中性電流

弱い中性カレント相互作用は、素粒子が弱い力によって相互作用する方法の 1 つです。これらの相互作用はZ ボソンによって媒介されます。弱い中性カレントの発見は、電磁気学と弱い力を電弱力に統合するための重要な一歩であり、W ボソンと Z ボソンの発見につながりました。

弱い力は原子核崩壊における役割で最もよく知られています。その範囲は非常に短いですが、（重力を除けば）ニュートリノと相互作用する唯一の力です。他の素原子力と同様に、弱い力は交換粒子を介して媒介されます。おそらく、弱い力の交換粒子の中で最もよく知られているのは、ベータ崩壊に関与するW 粒子です。W 粒子は電荷を持ちます。W 粒子には正と負の両方があります。ただし、Z ボソンも弱い力の交換粒子ですが、電荷を持ちませ ん。

Z粒子の交換は運動量、スピン、エネルギーを伝達しますが、相互作用する粒子の量子数（電荷、フレーバー、重粒子数、レプトン数など）は影響を受けません。電荷の移動は伴わないため、Z粒子の交換は「中性電流」というフレーズで「中性」と呼ばれます。ただし、ここでの「電流」という言葉は電気とは何の関係もありません。単にZ粒子の交換を指しています。^[1]

Z ボソンの中性電流相互作用は、弱電荷と呼ばれる導出量子数によって決定され、これはW ボソンとの相互作用に対して 弱アイソスピンと同様に機能します。

相互作用の名前の由来となった中性電流は、相互作用する粒子の電流です。

例えば、中性電流の寄与は
ν
_e
e⁻
→
ν
_e
e⁻
弾性散乱振幅は

${\displaystyle {\mathfrak {M}}^{\mathsf {NC}}~\propto ~J_{\mu }^{\mathsf {(NC)}}(\nu _{\mathrm {e} })\;J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(\mathrm {e^{-}} )\ ,}$

ここで、ニュートリノと電子の流れを記述する中性電流は次のように与えられる: ^[2]

${\displaystyle J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(f)={\bar {u}}_{f}\ \gamma ^{\mu }\ {\frac {1}{2}}\left(g_{\mathsf {V}}^{f}-g_{\mathsf {A}}^{f}\ \gamma ^{5}\right)\ u_{f}\ ,}$

ここで: ^[2]

${\displaystyle g_{\mathsf {V}}^{f}=T_{3}(f)-2\sin ^{2}\theta _{\mathsf {W}}\ Q(f)={\frac {1}{2}}\ Q_{\mathsf {W}}(f)}$

およびはフェルミオンのベクトルおよび軸結合で、フェルミオンはフェルミオンの弱アイソスピン、 Qはフェルミオンの電荷、弱電荷を表します。これらの結合は、ニュートリノの場合は基本的に左カイラル、荷電レプトンの場合は軸になります。 ${\displaystyle \ g_{\mathsf {A}}^{f}=T_{3}(f)\ }$ ${\displaystyle \ f~.}$ ${\displaystyle \ T_{3}\ }$${\displaystyle \ Q_{\mathsf {W}}\ }$

Z ボソンは、グルーオンと光子を除く標準モデルのあらゆる粒子と結合できます(ステライル ニュートリノも、存在すると判明したとしても例外になります)。ただし、仮想 Z ボソンの交換によって発生する可能性のある 2 つの荷電粒子間の相互作用は、仮想光子の交換によっても発生する可能性があります。相互作用する粒子のエネルギーが Z ボソンの質量 (91 GeV) と同程度かそれ以上でない限り、仮想 Z ボソンの交換は、電磁プロセスの振幅に対して わずかな補正効果しかありません。${\displaystyle \ (E/M_{\mathrm {Z} })^{2}\ ,}$

中性電流相互作用を観察し、Z ボソンの質量を測定するために必要なエネルギーを持つ粒子加速器は 1983 年まで利用できませんでした。

一方、ニュートリノが関与する Z ボソン相互作用には特徴的な特徴があります。これは、物質中におけるニュートリノの弾性散乱の唯一の既知のメカニズムを提供します。ニュートリノは、弾性散乱 (Z ボソン交換経由) と非弾性散乱 ( W ボソン交換経由) がほぼ同じくらい起こりやすく、これは、たとえばサドベリー ニュートリノ観測所の実験において重要な実験的意義があります。

弱い中性カレントは、アブドゥス・サラム、ジョン・クライヴ・ワード、シェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグが中心となって開発した電弱理論によって予測され、^{[3]その後まもなく、1973年に}欧州原子核研究機構（CERN）のガルガメル泡箱で行われたニュートリノ実験で確認されました。

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• 中性粒子振動
• 電流
• 量子色力学
• サドベリーニュートリノ観測所#中性カレント相互作用
• 弱い電荷

• 「弱い中性電流の発見」。CERN Courier。2004年 10 月 3 日。
• 「Gargamelle」。CERNパブリック Web。研究。2011 年 8 月 27 日にオリジナルからアーカイブ。2011年 8 月 27 日に取得。
• 「中性電流相互作用」ブリタニカ。
• Nave, R.「中性電流」。GSU。
• Nieves, J.; Valverde, M.; Vicente Vacas, MJ (2006). 「荷電ニュートリノおよび中性カレントニュートリノによる核子放出反応」(PDF) . Acta Physica Polonica B . 37 (8): 2295–2301. arXiv : hep-ph/0605221 . Bibcode :2006AcPPB..37.2295N. 2012年1月21日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• 「ガルガメル」。Symmetry Magazine。2009-07-07。
• フレイザー、ゴードン (1998 年 11 月 3 日)。「中性電流の 25 年間」。CERN Courier。27904。ゴードン フレイザーは、中性電流の存在の確認が物理学の新しい理解をもたらした経緯を振り返ります。
• フェンカート、サンジェ（2023年7月3日）。「CERNのニュートリノオデッセイ」。CERN Courier。サンジェ・フェンカートが中性電流の発見50周年を振り返る
• Padilla、Antonio (Tony)。Brady Haran (編)。「ガルガメルと中性電流」。60のシンボル。ノッティンガム大学。