Различные типы нейтрино

Доказательство не тождественности нейтрино и антинейтрино

    Сразу же после открытия антинейтрино возник очевидный вопрос – тождественна ли открытая частица нейтрино или нет. Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда, теоретически не было исключено, что оно по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей. Такое нейтрино впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В противоположность этому типу, нейтрино, не являющееся истинно нейтральным, было названо «дираковским».
    Для выяснения этого вопроса Р. Дэвисом в 1955 г. был поставлен   эксперимент по регистрации реакции:

n + _e → p + e⁻  (1)

Если нейтрино и антинейтрино являются тождественными частицами, то эта реакция должна наблюдаться. Это следует из того, что имеют место реакция:

p + _e → n + e⁺  (2)

Обе реакции ((1) и (2)) при тождественности нейтрино и антинейтрино должны иметь одинаковые характерные для нейтрино (антинейтрино) сечения ≈ 10⁻⁴³ см².
     В качестве источника антинейтрино снова использовались реакторные антинейтрино. Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:

ν + ³⁷Cl → e⁻ + ³⁷Ar  (3)

    Если процесс (1) возможен, то под действием потока антинейтрино от реактора один из нейтронов, входящих в состав ядра ³⁷Cl, должен превращаться в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа ³⁷Ar с периодом полураспада 35.04 суток. Регистрируя радиоактивность изотопа, можно судить о возможности протекания реакции (1).
    Для регистрации процесса (3) необходимо было использовать большую массу мишени, так как в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, сечение реакции (3) должно мало. В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четыреххлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была разработана специальная методика извлечения радиоактивного изотопа ³⁷Ar из огромного объема мишени. Выделенный ³⁷Ar помещался затем в низкофоновый пропорциональный счетчик для регистрации его радиоактивности. Реакция (3) не была зарегистрирована. Для величины измеренного сечения реакции (1) была получена лишь верхняя оценка, равная:

σ(n + _e → p + e⁻ )  < 0.25·10^-44 см² << 10^-43 cм²

Данное значения почти в 45 раз меньше ожидаемой величины сечения реакции, которую ожидали получили, если бы нейтрино и антинейтрино были тождественными частицами.
    Таким образом, эксперимент доказал, что нейтрино и антинейтрино являются разными частицами. А.Р. Дэвис, продолжая свои эксперименты по детектированию нейтрино, через 11 лет создал первый в мире детектор для солнечных нейтрино, используя для детектирования ту же реакцию на аргоне.
    Другим более точным методом проверки тождественности нейтрино и антинейтрино является исследование реакций:

ν_e + N → e⁺ + X  (4)

ν_e + N → e⁻ + X  (5)

под действием нейтрино, образующихся при распаде K⁺-мезонов:

K⁺ → ν_e+ e⁺ + X  (6)

    В формулах (4, 5) N обозначает нуклоны – протоны или нейтроны, а X - совокупность всех остальных частиц, образующихся в реакциях. Если нейтрино и антинейтрино являются тождественными частицами, то при облучении нуклонов должно образовываться примерно одинаковое количество электронов и позитронов.
    События, вызванные реакциями (4) и (5) регистрировались с помощью пузырьковой камеры. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью, принцип действия которой основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы.
    Идентифицировались случаи реакции с электроном и позитроном в конечном состоянии. Оказалось, что при облучении пузырьковой камеры пучком нейтрино образуются только электроны. Позитроны не наблюдались. С помощью этого метода было показано, что перекрытие состояний <ν>_e|>_e составляет меньше десятых долей процента.

