Нейтрино — это фундаментальные фермионы, входящие в состав лептонного семейства. Они обладают спином 1/2, электрический заряд равен нулю, и, в отличие от многих других частиц Стандартной модели, их масса чрезвычайно мала. На протяжении десятилетий нейтрино считались безмассовыми, однако современные эксперименты по нейтринным осцилляциям убедительно показали, что масса нейтрино ненулевая, хотя и остаётся неизвестной в абсолютном выражении.
Существуют три лептонных поколения нейтрино, соответствующих электрону, мюону и тау-лептону: электронное нейтрино (νₑ), мюонное нейтрино (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ). Для каждой из этих частиц существует антипартнёр — антинейтрино: соответственно, ν̄e, ν̄μ, ν̄τ.
Нейтрино и антинейтрино необходимы для обеспечения законов сохранения, в частности — закона сохранения лептонного числа. Например, в процессе β⁻-распада:
n → p + e− + ν̄e
без присутствия антинейтрино нарушался бы баланс энергии и импульса, а также закон сохранения лептонного числа. Аналогично, в β⁺-распаде или в процессах захвата нейтрино играет роль “балансирующей” частицы, которая уносит часть энергии и обеспечивает корректный учет лептонных квантовых чисел.
Нейтрино участвуют исключительно в слабом взаимодействии, что проявляется в их взаимодействиях с лептонами и кварками через W- и Z-бозоны. В экспериментах установлено, что нейтрино обладают строго левосторонней хиральностью, а антинейтрино — правосторонней. Это одно из фундаментальных проявлений нарушения зеркальной симметрии в слабом взаимодействии.
Такое свойство имеет ключевое значение для физики ускорителей: в реакциях, генерирующих нейтрино, можно предсказывать направление спина и особенности их взаимодействий с мишенями, что используется для проектирования детекторов и анализа результатов.
В физике ускорителей нейтрино играют особую роль. Они почти не взаимодействуют с веществом, поэтому их регистрация крайне затруднена. Для получения интенсивных нейтринных пучков используют специальные установки, в которых ускоренные протоны бомбардируют мишени, вызывая образование мезонов (π, K). Последующие распады мезонов приводят к рождению нейтрино и антинейтрино, которые формируют пучки высокой энергии.
Например, мюонные нейтрино в основном генерируются при распаде π⁺:
π+ → μ+ + νμ,
а соответствующие антинейтрино возникают при распаде π⁻:
π− → μ− + ν̄μ.
Таким образом, выбор знака заряда мезона позволяет контролировать преобладание нейтрино или антинейтрино в пучке.
Одним из наиболее впечатляющих явлений в физике нейтрино является их способность к осцилляциям. Нейтрино, рождающееся в определённом лептонном состоянии (например, νₑ), может со временем превратиться в ν_μ или ν_τ. Это явление объясняется несоответствием между состояниями с определённым ароматом и состояниями с определённой массой.
Нейтринные осцилляции имеют прямое следствие: нейтрино обладают ненулевой массой, что выходит за рамки первоначальной Стандартной модели. В ускорительных экспериментах, таких как Super-Kamiokande, MINOS и T2K, осцилляции нейтрино изучаются путём анализа состава пучков на разных расстояниях от источника. Аналогичные процессы наблюдаются и для антинейтрино, при этом исследуется возможное различие в параметрах осцилляций, что связано с вопросами нарушения CP-симметрии.
Хотя основное внимание в курсе физики ускорителей уделяется лабораторным исследованиям, необходимо подчеркнуть, что нейтрино играют колоссальную роль в астрофизике. В коллапсе массивных звёзд нейтрино уносят более 99% всей энергии. В космологии реликтовое нейтрино — важный элемент модели эволюции Вселенной, влияющий на формирование крупномасштабных структур.
Для физики ускорителей это означает, что знания, полученные в лабораторных экспериментах, имеют фундаментальное значение для понимания процессов, происходящих на космических масштабах.
Свойства нейтрино и антинейтрино выходят за рамки классических представлений. Вопрос о том, являются ли нейтрино частицами Дирака или Майораны, остаётся открытым. Если нейтрино — частицы Майораны, то их антипартнёр тождествен самим себе, и антинейтрино, как отдельная частица, не существует. Это напрямую связано с возможностью безнейтринного двойного β-распада, поиски которого ведутся на ряде установок по всему миру.
Для ускорительной физики эти вопросы также имеют прикладное значение, поскольку они связаны с пониманием симметрий и фундаментальных констант природы.