| 11652078 12288 3054 948 1ей, являющейся решением Дирака уравнения, и имеет четыре состояния, соответствующие четырём линейно-независимым решениям: два с проекцией спина на импульс (спиральностью) =-1/2 - левое (левовинтовое) H. Ли левое антинейтрино Ли два с =+ 1/2 - правое (правовинтовое) H. П и правое антинейтрино П. Теория H., предполагающая существование четырёх состояний, называется четырёхкомпонентной, а двух состояний - двухкомпонентной. Примером двухкомпонентного H. является майорановское H.
Обнаружение в 1956 несохранения чётности открыло новую теоретическую возможность описания H. В 1957 Л. Д. Ландау и независимо пакистанский физик А. Салам, а также Ли Цзундао и Ян Чжэнъ-нин построили двухкомпонентную теорию спирального H., в которой H. имеет только два состояния: либо Л И П, Либо П И Л, T. е. H. и антинейтрино имеют противоположные значения спиральности. Для спирального двухкомпонентного H. операция пространств, инверсии P (операция перехода от правой системы координат к левой) и операция зарядового сопряжения С (переход от частицы к античастице) каждая в отдельности не имеет физич. смысла, т. к. переводит реальное H. в нефи-зич. состояние с неправильной спиральностью. Физич. смысл имеет только произведение этих операций-т. н. комбинированная инверсия (CP), превращающая реальное Н Л (П) в реальное антинейтрино П (Л) с противоположной спиральностью.
Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков M Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Cyньяра по измерению спиральности нейтрино.
Радиоактивный препарат l02Eum (J =0-) 1 (где J - спин, - чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро 152Sm *(1-) испускает -квант [превращаясь в ядро 152Sm(0+)], к рый, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах 152Sm(O+) 3 Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm лосле испускания -кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и -квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае -квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор NaI 4 считает число -квантов N+и N-, рассеянных при направлениях магнитного поля по и против движения нейтрино. Теоретическое значение (N--N+)/2(N-+N+)= = +0,025 для левовинтовой и -0,025 для правовинтовых спиральностей нейтрино; экспериментальное значение равно +0,017+0,003, что согласуется со 100%-ной левовинтовой спиральностью нейтрино, если учесть все возможные эффекты деполяризации -квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания квантов.)
В 1958 в Брукхейвене было проведено прямое измерение спиральности электронного H., испускаемого в процессе 152Eum (e-,e)152 Sm* (рис. 2), и найдено, что с вероятностью, близкой к 100%, veобладает левовинтовой спиральностью. Измерения спиральности мюонных H. в распадах +->+ + показали, что тоже левое. Было также установлено, что e и имеют правую спиральность (рис. 3).
Рис 3 Пи отражении в зеркале (пространственной инверсии) левое нейтрино Л переходит в несуществующее состояние правого нейтрино П (а). Реальное состояние получается при одновременном (с отражением) переходе от частицы к античастице, при этом Л, переходит в правое антинейтрино П(б)
Этих опытов, однако, недостаточно для подтверждения теории двухкомпонентного H. Доказательством двухкомпонент-ности H. являются опыты Райнеса по измерению сечения захвата антинейтрино (см. выше): сечение, в соответствии с двухкомпонентной теорией, оказалось в 2 раза выше, чем рассчитанное по четырёхкомпонентной теории. Хотя все проведенные с H. опыты не позволяют исключить майорановский вариант двухкомпонентного H., теория спирального двухкомпонентного H. более предпочтительна, т. к допускает введение лептонных чисел Le и L, посредством к-рых удается получить все необходимые запреты в процессах с участием лептонов, напр. ±<>e±+, е- + р<>n + - ++, K- <> + + е- + - и др. Спиральная двухкомпонентная теория является логически более стройной и "экономной", т. к. из неё естественно вытекает равенство нулю массы и магнитного момента H.
Помимо Le и L, имеются и др. способы введения лептонных чисел (см. Лептонный заряд).