Рис. 6 Диаграмма Фейнмана для двойного безнейтринного бета-распада

   Наиболее точным методом, с помощью которого можно установить тождественность нейтрино и антинейтрино является наблюдение безнейтринного двойного бета-распада:

(A,Z) → (A,Z+2) + e⁺ + e⁻

    Нейтрино, образовавшееся при бета-распаде одного из нейтронов ядра (A,Z) взаимодействует с другим нейтроном образовавшегося ядра (A,Z+1). В результате такого процесса, который возможен только в случае, если нейтрино и антинейтрино тождественны, рождаются 2 электрона, а заряд ядра увеличивается на две единицы. Данный процесс лежит за рамками Стандартной Модели.
    Все попытки обнаружить безнейтринный двойной бета-распад пока окончились безрезультатно, что дало ограничение на перекрытие состояний:

<ν_e>|_e> < 10^-12.

      В настоящий момент готовится новый эксперимент - NEMO-3 (Neutrinoless Experiment with MOlybdenum) - по поиску безнейтринного двойного бета-распада, о котором будет рассказано ниже, который кроме того может дать ограничение на нижний порог массы электронного нейтрино.
    Подведем итоги. Электронное нейтрино всегда в конечном состоянии появляется в паре с позитроном, а электронное антинейтрино - в паре с электроном. При облучении нуклонов в пучке нейтрино в конечном состоянии всегда наблюдаются электроны. Если реакция происходит под действием антинейтрино, среди продуктов реакции всегда присутствуют позитроны, и никогда не наблюдаются электроны.
     Различие в свойствах нейтрино и антинейтрино можно описать, если ввести квантовое число - электронный лептонный заряд L_e, приписав электрону и электронному нейтрино значение L_e = +1, а их античастицам − позитрону и электронному антинейтрино − L_e = -1 и постулируя закон сохранения лептонного заряда (числа). Это было сделано в 1955 г. Из закона сохранения лептонного числа следует, какие реакции с участием нейтрино возможны, а какие запрещены.

Мюонное нейтрино

    Мюонное нейтрино было открыто в 1961 году в эксперименте на протонном синхротроне с переменным градиентом AGS (Alternating Gradient Synchrotron) в Брукхейвенской лаборатории, США. Это событие стало возможным благодаря возможности получения пучков высокоэнергетичных нейтрино на ускорителе.
    После экспериментов Райнеса и Коэна по наблюдению антинейтрино, образующихся при β-распаде, существование этой частицы сомнения не вызывало. Однако были обнаружены нейтрино, образующиеся и в других процессах, и, в частности, при распаде π-мезонов.

π^± → μ^± + ν_μ(_μ)

Поэтому возник вопрос − тождественны ли нейтрино, образующееся при распаде π-мезонов, и нейтрино, образующееся при β-распаде.
    Были и другие проблемы, связанные с нейтрино. Был предсказан ряд процессов, которые в действительности не происходили. Типичный пример таких ненаблюдаемых процессов - так называемый радиационный распад мюона, т.е. испускание мюоном электрона и фотона:

μ⁻ → e⁻ + γ

В течение долгого времени физики безуспешно пытались обнаружить этот процесс. Что же запрещает мюону превращаться в электрон и фотон?
    Для объяснения этого факта можно ввести новый закон сохранения некого заряда. Например, мы знаем, что нуклоны - протоны и нейтроны - никогда не распадаются только на "легкие частицы". Это позволяет утверждать, что нуклон имеет так называемый барионный заряд, а никакая комбинация легких частиц барионного заряда не имеет.
    Сразу возникает подозрение, что процессы типа распада мюона на электрон и фотон, которые ожидались теоретически, но в действительности не происходят, запрещены законом сохранения некоторого до сих пор неизвестного заряда, скажем, "мюонного" заряда, характерного для мюона, но не для электрона. Здесь следует напомнить, что фотон - истинно нейтральная частица и не имеет никаких зарядов.
    Однако имеется один процесс - распад мюона, в котором мюон и электрон участвуют совместно. Такой процесс состоит в испускании мюоном электрона совместно с двумя разными частицами ничтожно малой массы, о чем свидетельствуют экспериментальные исследования формы спектра электронов в этом процессе. На этом основании первоначально считали, что μ⁺ -распад идет по схеме:

 μ⁺→ e⁺ + ν +

    Но такая схема трудно совместима с предположением о существовании мюонного заряда, запрещающего переход мюона в электрон и фотон. Ведь пара, по определению частицы и античастицы, не имеет никаких зарядов, как и фотон, так что в описанной схеме мюонный заряд, если он существует, не сохраняется.

