объяснения асимметрии вещества и антивещества во Вселенной. Некоторые сценарии лептогенеза прямо зависят от того, имеет ли нейтрино майорановскую природу и каковы масштабы его массы.
Современные эксперименты сосредоточены на трёх направлениях:
Прямые измерения массы. Наиболее точные результаты дают установки, работающие с бета-распадом трития (например, проект KATRIN). Эти эксперименты позволяют ограничить массу электронного нейтрино снизу в районе < 1 эВ.
Космологические наблюдения. Данные о микроволновом фоне и крупномасштабной структуре дают ограничения на сумму масс нейтрино, которые на данный момент составляют менее 0.1–0.2 эВ.
Поиск безнейтринного двойного бета-распада. Этот процесс, если будет обнаружен, станет прямым свидетельством майорановской природы нейтрино и позволит установить эффективную массу с высокой точностью.