Нейтральные токи

Нейтра́льные то́ки в квантовой теории электрослабого взаимодействия, описывают переходы кварков и лептонов без изменения электрических зарядов (аналог электромагнитных токов). Представляют собой сумму лептонного и адронного (кваркового) токов, каждый из которых является смесью векторного и аксиального токов. Открыты в 1973 г. (ЦЕРН, Швейцария) при изучении процессов рассеяния нейтрино высоких энергий (>1 ГэВ) на нуклонах и электронах. Наряду с обычными процессами образования мюонов ${\displaystyle \mu ^{\pm }}$ при взаимодействии мюонных нейтрино ${\displaystyle \nu _{\mu }}$ и антинейтрино ${\displaystyle {\tilde {\nu }}_{\mu }}$ с нуклонами ${\displaystyle N}$, сопровождающимися заряженными токами (нейтральное нейтрино ${\displaystyle \nu _{\mu }}$ переходит в заряженный мюон ${\displaystyle \mu ^{-}}$), наблюдались безмюонные нейтринные процессы:

${\displaystyle \nu _{\mu }+{\text{N}}\rightarrow \nu _{\mu }+{\text{адроны,}}}$

${\displaystyle {\tilde {\nu }}_{\mu }+{\text{N}}\rightarrow {\tilde {\nu }}_{\mu }+{\text{адроны.}}}$

В теории слабого взаимодействия такой процесс обусловлен обменом нейтральным промежуточным векторным Z-бозоном между нейтральными нейтринным и адронным токами (рис. а) аналогично тому, как в теории электромагнитного взаимодействия процесс рассеяния электронов ${\displaystyle e^{-}}$ на нуклонах

${\displaystyle e^{-}+{\text{N}}\rightarrow e^{-}+{\text{адроны}}}$

обусловлен обменом фотоном между электронным и адронным токами.

Обмен Z-бозоном между электроном и атомным ядром приводит к нарушению сохранения чётности в атомных переходах. Однако этот чрезвычайно малый эффект маскируется намного более интенсивным электромагнитным взаимодействием, сохраняющим чётность. Эффекты несохранения чётности впервые наблюдались в 1978 г.

Процессы рассеяния нейтрино на электронах (рис. б)

${\displaystyle \nu _{e}+e^{-}\rightarrow \nu _{e}+e^{-}}$,

${\displaystyle \nu _{\mu }+e^{-}\rightarrow \nu _{\mu }+e^{-}}$

обусловлены обменом Z-бозоном между нейтринным и электронным слабыми нейтральными токами. Такие процессы также наблюдались экспериментально; их сечения приблизительно в 10⁴ раз меньше сечений процессов, приведённых на рис. а.

Существует понятие недиагональных нейтральных токов. Оно относится к процессам, при которых изменяются квантовые числа адронов и лептонов без изменения их электрического заряда. Примером такого процесса является распад долгоживущего нейтрального ${\displaystyle K^{0}}$-мезона (${\displaystyle K_{L}}$) на мюонную пару: ${\displaystyle K_{L}\rightarrow \mu ^{+}\mu ^{-}}$, в котором странность изменяется на единицу. Вероятность таких процессов весьма мала (около 10^–8 ). Процессы с нейтральными токами, недиагональными по лептонам, на опыте не наблюдались. Сильная подавленность на опыте адронного и отсутствие лептонного недиагональных нейтральных токов сильно ограничивают вид взаимодействий и спектр масс лептонов и кварков.