Oddziaływania słabe

Masy neutrin

W Modelu Standardowym neutrina i antyneutrina są jedynymi fermionami o masie równej zeru. Jest to zgodne z najprostszym wyjaśnieniem maksymalnego naruszenia parzystości obserwowanego np. w doświadczeniu C.S. Wu. Zgodnie z tym wyjaśnieniem, w przyrodzie istnieją tylko neutrina lewoskrętne oraz prawoskrętne antyneutrina. Do opisu neutrin (i antyneutrin) wystarczają wtedy trzy pola lewochiralne , oraz , występujące w dubletach (77) słabego izospinu. Ponieważ nie występują pola neutrin prawoskrętnych , masy neutrin nie mogą powstać w wyniku jedynego, dopuszczalnego przez warunek renormalizowalności teorii, oddziaływania z polem skalarnym w próżni (pokazanego na rysunku 37 tak, jak masy pozostałych fermionów. Taka interpretacja, zaproponowana jeszcze przez Landaua, była do niedawna całkowicie zgodna ze wszystkimi danymi doświadczalnymi.

Dodatkową konsekwencją takiego opisu neutrin jest oddzielne zachowywanie przez wszystkie oddziaływania opisywane Modelem Standardowym trzech liczb leptonowych: , i przypisanych w ten sposób, że np. , , , i zero dla wszystkich innych cząstek). Oczywiście zachowywana przez wszystkie oddziaływania jest też całkowita liczba leptonowa ( dla leptonów i dla antyleptonów). W przypadku kwarków, których stany oddziałujące elektrosłabo mieszają się dzięki niezerowym masom, zachowywana jest tylko całkowita liczba barionowa ( dla kwarków i dla antykwarków).

W ciągu ostatnich kilku lat nagromadziły się jednak dane doświadczalne świadczące o tym, że taki opis neutrin jest niepoprawny. Po pierwsze, systematyczne pomiary strumienia neutrin elektronowych przylatujących na Ziemię ze Słońca wykazują, że jest on mniej więcej o połowę mniejszy niż wynika to z oszacowań opartych o sprawdzony model reakcji jądrowych zachodzących w Słońcu. Po drugie, prowadzone przez kilka lat w detektorze Superkamiokande w Japonii pomiary strumienia neutrin mionowych i elektronowych powstających w górnych warstwach ziemskiej atmosfery również dają wyniki odbiegające od oczekiwań opartych na Modelu Standardowym. W atmosferze ziemskiej, wskutek oddziaływania z nią cząstek promieniowania kosmicznego powstaje m.in. dużo naładowanych pionów, z których następnie neutrina powstają w wyniku reakcji:

Na tej podstawie można by oczekiwać, że mierzony na powierzchni Ziemi stosunek liczby neutrin i antyneutrin mionowych do liczby neutrin i antyneutrin elektronowych powinien być mniej więcej równy 2. Pomiary pokazują jednak, że stosunek ten jest mniejszy od 2.

Najbardziej naturalnym wyjaśnieniem tych wyników doświadczalnych jest przemiana jednego rodzaju neutrin w inne w trakcie ich lotu od punktu ich produkcji do miejsca, w którym są rejestrowane. Przemiany takie, czyli oscylacje, najłatwiej zrozumieć jeśli przyjąć, że neutrina mają niezerowe masy (małe w porównaniu z masą elektronu). Jeśli bowiem neutrina są cząstkami o niezerowych masach, to, podobnie jak w przypadku kwarków, stany neutrinowe oddziałujące słabo: , i mogą być kombinacjami stanów neutrinowych o dobrze określonych masach. Prowadzi to do zjawiska oscylacji neutrin podobnego do omawianych wyżej oscylacji neutralnych mezonów . Dla uproszczenia rozpatrzmy tylko dwa rodzaje neutrin, np. i , będących kombinacjami neutrin i o określonych masach i :

[100]

W przykładowym doświadczeniu pokazanym na rysunku 43 neutrino lub antyneutrino - np. (lub ) - powstaje w jakimś procesie fizycznym, np. w reaktorze jądrowym lub w reakcji zachodzącej w gwieździe, razem z odpowiadającym mu naładowanym leptonem (który jest jego partnerem w dublecie słabego izospinu (77)). Ponieważ oddziałuje ono bardzo słabo z materią, może przebyć bardzo dużą (nawet w skali astronomicznej!) odległość i następnie jest rejestrowane w detektorze poprzez oddziaływanie z materią, w wyniku którego powstaje znów naładowany lepton. Jeśli jest to elektron (pozyton), orzekamy, że detektor zarejestrował neutrino (antyneutrino) elektronowe; jeśli jest to () - że neutrino mionowe. Przejście w jest możliwe dzięki mieszaniu (100), i jak wynika z rysunku 43, amplituda prawdopodobieństwa takiego przejścia jest proporcjonalna do . Prawdopodobieństwo przejścia zależy ponadto od energii neutrina , od odległości między punktem jego powstania i punktem detekcji oraz od różnicy kwadratów mas neutrin :

[101]

Prawdopodobieństwo to jest istotnie różne od zera (tzn. oscylacje są możliwe do wykrycia), gdy czynnik jest rzędu jedności. Wyjaśnienie wyników pomiarów docierających na Ziemię strumieni neutrin powstających w Słońcu i w ziemskiej atmosferze z neutrinami przez oscylację tych cząstek nakłada więc pewne warunki na możliwe wartości różnic kwadratów ich mas. Same masy neutrin nie są w ten sposób ograniczone, ale nie mogą być oczywiście większe niż ograniczenia nakładane przez obserwacje astrofizyczne (takie jak np. pomiar rozrzutu czasów przylotu neutrin powstałych w wybuchu supernowej 1987A) i rozważania kosmologiczne (wiążące masy neutrin np. z wielkością fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła, czy też z opisem formowania się wielkoskalowych struktur we wszechświecie) i/lub bezpośrednich pomiarów mas, tj. powinny być nie większe niż kilka elektronowoltów.

Rysunek 43. Proces odpowiedzialny za przejście neutrina elektronowego w mionowe

(aby obejrzeć powiększony rysunek, kliknij w miniaturkę)

Copyright © 1997-2024 Wydawnictwo Naukowe PWN SA
infolinia: 0 801 33 33 88