Нейтрино участвуют исключительно в слабом взаимодействии (за исключением гравитационного, которое на практике не имеет значения в лабораторных условиях). В отличие от заряженных лептонов и кварков, они не обладают электрическим зарядом и не взаимодействуют электромагнитно, а также не испытывают сильных взаимодействий. Это делает их взаимодействие с веществом чрезвычайно слабым: сечение взаимодействия нейтрино растёт линейно с энергией, но даже для энергий порядка сотен ГеВ остаётся чрезвычайно малым.
Вероятность взаимодействия нейтрино с веществом определяется в основном процессами обмена калибровочными бозонами слабого взаимодействия – W± и Z⁰. Обмен W-бозоном приводит к заряженным токам (charged current, CC), в то время как обмен Z-бозоном соответствует нейтральным токам (neutral current, NC).
Заряженные токи реализуются в процессах, когда нейтрино превращается в соответствующий заряженный лептон. Основные процессы:
νe + n → p + e−
νμ + n → p + μ−
ντ + n → p + τ−
Эти реакции возможны только в том случае, если энергия нейтрино превышает порог образования соответствующего лептона. Например, для электронного нейтрино порог отсутствует (кроме массы электрона, пренебрежимо малой в масштабах ядерных энергий), для мюонного нейтрино порог составляет около 105 МэВ, а для тау-нейтрино – порядка 1,8 ГэВ.
Процессы по заряженному току играют центральную роль в регистрации нейтрино, поскольку появление заряженного лептона оставляет чёткий след в детекторе, будь то сцинтилляция, черенковское излучение или ионизация.
Нейтральные токи характеризуются сохранением типа нейтрино. Схематически:
νℓ + N → νℓ + X
где νℓ – нейтрино любого лептонного аромата, а X – продукты возбуждения или разрушения ядра-мишени.
В отличие от процессов с заряженным током, здесь нет появления нового заряженного лептона. Это делает детектирование таких взаимодействий значительно сложнее: сигнал от нейтрального тока может проявляться лишь в виде отдачи ядра или вторичных частиц от ядерных фрагментаций.
Особый случай слабого взаимодействия – когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядре. При малых энергиях (порядка десятков МэВ) длина волны де Бройля нейтрино сравнима с размерами ядра, и взаимодействие происходит с ядром в целом. Сечение в этом случае усиливается пропорционально квадрату числа нейтронов в ядре (N2), что резко повышает вероятность процесса.
Хотя энергия отдачи ядра при этом крайне мала (единицы кэВ), современные криогенные и сцинтилляционные детекторы уже позволяют регистрировать такие события. Этот механизм важен для нейтринной физики низких энергий, включая астрофизические источники (например, нейтрино от Солнца или суперновых).
Сечение слабого взаимодействия нейтрино растёт примерно линейно с энергией при энергиях до нескольких сотен ГэВ:
$$ \sigma(E_\nu) \approx 10^{-38} \left(\frac{E_\nu}{\text{ГэВ}}\right) \ \text{см}^2 $$
Для сравнения: электромагнитные сечения на тех же энергиях на 10–12 порядков больше. Эта колоссальная разница объясняет «призрачность» нейтрино – они могут проходить через толщу вещества, сравнимую с диаметром Земли, практически не взаимодействуя.
Помимо ядер-мишеней, нейтрино могут взаимодействовать с электронами вещества. Здесь также возможны два канала:
νe + e− → νμ + μ− или νe + e− → ντ + τ−
(при достаточной энергии для рождения тяжёлых лептонов).
νℓ + e− → νℓ + e−
Эти процессы имеют меньшие сечения, чем взаимодействие с нуклонами, но они крайне важны для регистрации солнечных нейтрино, поскольку электрон при рассеянии получает значительный импульс и может быть зафиксирован в детекторах типа водных черенковских телескопов.
При взаимодействии с ядрами важную роль играют эффекты внутренней структуры:
На низких энергиях доминируют процессы квазисвободного рассеяния на нуклонах, при энергиях порядка нескольких ГэВ начинают проявляться резонансные возбуждения, а при десятках и сотнях ГэВ главным механизмом становится взаимодействие с партонной структурой нуклона.
В физике ускорителей слабые взаимодействия нейтрино используются для исследования структуры нуклонов и тестирования предсказаний Стандартной модели. В частности:
Эксперименты с пучками нейтрино на ускорителях (например, MINOS, T2K, NOvA, DUNE) строятся на способности нейтрино проходить через километры вещества и взаимодействовать лишь в объёме специально построенных детекторов, что позволяет изучать их фундаментальные свойства без влияния электромагнитных процессов.