Упругое рассеяние нейтрино представляет собой фундаментальный процесс слабого взаимодействия, при котором нейтрино изменяет своё направление и энергию, сталкиваясь с электроном или нуклоном, но не образует новых частиц. Этот процесс является исключительно ценным инструментом для изучения свойств нейтрино, а также для проверки предсказаний Стандартной модели.
В отличие от взаимодействий сильного или электромагнитного типа, вероятность упругого рассеяния нейтрино крайне мала. Это связано с малой величиной константы Ферми и отсутствием заряда у нейтрино. Тем не менее, в условиях высокоинтенсивных пучков ускорителей или в мощных астрофизических источниках такие процессы становятся экспериментально наблюдаемыми.
С точки зрения квантовой теории поля, основной механизм упругого рассеяния нейтрино на электронах определяется обменом калибровочными бозонами:
Таким образом, сечение упругого рассеяния зависит от типа нейтрино: электронные нейтрино взаимодействуют как через заряженные, так и через нейтральные токи, тогда как мюонные и тау-нейтрино — только через нейтральный ток.
Форма дифференциального сечения определяется углом вылета электрона и энергией нейтрино:
$$ \frac{d\sigma}{dT} \propto G_F^2 m_e \left[ (g_V \pm g_A)^2 + (g_V \mp g_A)^2\left(1 - \frac{T}{E_\nu}\right)^2 - (g_V^2 - g_A^2) \frac{m_e T}{E_\nu^2} \right], $$
где T — кинетическая энергия электрона, Eν — энергия нейтрино, gV и gA — векторные и аксиальные константы слабого взаимодействия, а знак зависит от того, идет ли речь о нейтрино или антинейтрино.
Ключевая особенность этого процесса — возможность прямого измерения слабого угла Вайнберга θW, что делает экспериментальные данные по упругому рассеянию нейтрино на электронах важнейшей проверкой Стандартной модели.
Взаимодействие нейтрино с протонами и нейтронами более сложно, так как здесь участвуют не элементарные, а составные частицы. Нуклоны состоят из кварков и глюонов, что приводит к необходимости учитывать форму-факторы слабого взаимодействия.
Взаимодействие осуществляется по двум каналам:
Упругое нейтринно-нуклонное рассеяние, в отличие от квазипороговых или глубоконеупругих процессов, характеризуется сохранением структуры нуклона и лишь изменением его импульса.
Сечение можно записать в виде:
$$ \frac{d\sigma}{dQ^2} \propto \frac{G_F^2}{8\pi E_\nu^2} \left[ A(Q^2) \pm B(Q^2)\left(\frac{s-u}{M^2}\right) + C(Q^2)\left(\frac{(s-u)^2}{M^4}\right)\right], $$
где Q2 — переданный импульс, M — масса нуклона, A(Q2), B(Q2), C(Q2) — комбинации форм-факторов, которые учитывают структуру слабого тока внутри нуклона.
Особое значение имеют аксиальные форм-факторы, связанные с вкладом спина кварков в слабое взаимодействие. Измерения этих величин через упругое рассеяние нейтрино на протонах позволяют уточнять распределение поляризации кварков в нуклонах.
Регистрация упругого рассеяния нейтрино на электронах требует высокочувствительных детекторов, способных выделять сигналы электронов малой энергии на фоне других процессов. Наиболее известные примеры таких экспериментов — проекты CHARM II, Borexino, Super-Kamiokande.
В случае нуклонных мишеней используются:
Детекторы фиксируют либо отдачные электроны, либо нуклоны, что позволяет восстановить спектр углов и энергий. Современные установки с интенсивными нейтринными пучками, создаваемыми ускорителями, обеспечивают статистику, достаточную для точного измерения сечений.
Упругое рассеяние нейтрино — один из немногих процессов, где влияние сильного взаимодействия минимально (для электронных мишеней) или контролируемо (для нуклонных мишеней через форму-факторы). Это делает его уникальным полигоном для:
Благодаря высокой точности теоретических предсказаний и возможностям современных ускорительных экспериментов, упругое рассеяние нейтрино остаётся ключевым инструментом фундаментальной физики частиц.