Спиральность

Два состояния спиральности: спин вдоль или против направления импульса. Подписи на английском.
Два состояния спиральности: спин вдоль или против направления импульса. Подписи на английском.Фото: en:User;HEL, User:Stannered, Public domain, Wikimedia Commons

Спиральность описывает, как собственный момент импульса частицы соотносится с направлением её движения. У нейтрино она примечательна: все наблюдавшиеся нейтрино левые, все антинейтрино — правые.

Ни одна другая частица не обнаруживает такой односторонности.

Образ штопора

Каждая частица со спином имеет ось вращения. Если спин направлен по направлению движения, частицу называют правой; если против — левой.

Помогает штопор: правая резьба при вращении движется вперёд по часовой стрелке, левая — назад. Направление вращения и направление движения связаны.

У электронов обе возможности встречаются примерно одинаково часто. У нейтрино, по всей видимости, нет.

Шедевр Гольдхабера

В 1958 году Морис Гольдхабер, Ли Гродзинс и Эндрю Суньяр в Брукхейвенской национальной лаборатории определили спиральность нейтрино. Их установка и сегодня считается одним из изящнейших экспериментов ядерной физики.

Само нейтрино измерить нельзя. Поэтому они измеряли другое.

Возбуждённое ядро европия-152 захватывает электрон с самой внутренней оболочки. При этом возникают только две вещи: нейтрино и возбуждённое ядро самария, которое вскоре испускает гамма-квант. Поскольку больше ничего не возникает, момент импульса и импульс строго поделены между ними двумя.

Если гамма-квант летит в одну сторону, нейтрино должно было уйти в противоположную. А баланс момента импульса связывает поляризацию света со спиральностью нейтрино.

Второй уловкой был отбор. Только те гамма-кванты, которые летят точно навстречу нейтрино, несут полную энергию и способны резонансно рассеяться на самарии. Тем самым из всех испущенных квантов удавалось отфильтровать именно искомый сорт.

Поляризация анализировалась в намагниченном железе, где свет в зависимости от направления вращения поглощается с разной силой.

Результат: нейтрино — левые. Весь опыт обошёлся аппаратурой в несколько метров.

Связь с чётностью

Эта односторонность есть свойство природы, а не случайность установки.

Двумя годами ранее Цзянь-Шун У показала, что слабое взаимодействие различает левое и правое. Оно связывается только с левыми частицами и правыми античастицами.

Поскольку нейтрино проявляют себя единственно через эту силу, правых нейтрино в наблюдаемом мире попросту не встречается. Даже если бы они существовали, они были бы невидимы для любого детектора.

Почему масса всё усложняет

Пока нейтрино считали безмассовыми, картина была замкнутой. Безмассовая частица движется со скоростью света; её киральность одинакова для любого наблюдателя, потому что обогнать её никто не может.

У частицы с массой дело обстоит иначе. Она медленнее света, и достаточно быстрый наблюдатель мог бы её обогнать. Если смотреть спереди, направление движения обращается, а спин — нет: из левой она становится правой.

Осцилляции нейтрино доказывают наличие массы. Значит, правые состояния должны существовать. Только взаимодействуют они, очевидно, почти никак.

Два выхода

Дирак. Правые нейтрино — самостоятельные частицы, не участвующие ни в одной известной силе. Если они очень тяжелы, путь ведёт к механизму качелей.

Майорана. Нейтрино и антинейтрино — одна и та же частица в двух проявлениях; так предложил это в 1937 году Этторе Майорана.

Решить мог бы единственно безнейтринный двойной бета-распад. Он не найден.

Родственные понятия

Источники

  • M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar: Helicity of Neutrinos, Physical Review 109, 1015 (1958).