Слабое взаимодействие исторически было известно в двух формах: через заряженные токи, опосредованные бозонами W±, и через бета-распад, который стал его классическим примером. Однако в рамках электрослабой теории Глэшоу–Вайнберга–Салама предсказывалось существование ещё одного механизма передачи слабых взаимодействий — так называемых нейтральных токов.
В отличие от процессов, в которых участвуют заряженные промежуточные бозоны и происходит смена заряда лептона или кварка, нейтральные токи обусловлены обменом бозоном Z0. При этом квантовые числа заряда сохраняются, частица остаётся той же, но её состояние испытывает тонкие изменения, связанные с передачей импульса, энергии или спина. Таким образом, взаимодействие через Z0 принципиально отличается от электромагнитного взаимодействия, хотя оба относятся к классу нейтральных процессов.
Особенность нейтральных токов заключается в том, что они включают лептонные и кварковые взаимодействия, не приводящие к изменению электрического заряда частиц. Эта тонкость сделала их экспериментальное открытие чрезвычайно сложным: сигналы были редкими, маскировались электромагнитными и ядерными эффектами и требовали высокой чувствительности детекторов.
К середине XX века слабое взаимодействие воспринималось исключительно как результат обмена W-бозонами. Тем не менее, уже в конце 1950-х годов в теоретических разработках возникала необходимость в дополнительной структуре для согласования слабого взаимодействия с квантовой электродинамикой. Появление теории электрослабого объединения в 1967 году привело к естественному предсказанию нового носителя слабого взаимодействия — нейтрального бозона Z0.
Эти предсказания были радикальными. Впервые утверждалось, что нейтрино могут рассеиваться на частицах вещества без изменения заряда. Такой процесс не мог быть объяснён электромагнитным взаимодействием (поскольку нейтрино электрически нейтральны) и выходил за рамки всех известных на тот момент механизмов.
Ключевым полем для поиска стали нейтринные пучки, создаваемые на ускорителях. Их уникальная особенность заключалась в возможности наблюдать крайне редкие взаимодействия в массивных детекторах, где подавляющее большинство нейтрино проходило без следа.
Экспериментальное открытие нейтральных токов состоялось в 1973 году в ЦЕРН в рамках эксперимента Gargamelle — крупного пузырькового детектора, наполненного тяжёлой жидкостью (фреоном).
Задача состояла в следующем: различить события, где нейтрино взаимодействует с нуклоном или электроном через обмен Z0, от процессов с обменом W±. Критерием служило отсутствие заряженного лептона в конечном состоянии.
Например, в процессе
νμ + n → νμ + p,
нейтрино рассеивается на нейтроне, оставаясь тем же самым нейтрино. На фотографиях пузырьковой камеры это означало наличие одиночного протонного следа без сопровождающего мюона.
В июле 1973 года коллаборация объявила об уверенном наблюдении событий данного типа. Это стало решающим подтверждением электрослабой теории и предсказанного существования бозона Z0.
Открытие нейтральных токов существенно расширило горизонты исследований в физике высоких энергий:
Формализм нейтральных токов основан на слабом изоспине и гиперзаряде, входящих в электрослабую группу SU(2)L × U(1)Y.
Ток, взаимодействующий с Z0, имеет вид:
JZμ = ∑fψ̄fγμ(gVf − gAfγ5)ψf,
где:
Таким образом, нейтральные токи обладают как векторной, так и аксиальной компонентой. Это ведёт к богатому спектру наблюдаемых эффектов: асимметрия в угловом распределении, различие сечений для частиц и античастиц, поляризационные эффекты.
После Gargamelle многочисленные эксперименты подтвердили существование нейтральных токов и расширили область их изучения:
Эти результаты окончательно утвердили нейтральные токи как один из краеугольных камней современной физики элементарных частиц.