    Тогда можно предположить, что имеются два сорта пар нейтрино-антинейтрино: "мюонные" и "электронные". При этом они отличаются друг от друга тем, что у "мюонных" нейтрино ν_μ (но не у "электронных" ν_e) имеется мюонный заряд. В этом случае распад мюона может происходить по схеме:

μ⁺→ e⁺ + ν_e + _μ,

где происходит сохранение как мюонного, так и электронного заряда, поскольку разница зарядов мюона и электрона, так сказать, компенсируется разницей зарядов испускаемых нейтрино.
    Все приведенные выше аргументы заставили в 1957 г. М. А. Маркова, а также параллельно ему
Ю. Швингера и К. Нишиджима высказать предположение о существовании двух типов нейтрино. Существование двух типов нейтрино означало бы, что нейтрино, участвующие в разных реакциях совместно с электроном, отличаются от нейтрино, участвующих в реакциях совместно с мюоном.

Рис. 7. Наиболее вероятные каналы распада пиона

    Схема опыта по доказательству тождественности или не тождественности этих 2 типов нейтрино похожа на доказательство различия нейтрино и антинейтрино. В качестве источника мюонных нейтрино можно использовать реакцию распада пиона. В данном процессе вероятность распада по мюонному каналу в 1000 раз больше, чем по электронному (почему так происходит – будет объяснено позже).
    В опытах Л. Ледермана, М. Шварца и
Дж. Стейнбергера в 1962 году было показано, что нейтрино, образующиеся при распаде π-мезона, не является электронным. Нейтрино, образующиеся при распаде π-мезона, были названы мюонными нейтрино, т.к. они всегда образуются совместно с мюоном.
    В результате взаимодействия пучка протонов с энергией 15 ГэВ с бериллиевой мишенью в большом количестве образуются вторичные π⁺ и π^--мезоны. Детектирование π⁺ и π^--мезонов осуществлялось с помощью черенковских счетчиков. Мюонные нейтрино образовывались в результате последующего распада π⁺ и π^--мезонов:

π⁺ → μ⁺ + ν_μ,    π⁻ → μ⁻ + _μ

    Схема этого эксперимента представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Схема установки в эксперименте Л. Ледермана, М. Шварца и Дж. Стейнбергера

    На пролетном расстоянии l = 20 м между черенковским счетчиком и железной защитной стеной происходил распад π-мезонов. Все частицы, кроме нейтрино, поглощались в защитной стене. Интенсивность фона адронов при этом уменьшалась примерно на 20 порядков. Взаимодействия с нейтронами и протонами регистрировались в детекторе, состоящем из набора искровых камер, каждая из которых состояла из 9 алюминиевых пластин размером ~110 см х 110 см и толщиной 2.5 см. Зазор между пластинами составлял ~1 см. Между искровыми камерами располагались сцинтилляционные счетчики, регистрирующие появление заряженной частицы в детекторе. При появлении в детекторе заряженной частицы подавался импульс высокого напряжения на искровые камеры. Тип заряженной частицы (мюон или электрон) определялся по характеру искрового пробоя в искровых камерах. Общая масса нейтринного детектора составляла ~10 тонн.

