Нейтрино — элементарные фермионы с полуцелым спином, не имеющие электрического заряда и взаимодействующие исключительно посредством слабого и гравитационного взаимодействий. Их малая масса и чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом делают их изучение труднодоступным, но вместе с тем открывают уникальные перспективы в атомной и молекулярной физике. В отличие от квантовой электродинамики, где доминируют кулоновские взаимодействия, нейтринная физика на атомном уровне исследует редкие процессы, возникающие на фоне хорошо изученных электромагнитных эффектов.
Взаимодействие нейтрино с электронами атома проявляется в процессах упругого рассеяния, при которых возможна передача очень малой энергии. Несмотря на ничтожные вероятности таких процессов, они приобретают значение в условиях высокой плотности потоков нейтрино, например, в астрофизических объектах (внутренности Солнца, сверхновые).
Особый интерес представляет нейтринная эмиссия при переходах атомных электронов. В отличие от фотонного излучения, такие процессы крайне подавлены, но в принципе возможны, когда электрон переходит на более низкий уровень энергии, а вместо фотона излучается пара нейтрино-антиниейтрино. Подобные процессы, называемые двойным нейтринным излучением, дают информацию о слабых взаимодействиях в атомных системах и о возможных новых каналах распада.
В молекулярной физике нейтрино проявляют себя преимущественно через косвенные эффекты. Так, при радиоактивном распаде атомных ядер внутри молекул образуются быстрые электроны и нейтрино. Электроны вовлекаются в перестройку молекулярных связей, а нейтрино уносят часть энергии, влияя на распределение продуктов распада.
Важным направлением исследований является роль нейтрино в процессах, связанных с изомерными состояниями молекул, где энергетический баланс может быть смещён за счёт слабого излучения. Хотя вероятность таких процессов минимальна, они дают теоретическую возможность объяснять малые энергетические отклонения, наблюдаемые в спектрах молекул в экстремальных условиях.
На уровне эксперимента ключевым является измерение сечения упругого рассеяния электронов нейтрино на атомных электронах. Такие эксперименты позволяют:
Особенно чувствительными оказываются низкоэнергетические процессы, где электрослабые взаимодействия начинают конкурировать с атомными эффектами, и проявляется возможность поиска новых взаимодействий с лёгкими бозонами или стерильными нейтрино.
Современные атомные часы достигают точности на уровне 10−18. При таких масштабах возникает вопрос: могут ли нейтрино оказывать заметное влияние на стабильность и систематические сдвиги частот?
Теоретические оценки показывают, что нейтринный фон Вселенной и поток солнечных нейтрино создают крайне слабый, но ненулевой вклад в возмущение атомных переходов. На практике эти эффекты остаются за пределами обнаружения, но в будущем при ещё большей точности экспериментов подобные влияния могут быть учтены как систематические поправки.
Одним из наиболее изучаемых процессов, где нейтрино играют роль в атомной физике, является двойной бета-распад. Здесь в ядре одновременно преобразуются два нейтрона в два протона, сопровождаясь испусканием двух электронов и двух антинейтрино.
Особое значение имеет гипотетический безнейтринный двойной бета-распад, при котором нейтрино не испускаются. Наблюдение такого процесса подтвердило бы, что нейтрино являются майорановскими частицами, т. е. совпадают со своими античастицами. Важным моментом является то, что электронные оболочки атома фиксируют энергетическое распределение электронов, и по этому распределению можно судить о характере нейтринного взаимодействия.
Нейтрино играют ключевую роль в энергетическом балансе звёзд и эволюции Вселенной. Их взаимодействие с атомами и ионами плазмы определяет транспорт энергии в плотных средах. На ранних стадиях космологического расширения нейтрино «отделились» от материи, но продолжают влиять на спектр реликтового излучения.
В молекулярных облаках нейтринные взаимодействия могут определять условия охлаждения вещества, а значит — влиять на процессы звездообразования. Здесь проявляется важное пересечение атомной, молекулярной и астрофизической физики.