Антинейтрино
Антинейтрино — античастица нейтрино. Оно возникает всюду, где ядра испускают электроны в бета-распаде: в ядерных реакторах, в недрах Земли и в звёздах.
Исторически оно важнее из двух: первая регистрация нейтрино Коуэном и Райнесом была в действительности регистрацией антинейтрино.
Бухгалтерия лептонного числа
Различие заключено в одной сохраняющейся величине. Каждому лептону приписывают число +1, каждому антилептону −1. Во всех известных процессах сумма сохраняется.
При обычном бета-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Электрон несёт +1, антинейтрино −1; вместе нуль, как и до распада.
При распаде протона в составе ядра возникают позитрон и нейтрино: −1 и +1. Счёт снова сходится.
Это правило не выведено из более глубокого принципа. Это наблюдение — и именно потому оно интересно, ведь правила без обоснования падают первыми.
Практическое различие
Эта бухгалтерия имеет вполне осязаемые последствия для регистрации.
Антинейтрино способно превратить протон в нейтрон и позитрон — это обратный бета-распад. На нём основаны все реакторные эксперименты от Daya Bay до JUNO, и ему обязан своим существованием характерный двойной сигнал из двух вспышек света. Процесс имеет порог 1,8 мегаэлектронвольта; ниже энергии не хватает.
Нейтрино этого не может. Оно превращает вместо этого нейтрон в протон и электрон. Это тот процесс, который Реймонд Дэвис использовал в опыте Homestake, — и причина того, почему его хлорный бак откликался на солнечные нейтрино, но не на реакторные антинейтрино.
Дэвис проверил это особо: он поставил бак у реактора и не нашёл ничего. Образцовый отрицательный контроль — и вместе с тем свидетельство того, что различие реально, а не одна лишь бухгалтерия.
В чём состоит различие
У заряженных частиц различие бросается в глаза: позитрон несёт заряд, противоположный заряду электрона, и никакое измерение не могло бы их спутать.
У нейтрино заряда нет. То, что мы различаем как нейтрино и антинейтрино, измеримо различается единственно спиральностью — тем, направлен ли собственный момент импульса по направлению движения или против него.
И именно здесь больное место. У частицы с массой спиральность не есть абсолютное свойство. Достаточно быстрый наблюдатель мог бы обогнать частицу; если смотреть спереди, направление движения обращается, а спин — нет.
Поскольку осцилляции нейтрино доказывают наличие массы, различие, стало быть, зависит от наблюдателя — во всяком случае принципиально.
Открытый вопрос: Дирак или Майорана
Тем самым встаёт вопрос, который в 1937 году поставил Этторе Майорана: не являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей, которая лишь в зависимости от обстоятельств выглядит по-разному?
Такие частицы называют сегодня майорановскими. Противоположный замысел — обе как действительно различные состояния — называется дираковской частицей, по имени Поля Дирака, из уравнения которого первоначально следовало существование античастиц.
Решить этот вопрос можно было бы единственно через безнейтринный двойной бета-распад. Он возможен только в том случае, если Майорана был прав. Несмотря на десятилетия поисков, он не наблюдался.
Почему ответ был бы важен
Будь нейтрино майорановской частицей, лептонное число не было бы строго сохраняющейся величиной. Это открыло бы путь к механизму качелей, который мог бы объяснить, почему массы нейтрино столь ничтожны, — и через лептогенез к объяснению того, почему Вселенная состоит из материи, а не из ничего.
Таким образом, от вопроса, кажущегося техническим, зависит один из величайших открытых вопросов вообще.
Родственные понятия
- Нейтрино — сама частица
- Реакторные нейтрино — сильнейший искусственный источник
- Спиральность — единственное измеримое различие
- Двойной бета-распад — возможное доказательство
Источники
- E. Majorana: Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone, Il Nuovo Cimento 14, 171 (1937).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, раздел Neutrinos.