Тождественны ли нейтрино и антинейтрино?

    Р. Дэвисом в 1955 г. был поставлен эксперимент по регистрации нейтрино от атомного реактора. Для этого он использовал метод, предложенный в 1946 г. Б. Понтекорво. Идея его заключалась в следующем. Ядра ³⁷Ar испытывают e-захват, т.е. один из протонов, входящих в состав ядра ³⁷Ar превращается в нейтрон

Обратная реакция

должна иметь то же сечение. Измеряя количество образующихся радиоактивных ядер ³⁷Ar (T_1/2 = 35.04 дня), можно оценить потоки нейтрино.
    Если нейтрино образующееся в атомном реакторе в результате β^--распадов осколков деления (в которых один из нейтроны превращаются в протоны) тождественны нейтрино e-захвата, реакция (2) должна наблюдаться, и сечение ее должно быть ~10^-43 см².
    Для регистрации процесса (2) необходимо было использовать большую массу мишени, т.к. по оценкам в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, сечение реакции должно было составлять ~0.9·10^-43 см². В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четырехлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была разработана специальная методика извлечения изотопа ³⁷Ar из огромного объема мишени. Выделенный аргон помещался затем в низкофоновый счетчик для регистрации его радиоактивности.
    Для величины измеренного экспериментального сечения была получена верхняя оценка

σ_эксп < 0.25·10^-44 см²,

что почти в 45 раз меньше, чем ожидалось увидеть, если бы нейтрино ν_e, образующееся в результате β⁺-распада и e-захвата, и антинейтрино _e, образующееся в результате β⁻-распада, были бы тождественными частицами.
    Таким образом, из опыта Дэвиса следовало, что ν_e и _e разные частицы.
    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, античастицам позитрону и электронному антинейтрино приписав L_e = -1 и постулируя закон сохранения лептонного заряда (числа). Из закона сохранения лептонного числа следует какие реакции с участием нейтрино возможны, а какие запрещены.

    Другим более точным методом проверки тождественности _e и _e является исследование реакций

под действием нейтрино, образующихся при распаде K⁺-мезонов

K⁺ → e⁺ν_eπ⁰.

X - совокупность всех остальных частиц, образующихся в реакциях (3) и (4). Если нейтрино и антинейтрино являются тождественными частицами, то при облучении нуклонов должно образовываться примерно одинаковое количество электронов и позитронов.
    События, вызванные реакциями (3) и (4) регистрировались с помощью пузырьковой камеры. 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.
    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.
    Все попытки обнаружить безнейтринный двойной бета-распад пока окончились безрезультатно, что дало ограничение на перекрытие состояний

|<_e|_e>| < 10^-12.

    В готовящемся эксперименте NEMO-3 по поиску безнейтринного двойного бета-распада используется 20 м² фольги, изготовленной из 10 кг молибдена, обогащенного изотопом ¹⁰⁰Mo. Установка позволит достичь чувствительности по периоду полураспада предполагаемого безнейтринного двойного бета-распада в 10²⁵ лет. Это позволит определить массу нейтрино на уровне 0.1 эВ.
    Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что электронное нейтрино и электронное антинейтрино являются различными частицами. 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 еще одно внутреннее квантовое число - электронный лептонный заряд L_e, приписав электрону и электронному нейтрино значение L_e = +1, античастицам позитрону и электронному антинейтрино приписав L_e = -1 и постулировав закон сохранения лептонного заряда (числа). Из закона сохранения лептонного числа следует какие реакции с участием нейтрино возможны, а какие запрещены.

16.11.15