Масса и магнитный момент нейтрино. Экспериментально невозможно исключить наличие у H. очень малой массы. Наилучшая оценка верхнего предела массы электронного H. получена из анализа формы спектра -электронов трития: me <=60 эв (что почти в 104 раз меньше массы электрона mе~510 кэв). Для мюонного H. экспериментальный предел значительно выше: m <= 1,2 Мэв. Если масса H. не строго равна О, H. может иметь магнитный момент и, следовательно, участвовать в процессах электромагнитного взаимодействия, напр, в реакциях ve + e-->e + e-, + p->p + 0 + . Эксперименты по поиску этих реакций дали след, ограничения на величину магнитного момента:
e<= 1,4·10-9Б, Б=10-8Б, где Б - магнетон Бора (если me=m =0, то e = =0).
Осцилляции нейтрино. В 1958 Б. M. Понтекорво высказал гипотезу, что если масса H не строго равна О и нет строгого сохранения лептонных зарядов, возможны осцилляции H., т. е. превращение одного вида H. в другой (аналогично К° <=> К° осцилляциям К-мезонов вследствие несохранения странности в слабых взаимодействиях), напр.e<=>e
e <=>и т.д. Вопрос об осцилляциях может быть решен лишь экспериментально.
Взаимодействия нейтрино
Как уже говорилось, взаимодействие H. с др. частицами осуществляется посредством слабого взаимодействия. Совр. теория универсального слабого взаимодействия (обобщенная теория Ферми), разработанная амер. учёными M. ГеллМаном, P. Фейнманом, P. Маршаком и E. Сударшаном, описывает все экспериментально наблюдавшиеся процессы с участием H., а также предсказывает ещё не наблюдавшиеся, напр, упругое рассеяние H. на электроне и мюоне: e+ е -> e + е, + -> + . Эксперименты по рассеянию H. на электроне по своей чувствительности близко подошли к возможности обнаружения этих процессов, однако выделить их над уровнем фона пока не удалось.
Особый интерес представляет взаимодействие H. при высоких энергиях. Согласно совр. теории слабого взаимодействия, сечение рассеяния H. на др. леп-тонах, напр, реакции + е- -> ve + -, должно расти с ростом энергии пропорционально квадрату энергии в системе центра инерции (с. ц. и.) сталкивающихся частиц [или линейно в лабораторной системе (л. с.)]. Однако такой рост сечения взаимодействия в локальной теории Ферми не может происходить неограниченно, т. к. при энергиях ~300 Гэв в с. ц. и. сечение достигает своего естеств. предела, определяемого т. н. условием унитарности (условием того, что суммарная вероятность всех возможных процессов при столкновении данных частиц равна 1). Можно ожидать, что при этих энергиях (если окажется справедливой современная теория) слабое взаимодействие станет "сильным" в том смысле, что сечения процессов множественного рождения лептонов станут сравнимыми с сечением двухчастичных процессов.
Экспериментально пока удалось исследовать только процессы взаимодействий H. с сильно взаимодействующими частицами (адронами). Наблюдались квазиупругие процессы типа ve() + n -> p + e- (-) и неупругие процессы, например ve () + n -> n (p) + e- () + N + N' К + ..., где N, N' - целые числа. Для квазиупругих процессов можно теоретически предсказать ход сечения с ростом энергии. Согласно гипотезе сов. учёных С. С. Герштейна и Я. Б. Зельдовича, нуклон является носителем сохраняющегося "слабого заряда", аналогичного электрическому. Если это так, то "слабый заряд" (как и электрический) должен быть "размазан" по объёму нуклона и нуклон при взаимодействии с H. должен вести себя как протяжённая частица. В то время как сечение квазиупругого рассеяния H. на точечном нуклоне растёт линейно с ростом энергии (в л. с.), на протяжённом нуклоне, как показывают расчёты, оно достигает постоянного значения при энергии H. Ev =1-2 Гэв. Эксперименты подтвердили эту гипотезу при Еv =1-5 Гэв. Для неупругих процессов ситуация более сложная. M. А. Марков высказал предположение, что полное сечение взаимодействия H. с нуклоном, несмотря на "обрезание" сечения в каждом отдельном канале реакции, должно расти линейно с возрастанием энергии (в л. с.) из-за неограниченного роста числа возможных каналов. В рамках определённых предположений это было доказано амер. учёными С. Адлером и Дж. Бьёркеном. Как показал P. Фейнман, такая зависимость сечения от энергии возможна, если нуклон представляет собой облако точечных частиц ("партонов"). Измерения, проведённые в ЦЕРНе, согласуются с линейным ростом полного сечения в области Еv = 1 -10Гэе: v = (0,69 ±0,05)-10-38Ev см2 (в формуле энергия Ev выражена в Гэв). Получены также данные в опытах с H. космич. лучей при энергии 10-100 Гэв: v =(0,55 ± 0,15)-10-38 Ev см2. Первые результаты,, полученные в Национальной ускорительной лаборатории США (Батавия), не противоречат линейному росту сечения до Еv~40 Гэв. T. о., все данные согласуются с линейным ростом полного сечения взаимодействия H. с нуклоном при Еv <=100 Гэв. Высказывалось предположение, что сечение может линейно расти с энергией вплоть до гео-метрич. размеров нуклона (~ 10-26 cм2).
