Нейтральные токи в электрослабом взаимодействии
До 1973 года все известные слабые процессы описывались взаимодействиями с изменением заряда — так называемыми заряженными токами. Однако теория электрослабого взаимодействия, предложенная Глэшоу, Вайнбергом и Саламом, предсказывала существование нейтральных токов — слабых взаимодействий, в которых токи не сопровождаются переносом электрического заряда. Эти токи должны передаваться новым, ранее не обнаруженным бозоном Z0. Подтверждение существования нейтральных токов стало одним из ключевых успехов Стандартной модели.
Электрослабое взаимодействие объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия в рамках симметрии группы SU(2)L × U(1)Y. Слабое изоспинное взаимодействие описывается тремя бозонами W1, W2, W3, а гиперзарядное взаимодействие — бозоном Bμ. При спонтанном нарушении симметрии происходит смешивание полей W3 и B, из которых образуются физические поля фотона Aμ и бозона Zμ:
$$ \begin{pmatrix} A^\mu \\ Z^\mu \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos\theta_W & \sin\theta_W \\ -\sin\theta_W & \cos\theta_W \end{pmatrix} \begin{pmatrix} B^\mu \\ W^{3\mu} \end{pmatrix} $$
Здесь θW — угол Вайнберга, который определяет смешивание.
Таким образом, взаимодействие фермионов с нейтральными токами осуществляется через обмен бозоном Z, и оно имеет другой характер, чем электромагнитное взаимодействие через фотон.
Нейтральный ток JZμ имеет векторную и аксиальную компоненты, зависящие от слабого изоспина T3 и электрического заряда Q фермиона:
JZμ = ∑ff̄γμ(gVf − gAfγ5)f
где
gVf = T3f − 2Qfsin2θW, gAf = T3f
В отличие от заряженных токов, которые взаимодействуют только с левыми компонентами фермионных полей, нейтральные токи взаимодействуют как с левыми, так и с правыми компонентами.
Экспериментальное открытие нейтральных токов произошло в 1973 году в лаборатории CERN в эксперименте Gargamelle. Было зарегистрировано нейтринное рассеяние на электронах и нуклонах без изменения заряда:
νμ + e− → νμ + e−
νμ + N → νμ + X
Отсутствие мюона в финальном состоянии исключало заряженное слабое взаимодействие, и наблюдаемое рассеяние можно было объяснить только наличием нейтральных токов.
Нейтральные токи в лагранжиане взаимодействий фермионов с бозоном Z описываются следующим образом:
$$ \mathcal{L}_{NC} = -\frac{g}{2 \cos\theta_W} \sum_f \bar{f} \gamma^\mu (g_V^f - g_A^f \gamma^5) f \, Z_\mu $$
Здесь g — константа слабого взаимодействия. Лагранжиан демонстрирует универсальность взаимодействий с Z-бозоном, но с различными коэффициентами, зависящими от свойств фермиона. Это позволяет экспериментально тестировать предсказания теории по угловым распределениям, поляризациям и сечениям.
Рассеяние нейтрино на электронах и нуклонах:
νℓ + e− → νℓ + e−, νℓ + q → νℓ + q
Электрон-позитронная аннигиляция:
e+ + e− → Z → f + f̄
Вблизи резонанса Z-бозона (энергия $\sqrt{s} \approx 91.2$ ГэВ) наблюдается резкий пик в сечении, называемый Z-резонансом.
Поляризационные асимметрии: Различие в взаимодействии правых и левых фермионов приводит к наблюдаемым асимметриям при рассеянии поляризованных частиц, что используется для точного измерения угла Вайнберга.
Изучение нейтральных токов предоставляет чувствительные тесты Стандартной модели и возможность обнаружения новой физики. Отклонения от предсказанных значений в коэффициентах gVf и gAf могут указывать на существование:
Кроме того, существует целый класс процессов, которые в Стандартной модели строго запрещены, но могут происходить через нейтральные токи с нарушением ароматов, так называемые процессы с переходом аромата по нейтральному току (FCNC):
s → d + ν + ν̄, t → c + Z, μ → e + e+ + e−
Такие процессы наблюдаются крайне редко или вовсе не наблюдаются, что согласуется с подавлением FCNC в Стандартной модели и делает их идеальными каналами для поиска новой физики.
Коллайдер LEP (CERN) в 1989–2000 годах предоставил исключительно точные измерения свойств Z-бозона и нейтральных токов:
Анализируя распределения по углам, поляризациям и асимметриям, эксперименты LEP установили точные значения угла Вайнберга и подтвердили форму нейтрального тока, предсказанную Стандартной моделью.
Важнейшим свойством нейтральных токов является то, что они также нарушают четность, как и заряженные слабые токи. Вклад аксиальной компоненты приводит к асимметриям в угловых распределениях и наблюдаемым эффектам в экспериментах с поляризованными электронами. Примером является знаменитый эксперимент SLAC E122, подтвердивший наличие парити-нарушающих эффектов в рассеянии электронов на ядрах.
Нейтральные токи играют ключевую роль в таких астрофизических процессах, как охлаждение сверхновых за счёт излучения нейтрино, а также в ядерных реакциях внутри звёзд. Кроме того, благодаря взаимодействию с нейтрино, нейтральные токи активно участвуют в формировании излучения реликтового нейтринного фона и эволюции ранней Вселенной.
Нейтральные токи возникают естественным образом из структуры теории Янга–Миллса с калибровочной группой SU(2)L × U(1)Y и являются необходимым следствием калибровочной инвариантности после спонтанного нарушения симметрии через механизм Хиггса. Масса Z-бозона связана с параметрами симметрии:
$$ M_Z = \frac{1}{2} v \sqrt{g^2 + g'^2} $$
где v ≈ 246 ГэВ — вакуумное среднее значение хиггсовского поля, g и g′ — калибровочные константы групп SU(2)L и U(1)Y.
Таким образом, нейтральные токи являются не только фундаментальным элементом слабых взаимодействий, но и инструментом для проверки структуры Стандартной модели и поиска новой физики.