Нейтрино — это элементарные фермионы со спином ½, не имеющие электрического заряда и взаимодействующие с веществом исключительно посредством слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Они входят в состав лептонного семейства Стандартной модели, где представлены тремя поколениями: электронное нейтрино (νₑ), мюонное нейтрино (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), соответствующие, соответственно, электрону, мюону и тау-лептону.
Масса нейтрино крайне мала, но, как показано экспериментально, не равна нулю. Точная величина масс не определена, однако известно, что она составляет доли эВ (электронвольта). Нейтрино существуют в виде квантовой суперпозиции массовых состояний, обозначаемых как ν₁, ν₂, ν₃. Эта особенность лежит в основе нейтринных осцилляций — явления, при котором нейтрино, рожденное в определённом лептонном вкусе, может быть зарегистрировано как нейтрино другого типа.
Нейтрино подчиняются принципу Паули и подвержены квантовой статистике Ферми-Дирака. Их спиновая структура такова, что наблюдаются только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино, что является проявлением нарушения симметрии по отражению (P-нарушение) в слабом взаимодействии.
Нейтрино образуются при различных физических процессах:
Из-за слабой природы взаимодействия нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Кросс-сечение взаимодействия возрастает с энергией, но остаётся весьма малым. Например, нейтрино с энергией порядка 1 МэВ имеет эффективное сечение порядка 10−44 см2, что означает, что плотный поток солнечных нейтрино свободно проходит через километры свинца.
Формально взаимодействие нейтрино с веществом описывается посредством обмена W± и Z⁰ бозонами в рамках Стандартной модели. При обмене Z⁰ происходит нейтральнотоковое взаимодействие, при обмене W± — зарядово-токовое взаимодействие, приводящее к рождению заряженного лептона.
Одним из наиболее значимых открытий в физике элементарных частиц конца XX века стало экспериментальное обнаружение осцилляций нейтрино. Это явление заключается в изменении типа (вкуса) нейтрино при его распространении. Теоретически осцилляции возможны только при наличии различий в массах нейтрино, что противоречило исходным положениям Стандартной модели.
Математически осцилляции описываются матрицей Понтекорво–Маки–Накагава–Саката (PMNS), аналогичной CKM-матрице в секторе кварков. Временная эволюция состояний вкуса нейтрино даётся уравнением:
$$ |\nu_\alpha(t)\rangle = \sum_{i=1}^3 U_{\alpha i} e^{-iE_i t} |\nu_i\rangle, $$
где Uαi — элементы PMNS-матрицы, |νi⟩ — массовые собственные состояния, Ei — энергии соответствующих компонент.
Вероятность перехода нейтрино одного вкуса в другой имеет характерную интерференционную форму и зависит от квадратичных разностей масс Δmij2, расстояния до источника и энергии нейтрино:
$$ P(\nu_\alpha \rightarrow \nu_\beta) = \delta_{\alpha\beta} - 4 \sum_{i>j} \text{Re}(U_{\alpha i} U_{\beta i}^* U_{\alpha j}^* U_{\beta j}) \sin^2\left(\frac{\Delta m_{ij}^2 L}{4E}\right) + \dots $$
Существует два возможных типа нейтрино в зависимости от их природы:
Выяснение природы нейтрино является одной из важнейших задач современной физики. Ключевым экспериментом, способным отличить эти два типа, является поиск безнейтринного двойного бета-распада, при котором ядро испускает два электрона без испускания нейтрино. Обнаружение этого процесса будет прямым свидетельством майорановской природы нейтрино.
Массы нейтрино также остаются неопределёнными. Косвенные оценки, основанные на данных по космическому микроволновому фону и крупномасштабной структуре Вселенной, дают верхний предел суммы масс всех трёх нейтрино:
∑mν < 0, 12 эВ (на уровне 95%доверия).
Прямые эксперименты, такие как KATRIN, исследуют спектр электронов при бета-распаде трития, устанавливая предел порядка 0.8 эВ на массу электронного нейтрино.
Нейтрино играют важнейшую роль в различных астрофизических и космологических процессах:
Наблюдение нейтрино требует сверхчувствительных установок из-за их малой сечении взаимодействия. Наиболее известные методы:
Сектор нейтрино — потенциальный источник нарушения СР-симметрии. Экспериментальное измерение СР-фазы δ в матрице PMNS может прояснить механизмы асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной.
Гипотеза лептогенеза предполагает, что в ранней Вселенной тяжелые нейтрино майорановского типа распадались с нарушением С и CP, создавая лептонную асимметрию. Эта асимметрия могла быть преобразована в барионную через аномальные процессы (спаляронные переходы) Стандартной модели, объясняя преобладание материи.
Несмотря на прогресс, многие вопросы остаются открытыми:
Будущие эксперименты (DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO, LEGEND) и космологические наблюдения могут дать ответы на эти вопросы и значительно расширить наше понимание микромира и устройства Вселенной.