Глубоконеупругое рассеяние нейтрино

Глубоконеупругое рассеяние (ГНР) нейтрино является ключевым процессом в физике высоких энергий, позволяющим исследовать структуру адронов, динамику кварков и глюонов, а также свойства слабого взаимодействия. В отличие от упругого или квазипружного рассеяния, где мишень сохраняет свою структуру, при ГНР происходит разрушение нуклона с образованием множества адронов, что делает данный процесс особенно информативным для изучения парто́нной картины материи.

При глубоко неупругом рассеянии нейтрино взаимодействует с кварком внутри нуклона посредством обмена калибровочными бозонами слабого взаимодействия. В зависимости от типа взаимодействия возможны два канала:

  • зарядово-токовый (CC) процесс — обмен W-бозоном, при котором нейтрино переходит в соответствующий заряженный лептон (например, μ⁻ при взаимодействии ν_μ);
  • нейтрально-токовый (NC) процесс — обмен Z-бозоном, в результате которого нейтрино сохраняется в конечном состоянии.

Эти процессы отличаются как по наблюдаемым финальным состояниям, так и по структуре сечений.

Кинематика глубоко неупругого рассеяния

Для описания ГНР вводятся характерные переменные:

  • q² = –Q² — квадрат переданного импульса (отрицательный по метрике Минковского). Большие значения Q² определяют глубоко неупругий режим.
  • x = Q² / (2Mν) — переменная Бьоркенa, представляющая собой долю импульса нуклона, переносимую ударенным партоном.
  • y = ν / E_ν — неупругость, характеризующая долю энергии нейтрино, переданную адронной системе.
  • W² = M² + 2Mν – Q² — инвариантная масса образовавшейся адронной системы.

Эти величины образуют основу для анализа экспериментальных данных, так как позволяют напрямую связать измеряемые спектры с внутренней структурой нуклона.

Сечения и структура функций

В рамках парто́нной модели глубоко неупругого рассеяния сечения выражаются через структурные функции F₁(x, Q²), F₂(x, Q²) и F₃(x, Q²).

  • F₁ и F₂ описывают распределение партонов по импульсу и зависят от комбинаций кварковых и антикварковых плотностей.
  • F₃ возникает в процессах с обменом W-бозоном и отвечает за различие между рассеянием нейтрино и антинейтрино, отражая нарушение четности в слабых взаимодействиях.

При больших энергиях и в пределе высоких Q² выполняется соотношение Каллана–Гросса:

2xF₁(x, Q²) = F₂(x, Q²),

что указывает на доминирование точечных спин-½ партонов.

Роль кварков и глюонов

Глубоконеупругое рассеяние нейтрино особенно ценно для изучения слабых зарядов кварков и их распределений. Нейтрино, в отличие от электронов, взаимодействует не только электромагнитным образом, но и через токи с обменом W и Z-бозонами. Это позволяет:

  • различать вклады кварков разных поколений (например, s-кварков в процессах с образованием чарм-частиц);
  • исследовать асимметрию между кварками и антикварками;
  • получать информацию о глюонных распределениях косвенно через эволюцию структурных функций с Q² (уравнения Докшицера–Грибова–Липатова–Альтарелли–Паризи).

Таким образом, ГНР служит прямым инструментом для картографирования парто́нных распределений и проверки предсказаний квантовой хромодинамики.

Экспериментальные наблюдения

Нейтринные ГНР-эксперименты проводились на широком диапазоне установок: от пузырьковых камер 1970-х годов (CERN, Fermilab) до современных детекторов с калориметрической регистрацией.

Ключевые достижения экспериментов включают:

  • обнаружение нарушения четности в нейтринных процессах и подтверждение теории электрослабого взаимодействия;
  • измерение структуры нуклонов с выделением странного и очарованного кварков;
  • подтверждение универсальности эволюции структурных функций, предсказанной КХД;
  • установление ограничений на массы и смешивание кварков.

В современных условиях ГНР нейтрино используется не только для изучения структуры материи, но и в задачах нейтринной астрофизики и экспериментах по поиску новой физики.

Теоретические аспекты и предсказания

Теоретическое описание ГНР основано на факторизации процесса:

  • короткодействующая часть — взаимодействие нейтрино с отдельным кварком через W или Z-бозон,
  • длиннодействующая часть — динамика партонных распределений внутри нуклона.

Такое разделение позволяет применять методы возмущательной КХД для вычисления поправок высших порядков, а также использовать глобальные фитинги данных для уточнения функций распределения партонов.

Особый интерес представляют:

  • малые x (регион насыщения глюонов, важный для описания космических нейтрино сверхвысоких энергий),
  • большие x (чувствительные к вкладам валентных кварков и возможным отклонениям от универсальности).
Оглавление