Стерильное нейтрино

Стерильные нейтрино (или инертные нейтрино ) являются гипотетическими частицами ^[1] (нейтральные лептонов - нейтрино ) , которые взаимодействуют только с помощью силы тяжести , и не взаимодействует с помощью какого - либо из фундаментальных взаимодействий в стандартной модели . Термин стерильные нейтрино используется, чтобы отличить их от известных активных нейтрино в Стандартной модели , которые несут изоспиновый заряд ±+1/2при слабом взаимодействии .

Этот термин обычно относится к нейтрино с правой хиральностью (см. Правое нейтрино ), которые могут быть добавлены в Стандартную модель. Иногда он используется в общем смысле для любого нейтрального фермиона , ^[2] вместо более осторожно расплывчатое название нейтральных тяжелых лептонов (НХЛ) или тяжелых нейтральных лептонов (HNLs).

Существование правых нейтрино теоретически хорошо обосновано, поскольку все другие известные фермионы наблюдались как с левой, так и с правой киральностью , и поскольку они могли естественным образом объяснить малые массы активных нейтрино, выведенные из осцилляций нейтрино . Масса самих правых нейтрино неизвестна и может иметь любое значение от 10 ¹⁵  ГэВ до менее 1 эВ. ^[3]

Количество типов стерильных нейтрино (если они существуют) еще не ограничено теорией. Это контрастирует с количеством активных типов нейтрино, которое должно быть равным количеству заряженных лептонов и генераций кварков, чтобы гарантировать, что электрослабое взаимодействие не имеет аномалий.

Поиск стерильных нейтрино - активная область физики элементарных частиц . Если они существуют и их масса меньше энергии частиц в эксперименте, их можно получить в лаборатории либо путем смешивания активных и стерильных нейтрино, либо при столкновениях частиц высоких энергий. Если они будут тяжелее, единственным непосредственно наблюдаемым следствием их существования будут наблюдаемые массы активных нейтрино. Однако они могут быть ответственны за ряд необъяснимых явлений в физической космологии и астрофизике , включая темную материю , бариогенез или гипотетическое темное излучение . ^[3] В мае 2018 г.Эксперимент MiniBooNE сообщил о более сильном сигнале осцилляций нейтрино, чем ожидалось, что может указывать на стерильные нейтрино. ^{[4] [5]}

Мотивация [ править ]

Экспериментальные результаты показывают, что все рожденные и наблюдаемые нейтрино имеют левую спиральность (спин, антипараллельный импульсу ), а все антинейтрино имеют правую спиральность в пределах погрешности. В безмассовом пределе это означает, что для каждой частицы наблюдается только одна из двух возможных хиральностей . Это единственные спиральности (и киральности), включенные в Стандартную модель взаимодействий частиц.

Однако недавние эксперименты, такие как осцилляция нейтрино , показали, что нейтрино имеют ненулевую массу, которая не предсказывается Стандартной моделью и предполагает новую, неизвестную физику. Эта неожиданная масса объясняет нейтрино с правой спиральностью и антинейтрино с левой спиральностью: поскольку они не движутся со скоростью света, их спиральность не является релятивистским инвариантом (можно двигаться быстрее них и наблюдать противоположную спиральность) . Тем не менее, все нейтрино наблюдались с левой хиральностью , а все антинейтрино - с правой. Хиральность является фундаментальным свойством частиц и ISрелятивистски инвариантный: он одинаков независимо от скорости и массы частицы в каждой инерциальной системе отсчета. Однако частица с массой, которая начинается с левой хиральности, может развивать правосторонний компонент по мере своего движения - если она не безмассовая, хиральность не сохраняется во время распространения свободной частицы в пространстве.

Таким образом, остается вопрос: отличаются ли нейтрино и антинейтрино только своей хиральностью? Или экзотические правые нейтрино и левые антинейтрино существуют как отдельные частицы от обычных левых нейтрино и правых антинейтрино?

Свойства [ править ]

Такие частицы будут принадлежать к синглетному представлению по отношению к сильному взаимодействию и слабому взаимодействию , с нулевым электрическим зарядом , нулевой слабого гиперзарядом , нулевые слабый изоспином , и, как с другими лептонами , ноль цветового зарядом , хотя они имеют B - L квантовое число −1. Если стандартная модель встроена в гипотетическую теорию великого объединения SO (10) , им можно присвоить заряд X, равный −5. Левое антинейтрино имеет B - L +1 и заряд X +5.

Из-за отсутствия электрического заряда, гиперзаряда и цветового заряда стерильные нейтрино не будут взаимодействовать электромагнитно , слабо или сильно , что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. У них есть юкавские взаимодействия с обычными лептонами и бозонами Хиггса , которые по механизму Хиггса приводят к смешиванию с обычными нейтрино.

В экспериментах с энергиями, превышающими их массу, стерильные нейтрино будут участвовать во всех процессах, в которых принимают участие обычные нейтрино, но с квантово-механической вероятностью, которая подавляется небольшим углом смешивания. Это позволяет производить их в экспериментах, если они достаточно легкие, чтобы быть в пределах досягаемости современных ускорителей частиц.

