Strona głównaPytania → Jaka jest różnica między neutrinami...

Jaka jest różnica między neutrinami i antyneutrinami?

Pytanie

Pyta Adrian

Natknąłem się na termin „antyneutrina”. Jaka jest różnica między neutrinami i antyneutrinami? Czy jest to zależność na zasadzie materia-antymateria?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Podział na materię i antymaterię w sektorze neutrin zależy od tego, jaki charakter mają masy neutrin: typu Diraca czy typu Majorany. Dotychczas wykonane doświadczenia nie umożliwiają stwierdzenia, który z tych dwóch przypadków jest realizowany w Naturze. Masy neutrin są bardzo małe. Fakt, że mają niezerowe wartości, stwierdzamy jedynie na podstawie obserwacji tzw. oscylacji neutrin w dedykowanych temu zjawisku eksperymentach. Wszystkie inne eksperymenty z udziałem neutrin można by wyjaśnić przy założeniu, że masy neutrin są równe zero.

Załóżmy początkowo dla uproszczenia, że nic nie wiemy o oscylacjach neutrin, i możemy przyjąć, że mają one zerowe masy. Pola neutrinowe występują w Modelu Standardowym jako partnerzy naładowanych leptonów (elektronu, mionu i taonu) w dubletach $SU(2)$. Nazywamy je polami neutrin elektronowego, mionowego i taonowego. Każde z nich opisuje dwie fizyczne cząstki o spinie $\frac12$: neutrino oraz antyneutrino. Cząstki te poruszają się zawsze z prędkością światła, gdyż ich masy są równe zero. Neutrino jest lewoskrętne, tj. rzut jego spinu na kierunek wektora prędkości jest zawsze ujemny. Antyneutrino jest prawoskrętne – odpowiedni rzut jest dodatni.

Swobodny neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Swobodny antyneutron rozpada się na antyproton, pozyton i neutrino elektronowe. Jednym ze sposobów rozpadu masywnego bozonu $Z$ jest rozpad na parę neutrino-antyneutrino któregokolwiek z trzech rodzajów: elektronowego, mionowego lub taonowego.

W teoriach oddziaływać silnych i elektromagnetycznych związek między materią i antymaterią określany jest przez operację tzw. sprzężenia ładunkowego $C$. Transformacja ta w działaniu np. na elektron zamienia go na pozyton o tym samym rzucie spinu na dowolnie wybraną oś. Znamy też inną transformację nazywaną operacją parzystości $P$, i polegającą na odbiciu wszystkiego względem początku układu współrzędnych. Śruby prawoskrętne zamieniają się na śruby lewoskrętne. Elektron o pędzie $p$ zamienia się na elektron o pędzie $(-p)$ i tym samym rzucie spinu na dowolnie wybraną oś. Transformacja $CP$ jest złożeniem transformacji $C$ i $P$.

Neutrino o pędzie $p$ i odpowiadające mu antyneutrino o pędzie $(-p)$ powiązane są transformacją $CP$.

Przejdźmy teraz do przypadku, gdy neutrina mają niezerowe masy. Cząstki te oddziałują wyłącznie przez oddziaływania słabe, które, w przeciwieństwie do silnych i elektromagnetycznych, nie są niezmiennicze ze względu na transformację sprzężenia ładunkowego $C$. Definiujemy tę transformację dla neutrin w taki sposób, aby przynajmniej opis cząstek nieoddziałujących (tzw. część swobodna lagranżjanu) był względem niej niezmienniczy.

Teorię, w której neutrina mają masy typu Diraca konstruujemy przez uzupełnienie Modelu Standardowego o dodatkowe pola (nazywane polami neutrin sterylnych), które nie oddziałują ze znanymi cząstkami w żaden inny sposób, jak tylko poprzez bardzo małe sprzężenia Yukawy odpowiedzialne za generację mas neutrin. Fizyczne stany (anty)neutrin swobodnych są wtedy pewnymi kombinacjami (anty)neutrin oddziałujących elektrosłabo i (anty)neutrin sterylnych. Neutrina i antyneutrina są wzajemnie antycząstkiami. W granicy, gdy masa dąży do zera, oddziałujące elektrosłabo neutrino staje się antycząstką dla antyneutrina sterylnego, a oddziałujące elektrosłabo antyneutrino – antycząstką dla neutrina sterylnego.

Teorię, w której neutrina mają masy typu Majorany konstruujemy z tych samych pól, które występują w Modelu Standardowym, ale uwzględniamy dodatkowe oddziaływanie z polem Higgsa (tzw. operator wymiaru 5), które odpowiedzialne jest za generację mas neutrin. Fizyczne pola neutrin zapisujemy w postaci tzw. spinorów Majorany, które przechodzą same na siebie pod działaniem operacji sprzężenia ładunkowego. Przy takiej definicji sprzężenia ładunkowego każda z rozważanych cząstek jest antycząstką sama dla siebie, podobnie jak to się dzieje w przypadku fotonu, bozonu Z lub bozonu Higgsa. W granicy, gdy masa dąży do zera, ta interpretacja nie zmienia się – nadal neutrino i antyneutrino są oddzielnie antycząstkami same dla siebie, czyli relacja między nimi nie jest relacją materia-antymateria. Pozostają powiązane jedynie przez transformację CP.