Strona głównaPytania → Jak przebiega zderzenie protonu z...

Jak przebiega zderzenie protonu z antyneutrinem?

Pytanie

Pyta Damian

Podczas zderzenia protonu z antyneutrinem elektronowym powstaje neutron i pozyton. Reakcję powinno zapoczątkować antyneutrino elektronowe, które spowodowałoby oddziaływanie kwarku górnego protonu z wirtualnym bozonem W. Następnie dodatni bozon W rozpada się na pozyton i neutrino elektronowe. W wyniku reakcji zderzenia antyneutrina elektronowego z protonem powstaje neutron i pozyton, a neutrino elektronowe wyemitowane przez bozon W znika, co oznacza, że antyneutrino elektronowe które rozpoczęło reakcje, przetrwało ją i anihilowało z neutrinem elektronowym wyemitowanym przez bozon W. Czy w rzeczywistości, poza obliczeniami, mogło dojść do takiej anihilacji? Jeśli tak, to czy zostały kiedykolwiek zaobserwowane lub przewidziane skutki anihilacji tych dwóch neutrin ? Logicznie po zderzeniu powinny ulec przekształceniu w fotony, czyli zgodnie z ich bardzo mała masą, w fale radiowe?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Przedstawiony w pytaniu opis procesu nie jest poprawny. Prawdą jest, że w stanie początkowym mamy proton $p$ i antyneutrino elektronowe $\bar\nu_e$, a w stanie końcowym – neutron $n$ i pozyton $e^+$. Prawdą jest też, że oddziaływanie zachodzi dzięki wirtualnemu naładowanemu bozonowi $W^*$ (gwiazdka oznacza, że jest on wirtualny). W bardzo dobrym przybliżeniu możemy nasz proces opisać poprzez dwa oddziaływania punktowe: bozonu $W^*$ z pozytonem i antyneutrinem, oraz bozonu $W^*$ z kwarkiem $u$ i kwarkiem $d$. Kolejność czasowa tych oddziaływań nie jest jednak ustalona. Obliczając prawdopodobieństwo procesu bierzemy efektywnie pod uwagę zarówno taką kolejność zdarzeń:

$\bar\nu_e \to e^+ W^{-*},~~~$ a potem $~~~u W^{-*} \to d$,

jak i taką:

$u \to d W^{+*},~~~$ a potem $~~~\bar\nu_e W^{+*} \to e^+$.

W żadnym wypadku nie musimy brać pod uwagę anihilacji neutrino-antyneutrino.

Anihilacja neutrino-antyneutrino jest teoretycznie możliwa, ale nie była nigdy dotąd obserwowana ze względu na bardzo małe prawdopodobieństwo takiego procesu w dostępnych nam warunkach eksperymentalnych. Końcowe produkty takiej reakcji zależałyby od energii całkowitej układu neutrino-antyneutrino w układzie ich środka masy. Ta energia nie musi być mała. Przykładowo, neutrina w wiązce wysyłanej z CERNu w kierunku detektora OPERA w Gran Sasso miały średnią energię około 17 GeV. Były to głównie neutrina mionowe, ale wśród nich znajdowało się około 2% antyneutrin mionowych. Gdybyśmy wysłali w przeciwnym kierunku analogiczną wiązkę, to teoretycznie byłaby możliwa anihilacja neutrino-antyneutrino z energią ponad 30 GeV w układzie środka masy. Produktami reakcji mogłyby być dowolne pary cząstka-antycząstka lub fotony o takiej sumarycznej energii całkowitej. Prawdopodobieństwo rozważanej anihilacji byłoby jednak znikomo małe.