Они также будут гравитационно взаимодействовать из-за своей массы, и, если они достаточно тяжелые, могут объяснить холодную темную материю или теплую темную материю . В некоторых теориях великого объединения , таких как SO (10) , они также взаимодействуют посредством калибровочных взаимодействий, которые чрезвычайно подавлены при обычных энергиях, потому что их калибровочный бозон чрезвычайно массивен. Они вообще не появляются в некоторых других GUT, таких как модель Джорджи – Глэшоу ( т.е. все ее заряды SU (5) или квантовые числа равны нулю).

Масса [ править ]

Все частицы изначально безмассовые согласно Стандартной модели, поскольку в лагранжиане Стандартной модели нет массовых членов Дирака . Единственные массовые члены генерируются механизмом Хиггса , который производит ненулевые связи Юкавы между левыми компонентами фермионов, полем Хиггса и их правыми компонентами. Это происходит, когда поле SU (2) дублета Хиггса приобретает ненулевое значение вакуумного ожидания , спонтанно нарушая его симметрию SU (2) _L × U (1) и, таким образом, приводя к ненулевым юкавским связям:${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle \ nu}$

${\ Displaystyle {\ mathcal {L}} (\ psi) = {\ bar {\ psi}} (я \ partial \! \! \! /) \ psi -G {\ bar {\ psi}} _ {L } \ phi \ psi _ {R}}$

Так обстоит дело с заряженными лептонами, такими как электрон, но в рамках стандартной модели правое нейтрино не существует. Таким образом, при отсутствии стерильных правых киральных нейтрино, которые могли бы объединиться с левыми киральными нейтрино, даже при взаимодействии Юкавы активные нейтрино остаются безмассовыми. Другими словами, в Стандартной модели нет членов, создающих массу для нейтрино: для каждого поколения модель содержит только левое нейтрино и его античастицу, правосторонний антинейтрино, каждое из которых производится в слабых собственных состояниях во время слабые взаимодействия; «стерильные» нейтрино опущены. (См. Массу нейтрино в Стандартной модели для подробного объяснения.)

В механизме качелей модель расширена, чтобы включить недостающие правые нейтрино и левые антинейтрино; тогда предполагается, что один из собственных векторов матрицы масс нейтрино значительно тяжелее другого.

Стерильное (правокиральное) нейтрино будет иметь такой же слабый гиперзаряд , слабый изоспин и электрический заряд, что и его античастица, потому что все они равны нулю и, следовательно, на них не влияет изменение знака . ^[а]

Условия Дирака и Майораны [ править ]

Стерильные нейтрино, как обычно, позволяют ввести массовый член Дирака . Это может дать наблюдаемую массу нейтрино, но требует, чтобы сила связи Юкавы была намного слабее для электронного нейтрино, чем для электрона, без объяснения причин. Подобные проблемы (хотя и менее серьезные) наблюдаются в кварковом секторе, где массы верхней и нижней частей различаются в 40 раз.

В отличие от левого нейтрино, массовый член Майорана может быть добавлен для стерильного нейтрино без нарушения локальной симметрии (слабый изоспин и слабый гиперзаряд), поскольку он не имеет слабого заряда. Однако это все равно будет нарушать общее число лептонов .

Можно включить как члены Дирака, так и Майораны: это делается в механизме качелей (ниже). Если бы нейтрино не только удовлетворяло уравнению Майорана , но и было бы собственной античастицей , то это был бы первый майорановский фермион . В этом случае он мог бы аннигилировать с другим нейтрино, допуская безнейтринный двойной бета-распад . Другой случай состоит в том, что это фермион Дирака , который не является собственной античастицей.

Выражаясь математически, мы должны использовать свойства преобразования частиц. Для свободных полей майорановское поле определяется как собственное состояние зарядового сопряжения. Однако нейтрино взаимодействуют только посредством слабых взаимодействий, которые не являются инвариантными относительно зарядового сопряжения (C), поэтому взаимодействующее майорановское нейтрино не может быть собственным состоянием C. Обобщенное определение: « Майорановское нейтринное поле является собственным состоянием CP-преобразования. ". Следовательно, нейтрино Майораны и Дирака будут вести себя по-разному при преобразованиях CP (фактически преобразованиях Лоренца и CPT ). Кроме того, массивное нейтрино Дирака будет иметь ненулевые магнитный и электрический дипольные моменты., а майорановское нейтрино - нет. Однако нейтрино Майорана и Дирака различны только в том случае, если их масса покоя не равна нулю. Для нейтрино Дирака дипольные моменты пропорциональны массе и обращались бы в нуль для безмассовой частицы. Однако массовые члены Майораны и Дирака могут появляться в массовом лагранжиане .

