Неупругие процессы с нейтрино

Общая характеристика

Неупругие процессы с участием нейтрино представляют собой взаимодействия, при которых исходное состояние мишени (ядра или нуклона) изменяется, и в финальном состоянии возникают новые частицы или возбуждённые состояния. В отличие от упругого рассеяния, где сохраняется состав системы и изменяются лишь импульсы, в неупругих взаимодействиях нарушается внутренняя структура мишени. Эти процессы играют ключевую роль в физике нейтрино, поскольку именно они позволяют исследовать свойства слабых взаимодействий, структуру нуклонов и динамику кварков и глюонов при различных энергиях.

Основные механизмы неупругого взаимодействия нейтрино

  1. Квазисвободное выбивание нуклонов (quasi-elastic scattering, QE): При энергиях нейтрино порядка сотен МэВ наиболее вероятны процессы, в которых нейтрино взаимодействует с отдельным нуклоном, выбивая его из ядра. Пример:

    νℓ + n → ℓ− + p,  ν̄ℓ + p → ℓ+ + n

    Здесь конечный лептон имеет заряд, соответствующий аромату нейтрино, а нуклон покидает ядро с конечной кинетической энергией.

  2. Процессы с возбуждением резонансов (RES): При энергиях порядка 1–2 ГэВ становятся заметными взаимодействия, при которых нейтрино возбуждает нуклон до состояния барионного резонанса (например, Δ(1232)), сопровождающегося испусканием мезонов:

    νℓ + N → ℓ− + Δ  ⇒  ℓ− + N + π

    Наиболее характерным является образование пиона. Такие процессы занимают промежуточное место между квазисвободным выбиванием и глубоко неупругим рассеянием.

  3. Глубоко неупругое рассеяние (DIS): При энергиях выше нескольких ГэВ нейтрино взаимодействует уже не с целым нуклоном, а с его внутренними кварками. Процесс описывается в рамках партонной модели:

    νℓ + q → ℓ− + q′

    Здесь q и q′ – кварки, а финальное состояние включает каскад адронов, образующихся после адронизации. В этих процессах информация о распределении кварков и глюонов в нуклоне (структурные функции) становится ключевой.

Дифференциальные и интегральные сечения

Сечения неупругих взаимодействий зависят от энергии нейтрино, структуры мишени и канала реакции.

  • Для квазисвободных процессов сечение возрастает с энергией нейтрино, достигая максимума при сотнях МэВ, и описывается формализмом Ферми и Файнмана.
  • В области резонансного возбуждения наблюдаются пики в сечении, соответствующие энергиям барионных резонансов.
  • В режиме DIS сечение растёт примерно линейно с энергией нейтрино, что отражает взаимодействие со всё большим числом доступных партонов.

Фундаментальной является зависимость сечений от переменных Бьёркена:

$$ x = \frac{Q^2}{2M\nu}, \quad y = \frac{\nu}{E_\nu}, \quad Q^2 = -q^2, $$

где x характеризует долю импульса, переносимую кварком, y – неупругость, а Q2 – квадрат переданного импульса.

Роль нейтральных и заряженных токов

Неупругие процессы протекают как через обмен W-бозоном (заряженные токи, CC), так и через обмен Z-бозоном (нейтральные токи, NC).

  • CC-процессы: нейтрино преобразуется в соответствующий лептон, что облегчает регистрацию.
  • NC-процессы: нейтрино сохраняется в финальном состоянии, а наблюдаются только адронные остатки. Эти каналы менее заметны экспериментально, но крайне важны для проверки универсальности слабых взаимодействий.

Экспериментальные аспекты

Изучение неупругих процессов требует применения интенсивных нейтринных пучков и массивных детекторов.

  • В черенковских детекторах регистрируется выходящий лептон и вторичные фотоны от распада пиона.
  • В калориметрах фиксируется суммарная энергия адронного каскада, что позволяет реконструировать переданный импульс.
  • В современных экспериментах (MINERvA, NOMAD, T2K, DUNE) активно изучаются тонкие эффекты: ядерные поправки, финальное взаимодействие адронов (Final State Interactions, FSI), когерентное образование мезонов.

Теоретическое описание

Моделирование неупругих процессов опирается на несколько уровней:

  • Ядерная физика: учитывается движение нуклонов внутри ядра и эффекты корреляций.
  • Физика резонансов: вводятся амплитуды возбуждения барионных состояний.
  • Кварково-глюонная динамика: в DIS используются структурные функции F1, F2, F3, которые связаны с распределением партонов и зависят от переменных x и Q2.
  • Эффекты масштабного нарушения: при конечных энергиях наблюдаются отклонения от предсказаний асимптотической свободы, что требует учёта эволюционных уравнений Докшицера–Грибова–Липатова–Альтарелли–Паризи (DGLAP).

Особенности при различных энергиях

  • Низкие энергии (десятки–сотни МэВ): доминируют квазисвободные процессы, важные для экспериментов на ядерных реакторах и при регистрации солнечных нейтрино.
  • Средние энергии (1–3 ГэВ): зона резонансных взаимодействий, критически значимая для длиннобазовых нейтринных экспериментов.
  • Высокие энергии (десятки–сотни ГэВ и выше): глубоко неупругое рассеяние, используемое для исследования партонной структуры и поиска новых физических эффектов.

Вклад в физику ускорителей

Изучение неупругих взаимодействий нейтрино в ускорительных экспериментах позволяет:

  • определять параметры нейтринных осцилляций (точное измерение сечений необходимо для извлечения углов смешивания и фаз CP-нарушения);
  • исследовать структуру нуклонов, в том числе распределения кварков морского типа и глюонов;
  • тестировать Стандартную модель в области слабых взаимодействий при высоких энергиях;
  • искать проявления новой физики (аномальные нейтральные токи, стерильные нейтрино, новые взаимодействия).
Оглавление