Мюонное нейтрино. 
История нейтринной физики

Мюонное нейтрино было открыто в 1961 году в эксперименте на протонном синхротроне с переменным градиентом AGS (Alternating Gradient Synchrotron) в Брукхейвенской лаборатории, США. Это событие стало возможным благодаря возможности получения пучков высокоэнергетичных нейтрино на ускорителе.

После экспериментов Райнеса и Коэна по наблюдению антинейтрино, образующихся при в-распаде, существование этой частицы сомнения не вызывало. Однако были обнаружены нейтрино, образующиеся и в других процессах, и, в частности, при распаде р-мезонов.

Поэтому возник вопрос — тождественны ли нейтрино, образующееся при распаде р-мезонов, и нейтрино, образующееся при в-распаде.

Были и другие проблемы, связанные с нейтрино. Был предсказан ряд процессов, которые в действительности не происходили. Типичный пример таких ненаблюдаемых процессов — так называемый радиационный распад мюона, т. е. испускание мюоном электрона и фотона.

В течение долгого времени физики безуспешно пытались обнаружить этот процесс. Что же запрещает мюону превращаться в электрон и фотон?

Для объяснения этого факта можно ввести новый закон сохранения некого заряда. Например, мы знаем, что нуклоны — протоны и нейтроны — никогда не распадаются только на «легкие частицы». Это позволяет утверждать, что нуклон имеет так называемый барионный заряд, а никакая комбинация легких частиц барионного заряда не имеет.

Сразу возникает подозрение, что процессы типа распада мюона на электрон и фотон, которые ожидались теоретически, но в действительности не происходят, запрещены законом сохранения некоторого до сих пор неизвестного заряда, скажем, «мюонного» заряда, характерного для мюона, но не для электрона. Здесь следует напомнить, что фотон — истинно нейтральная частица и не имеет никаких зарядов.

Однако имеется один процесс — распад мюона, в котором мюон и электрон участвуют совместно. Такой процесс состоит в испускании мюоном электрона совместно с двумя разными частицами ничтожно малой массы, о чем свидетельствуют экспериментальные исследования формы спектра электронов в этом процессе:

Но такая схема трудно совместима с предположением о существовании мюонного заряда, запрещающего переход мюона в электрон и фотон. Ведь пара, по определению частицы и античастицы, не имеет никаких зарядов, как и фотон, так что в описанной схеме мюонный заряд, если он существует, не сохраняется.

Тогда можно предположить, что имеются два сорта пар нейтрино-антинейтрино: «мюонные» и «электронные». При этом они отличаются друг от друга тем, что у «мюонных» нейтрино (но не у «электронных») имеется мюонный заряд.

Все приведенные выше аргументы заставили в 1957 г. М. А. Маркова, а также параллельно ему Ю. Швингера и К. Нишиджима высказать предположение о существовании двух типов нейтрино. Существование двух типов нейтрино означало бы, что нейтрино, участвующие в разных реакциях совместно с электроном, отличаются от нейтрино, участвующих в реакциях совместно с мюоном.

Схема опыта по доказательству тождественности или не тождественности этих 2 типов нейтрино похожа на доказательство различия нейтрино и антинейтрино. В качестве источника мюонных нейтрино можно использовать реакцию распада пиона.

В опытах Л. Ледермана, М. Шварца и Дж. Стейнбергера в 1962 году было показано, что нейтрино, образующиеся при распаде р-мезона, не является электронным. Нейтрино, образующиеся при распаде р-мезона, были названы мюонными нейтрино, так как они всегда образуются совместно с мюоном.

В результате взаимодействия пучка протонов с энергией 15 ГэВ с бериллиевой мишенью в большом количестве образуются вторичные р+ и р—мезоны. Детектирование р+ и р—мезонов осуществлялось с помощью черенковских счетчиков.

Схема этого эксперимента представлена на рисунке 7.

В результате этих экспериментов было показано, что при взаимодействии нейтрино, образующихся при распаде р-мезонов, с протонами и нейтронами, наблюдаются только мюоны, и не было обнаружено ни одного случая образования электронов или позитронов. А если бы мюонные и электронные нейтрино были тождественными частица, то реакции мюоны и электроны наблюдались бы с равной вероятностью.

В 1988 г. Л. Ледерману, М. Шварцу, Дж. Стейнбергеру была присуждена Нобелевская премия за изобретение метода нейтринного пучка и демонстрацию дублетной структуры лептонов в результате открытия мюонного нейтрино.

Рис. 8. Л. Ледерман, М. Шварц, Дж. Стейнбергер

В 1964;67 гг. в аналогичных опытах было установлено, что мюонные нейтрино и антинейтрино также не тождественны. Все это позволило ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число — мюонное.