W и Z бозоны в процессах с нейтрино

Элементарные взаимодействия нейтрино в рамках Стандартной модели полностью обусловлены слабым взаимодействием, которое опосредуется калибровочными бозонами W^± и Z⁰. Эти бозоны имеют большую массу (около 80–91 ГэВ/с²), что определяет характер слабых процессов: их короткодействие, малую вероятность взаимодействия нейтрино с материей и фундаментальные различия между заряженными и нейтральными токами.

Обмен W-бозоном и процессы заряженных токов

Заряженные токи представляют собой класс слабых процессов, в которых нейтрино изменяет свой лептонный партнёр, участвуя в обмене бозоном W^±.

• Взаимодействие нейтрино с нуклоном или кварком при обмене W приводит к превращению нейтрино в соответствующий заряженный лептон:

  ν_ℓ + n → ℓ⁻ + p,  ν̄_ℓ + p → ℓ⁺ + n

• В более общем случае нейтрино взаимодействует с кварком:

  ν_ℓ + d → ℓ⁻ + u

  где d- и u-кварки связаны преобразованием из-за обмена W⁺.

• На уровне диаграмм Фейнмана процессы заряженного тока изображаются в виде вершин с участием нейтрино, заряженного лептона и W-бозона, который связывает лептонный и кварковый токи.

Особенности процессов с участием W:

1. Лептонный аромат сохраняется: нейтрино определённого семейства рождает только соответствующий лептон (например, ν_μ → μ⁻, но не ν_μ → e⁻).
2. Высокий порог энергии: для рождения массивного лептона (например, тау-лептона) необходимо, чтобы энергия нейтрино превышала сотни ГэВ.
3. Играет ключевую роль в детектировании нейтрино, поскольку именно заряженные лептоны оставляют видимые треки в детекторах.

Обмен Z-бозоном и процессы нейтральных токов

Нейтральные токи представляют собой процессы, в которых нейтрино сохраняет свою природу и не превращается в заряженный лептон.

• Типичный процесс взаимодействия:

  ν_ℓ + N → ν_ℓ + N

  где N — нуклон или ядро.

• На уровне кварков это описывается взаимодействиями вида:

  ν_ℓ + q → ν_ℓ + q

  через обмен бозоном Z⁰.

Особенности процессов с участием Z:

1. Нейтрино сохраняет аромат, что делает такие процессы трудными для регистрации (нет видимого заряженного лептона).
2. Энергетический спектр отдачи нуклона или ядра является единственным экспериментальным сигналом.
3. Было фундаментальным открытием в 1973 году в ЦЕРНе (обнаружение нейтральных токов подтвердило предсказания электрослабой теории Глэшоу–Вайнберга–Салама).

Сравнение заряженных и нейтральных токов

Вклад W- и Z-бозонов в нейтринные эксперименты

• Детекторы нейтрино (Super-Kamiokande, IceCube, DUNE) используют процессы заряженного тока как основной канал регистрации, тогда как нейтральные токи дополняют картину и позволяют изучать упругие рассеяния.
• Феномен осцилляций нейтрино исследуется через соотношение вероятностей процессов с обменом W (наблюдаемых лептонов разных ароматов) и процессов с обменом Z, чувствительных к полному потоку всех нейтрино.
• На ускорителях нейтрино, рождающиеся при распадах мезонов (например, π⁺ → μ⁺ + ν_μ), исследуются в столкновениях с мишенью, где взаимодействия через W и Z позволяют тестировать предсказания электрослабой теории при различных энергиях.

Квантово-полевое описание

В рамках лагранжиана Стандартной модели взаимодействие нейтрино с W- и Z-бозонами описывается терминами:

• Для заряженных токов:

  $$ \mathcal{L}_{CC} = \frac{g}{\sqrt{2}} \, \bar{\ell}_L \gamma^\mu \nu_{\ell L} W^-_\mu + h.c. $$

• Для нейтральных токов:

  $$ \mathcal{L}_{NC} = \frac{g}{2 \cos \theta_W} \, \bar{\nu}_{\ell L} \gamma^\mu \nu_{\ell L} Z_\mu $$

где g — константа калибровочной связи SU(2), θ_W — угол Вайнберга. Эти выражения показывают строго левостороннюю хиральность нейтрино в Стандартной модели и объясняют слабость взаимодействия за счёт большой массы W- и Z-бозонов.