Существует теория, отличная от теории Ферми, в к-рой слабое взаимодействие осуществляется за счёт обмена т. н. промежуточным бозоном. В этой теории сечение взаимодействия H. как с лепто-нами, так и с адронами должно "обрезаться" при высоких энергиях, причём энергия "обрезания" определяется массой промежуточного бозона.
В 1973 впервые (ЦЕРН) в пузырьковой камере наблюдалось около сотни случаев взаимодействия и с ядрами с рождением адронов без образования мюонов, а также (1974) неск. случаев рассеяния на электроне. Это, по-видимому, свидетельствует о существовании нового типа взаимодействия H. с адронами и лептонами через т. н. нейтральные токи. Существование подобных взаимодействий вытекает, в частности, из объединённой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (см. Слабые взаимодействия).
Во всех перечисленных выше экспериментах H. выступает в роли инструмента исследования структуры элементарных частиц.
Естественные источники нейтрино
Естественная радиоактивность. Любое космич. тело, в т. ч. Земля, содержит значит, количество радиоактивных элементов и является источником H. Регистрация антинейтрино от Земли в принципе возможна, однако методы регистрации ещё не разработаны.
Столкновение протонов космических лучей с газом и реликтовыми фотонами может приводить к рождению заряженных я-мезонов, распад к-рых сопровождается испусканием H. (или антинейтрино). В этом механизме возможна генерация H. с энергиями вплоть до Ev = 1020 эв. Источником таких H. является атмосфера Земли, а также ядро и диск Галактики, где сосредоточена основная масса межзвёздного газа. H. от столкновения протонов сверхвысоких энергий с реликтовыми фотонами испускаются во всём мировом пространстве. Существует гипотеза, что H. сверхвысоких энергий являются причиной сверхмощных широких атмосферных ливней (см. Космические лучи).
Атмосфера Земли- пока единственный естеств. источник, от к-рого удалось зарегистрировать H. Рождаются H. в верхних слоях атмосферы, где генерируется наибольшее число -и К-мезонов. Впервые идея экспериментов с H. космич. лучей была высказана M. А. Марковым (1960). Было предложено регистрировать глубоко под землёй мюоны с энергией 10-100 Гэв от реакции + n -> p +-(**). Регистрируя мюоны из нижней полусферы Земли и под большими зенитными углами, можно избавиться от фона атмосферных мюонов и иметь чистые нейтринные события (**). Первые результаты получены в Индии и в Юж. Африке в 1965 с помощью спец. нейтринных телескопов (рис. 4). К 1973 мировая статистика насчитывала свыше сотни нейтринных событий.
Реакции термоядерного синтеза хим. элементов - осн. механизм генерации H. в недрах Солнца и большей части звёзд (в период их "ядерной" эволюции).
Сверхгорячая плазма служит источником H. в звёздах на завершающих этапах эволюции, а также в модели горячей Вселенной в первые доли секунды её возникновения. Возможны два вида ге-нерййии H. Первый связан с реакци |