_μ + p → μ⁺ + n       ν_μ + n → e⁻ + p

 ν_μ + n → μ⁻ + p(*)        ν_μ + p → e⁺ + n(**)

    В результате этих экспериментов было показано, что при взаимодействии нейтрино, образующихся при распаде π-мезонов, с протонами и нейтронами, наблюдаются только мюоны (*), и не было обнаружено ни одного случая образования электронов или позитронов (**). А если бы мюонные и электронные нейтрино были тождественными частица, то реакции (*) и (**) происходили бы с равной вероятностью.
    В 1988 г. Л. Ледерману, М. Шварцу, Дж. Стейнбергеру была присуждена Нобелевская премия за изобретение метода нейтринного пучка и демонстрацию дублетной структуры лептонов в результате открытия мюонного нейтрино.

Рис. 9. М. Шварц, Дж. Стейнбергер, Л.М. Ледерман,

    В 1964-67 гг. в аналогичных опытах было установлено, что  ν_μ при столкновении с ядрами рождает μ⁻ и не рождает μ⁺, т. е. мюонные нейтрино и антинейтрино также не тождественны. Все это позволило ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число L_μ.

Тау-нейтрино

    До 1975 года было известно лишь 2 типа нейтрино: электронное и мюонное. А в 1975 году на коллайдере SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) в лаборатории SLAC (Стэнфордского центра линейного ускорителя) (США) группой под руководством Мартина Перла был открыт τ-лептон. Это привело к введению 3-го лептонного квантового числа L_τ. За данное открытие Мартин Перл получил Нобелевскую премию в 1995 году.
    Эксперименты, проведенные в 1989 году в Стэнфорде и в CERN, показали, что могут существовать только три вида нейтрино, представляющих полный набор частиц этого класса: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.
    Однако соответствующее таону тау-нейтрино впервые наблюдалось лишь в 2000 г. в лаборатории имени Ферми (США) на детекторе DONUT (Direct Observation of the NU Tau). Такая временная задержка объясняется большими энергиями сталкивающихся частиц, необходимых для образования данного типа нейтрино. Эксперимент был начат в 1997 году усилиями ученых из США, Японии, Кореи и Греции на крупнейшем ускорителе Tevatron.
    Для получения тау-нейтрино пучок протонов направлялся на вольфрамовую мишень. Одним из продуктов взаимодействия протонов с ядрами вольфрама являются тау-лептоны, которые вскоре претерпевают распад с образованием тау-нейтрино. Для отсечения всех «побочных» частиц, образующихся в мишени, в опыте использовалось магнитное поле и защитный блок.  На рисунке изображена схема получения пучка тау-нейтрино:

Рис. 10. Схема получения пучка тау-нейтрино в эксперименте по обнаружению тау-нейтрино на детекторе DONUT

    Для детектирования использовались реакции, аналогичные реакциям детектирования других типов нейтрино:

_τ + p → τ⁺ + n,    τ_τ + n → τ⁻ + p

    Нейтринный детектор DONUT  состоял из железных пластин, между которыми располагались слои фотоэмульсии. В результате взаимодействия  с железом образовывались тау-лептоны, которые оставляли в фотоэмульсии след ~ 1 мм.
    По словам участника эксперимента Байрона Лундберга (Byron Lundberg), детектирование тау-нейтрино можно сравнить поиском иголки в стоге сена: в общей сложности было зарегистрировано шесть миллионов (6·10⁶) потенциальных взаимодействий частиц. Проанализировав сигналы от различных элементов 15-метрового детектора, ученые отобрали лишь около тысячи событий-претендентов. И только 4 из них были признаны подлинными свидетельствами существования тау-нейтрино.

Рис. 11.  Принцип детектирования тау-нейтрино в детекторе DONUT

         
Рис. 12 Общая схема детектора DONUT

Лептонные числа нейтрино. 3 поколения нейтрино

    После открытия тау-нейтрино можно с уверенностью утверждать, что нейтрино и соответствующие им заряженные лептоны образуют (вместе с кварками) 3 поколения фундаментальных фермионов.

    Каждому поколению лептонов соответствует свое ненулевое лептонное квантовое число – заряд: электронный, мюонный и таонный. Лептонный заряд частицы принят за (+1), соответствующей ей античастицы – (-1).