Как известно, нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях. Процесс
создания единой теории, описывающей слабые взаимодействия, затянувшийся на много
лет, привел в конечном итоге к созданию единой теорию электрослабых
взаимодействий. Но вместе с тем этот процесс не может считаться законченным, это
очевидно особенно сейчас – в связи с подтверждением существования нейтринных
осцилляций.
Можно
отметить, что хотя слабое взаимодействие ответственно не только за бета-распад,
но и за μ-распад и μ-захват, π-распад, распад гиперона,
K-распады и т.д. первоначально при изучении слабого взаимодействия
физиками рассматривались разнообразные реакции бета-распада.
Как уже было
сказано в главе «Предпосылки к открытию нейтрино» первая
теория слабых взаимодействий была предложена Ферми в 1934 году. Он добавил в
гамильтониан, описывающий бета-распад, энергию возмущения. Паули показал в 1933
году, что для сохранения релятивистской инвариантности гамильтониана возмущение
может быть представлено только в одной из 5 форм: скаляр S, псевдоскаляр P, вектор V, псевдовектор (axial vector)
A и тензор T - либо в их комбинации. В своей
теории Ферми предположил по аналогии с электромагнитными силами, что возмущение
записывается в виде вектора. Согласно этой теории для бета-распад разрешен
только если e
+ ν
= 0, где
S – спин частиц (разрешенный переход Ферми). В 1936 году
Гамов и
Теллер модифицировали теорию Ферми, добавив еще один возможный переход:
e
+ ν
= 1 (разрешенный
переход Гамова-Теллера). Это привело к
тому, что возмущение в гамильтониане должно было иметь компонент, содержащий
псевдовектор или тензор.
Фирц в 1937
г. в своей работе показал, что для одновременного присутствия S и V компонент взаимодействия в
возмущении, также как и одновременного присутствия A и
T необходимо, чтобы в спектре бета-распада существовал
интерференционный терм вида 1-a/W, где W – энергия электрона.
Эксперименты не показали наличие такой особенности в спектре бета-электронов.
Дальнейшие эксперименты по наблюдению зависимости угла между направлением
движения ядра распада и вылетающим электроном и энергией электрона, а
также зависимости энергии электрона от угла между ядром и электроном позволили в
1957 году Сударшану и
Маршаку, а также
Фейнману и
Гелл-Манну создать
универсальную теорию слабых взаимодействий. Согласно этой теории слабое
взаимодействие описывается комбинацией V-A. Созданная теория позволяла
описать не только процесс бета-распада, но и распад мю-мезона с теми же
константами взаимодействия, а также не противоречила подтвержденному на тот
момент несохранению четности в слабых взаимодействиях. Нужно заметить, что
несохранение четности сделало недействительным условие Фирца, но это условие тем
не менее сыграло свою довольно важную роль в становлении теории.
Несохранение
четности требовало модификации гамильтониана бета-распада, который имел общий
вид: H = C(p,n) (e,νe),
где С- константа, (p,n) – член,
состоящий из волновых функций нуклонов, (e,νe)
– из волновых функций лептонов. В новой теории, так как четность является
неопределенной, то вероятность бета-распада меняется при операции зеркального
отражения пространства, то выражение должно быть переписано:
H = (p,n){C(e,νe)
+ C'(e,νe)'},
где степень не
сохранения четности определяется отношением:
C'/C
[-1,1].
В частности,
согласно в двухкомпонентной теории спирального нейтрино
C'/C = +1,
что означает
100%-ю поляризацию нейтрино.
Электрослабое взаимодействие – единая теория слабого и электромагнитного
взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя
частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми
промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие).
В 1982-83
годах Карл Руббиа открыл промежуточные бозоны W+
,W– и Z0 на ускорителе SPS в европейском научном
центре CERN. Массы покоя этих частиц оказались очень большими, больше
80 ГэВ.
(Ответственный за электромагнитные взаимодействия гамма-квант также является
промежуточным бозоном, но, в отличие от W+ ,W– и Z0
его масса покоя 0). Эксперимент подтвердил, таким образом, внутреннее единство
процессов электромагнитного и слабого взаимодействия. Была создана единая теория
электрослабых взаимодействий.
Таким
образом, несмотря на то, что стандартная электрослабая модель хорошо описывает
электромагнитные и слабые взаимодействия и блестяще соответствует большому числу
экспериментов, в ней присутствует ряд недостатков. Она имеет множество
параметров, не объясненных теоретически и определенных из экспериментов.
Принципиальным недостатком модели, не позволяющем ей стать полноценной теорией,
является простое постулирование ряда законов сохранения, в частности, сохранения
лептонных зарядов, не выводя их из некого базового принципа.
Сечение взаимодействия нейтрино
Величину полного сечения взаимодействия мюонных нейтрино посредством заряженных
токов можно получить общив и усреднив экспериментальные результаты, полученные
из ускорительных нейтринных экспериментов. Использование данных из экспериментов
на ускорителях объясняется тем, что в этом случае достаточно точно известны
значения энергии и величины потока используемых нейтрино. Результаты проведенных
ускорительных экспериментов: CCFR,
CDHSW, GGM, BEBC, IHEP-ITEP, SKAT, CRS, ANL, BNL, CHARM, изображены на одном рисунке (см. рис. Х). На графике
показана зависимость сечения на единицу энергии от энергии, а также усредненные
значения этой величины для нейтрино и антинейтрино в разных экспериментах.
Рис. 1. Сечение взаимодействия мюонного
нейтрино и антинейтрино в реакциях с заряженным током. Пунктиром показаны
средние значения сечений взаимодействия.
Таким
образом, среднее значение взаимодействия для мюонного нейтрино равно
e
+ 
[-1,1].