Механизм качелей [ править ]

В дополнение к левому нейтрино, которое соединяется со своим семейством заряженного лептона в слабых заряженных токах, если существует также правосторонний стерильный нейтринный партнер ( слабый изосинглет с нулевым зарядом ), то можно добавить массовый член Майорана без нарушения электрослабой симметрии. Оба нейтрино имеют массу, и их правота больше не сохраняется (таким образом, «левое или правое нейтрино» означает, что состояние в основном левое или правое). Чтобы получить собственные состояния масс нейтрино, мы должны диагонализовать общую матрицу масс :${\ displaystyle M _ {\ nu}}$

${\ displaystyle M _ {\ nu} = {\ begin {pmatrix} 0 & m_ {D} \\ m_ {D} & M_ {NHL} \ end {pmatrix}}}$

где большой и средний по величине.${\ displaystyle M_ {NHL}}$${\ displaystyle m_ {D}}$

Помимо эмпирических данных, существует также теоретическое обоснование механизма качелей в различных расширениях Стандартной модели. Обе теории Великого объединения (GUT) и лево-правые симметричные модели предсказывают следующее соотношение:

${\ displaystyle m _ {\ nu} \ ll m_ {D} \ ll M_ {NHL}}$

Согласно GUT и лево-правым моделям, правое нейтрино чрезвычайно тяжело: от 10 ⁵ до 10 ¹² ГэВ, в то время как меньшее собственное значение приблизительно равно${\ textstyle M_ {NHL} \ приблизительно}$

${\ displaystyle m _ {\ nu} \ приблизительно {\ frac {m_ {D} ^ {2}} {M_ {NHL}}}}$

Это механизм качелей : когда стерильное правое нейтрино становится тяжелее, нормальное левое нейтрино становится легче. Левое нейтрино представляет собой смесь двух майорановских нейтрино, и этот процесс смешивания - это то, как генерируется стерильная масса нейтрино.

Попытки обнаружения [ править ]

Образование и распад стерильных нейтрино может происходить путем смешивания с виртуальными нейтрино («вне массовой оболочки»). Было проведено несколько экспериментов для обнаружения или наблюдения НХЛ, например, эксперимент NuTeV ( E815 ) в Фермилабе или LEP-13 в ЦЕРНе . Все они привели к установлению пределов наблюдения, а не к фактическому наблюдению этих частиц. Если они действительно являются составной частью темной материи, потребуются чувствительные детекторы рентгеновского излучения для наблюдения за излучением, испускаемым их распадами. ^[6]

Стерильные нейтрино могут смешиваться с обычными нейтрино через массу Дирака после нарушения электрослабой симметрии , по аналогии с кварками и заряженными лептонами . ^{[ необходима цитата ]} Стерильные нейтрино и (в более сложных моделях) обычные нейтрино также могут иметь майорановские массы . В механизме качелей типа 1 массы Дирака и Майорана используются для уменьшения массы обычных нейтрино и делают стерильные нейтрино намного тяжелее, чем взаимодействующие нейтрино Стандартной модели. В некоторых моделях ^{[ какие? ]} тяжелые нейтрино могут быть такими же тяжелыми, как шкала GUT (≈10 ¹⁵  ГэВ ). В других моделях ^{[ какие? ]} они могут быть легче, чем слабые калибровочные бозоны W и Z, как в так называемой модели νMSM, где их массы находятся между ГэВ и кэВ. Свет (с массой≈1 эВ ) стерильное нейтрино было предложено в качестве возможного объяснения результатов эксперимента с жидкостным сцинтилляторным нейтрино-детектором . 11 апреля 2007 года исследователи эксперимента MiniBooNE в Фермилабе объявили, что они не нашли никаких доказательств, подтверждающих существование такого стерильного нейтрино. ^[7] Более поздние результаты и анализ предоставили некоторую поддержку существованию стерильного нейтрино. ^{[8] [9]}

Два отдельных детектора возле ядерного реактора во Франции обнаружили пропадание 3% антинейтрино. Они предположили существование четвертого нейтрино с массой 1,2 эВ. ^[10] Стерильные нейтрино также являются кандидатами на темное излучение . Дайя Бэй также искал легкое стерильное нейтрино и исключил некоторые области масс. ^[11] Коллаборация Daya Bay измерила энергетический спектр антинейтрино и обнаружила, что антинейтрино с энергией около 5 МэВ превышают теоретические ожидания. Также было зафиксировано 6% пропущенных антинейтрино. ^[12] Это может означать, что существуют стерильные нейтрино или что наше понимание некоторых других аспектов нейтрино является неполным.

Количество нейтрино и массы частиц могут иметь крупномасштабные эффекты, которые определяют появление космического микроволнового фона . Общее количество разновидностей нейтрино, например, влияет на скорость, с которой космос расширялся в его самые ранние эпохи: больше нейтрино означает более быстрое расширение. Опубликованные данные Planck Satellite 2013 совместимы с существованием стерильного нейтрино. Предполагаемый диапазон масс составляет 0–3 эВ. ^{[13] [ неудавшаяся проверка - см. Обсуждение ]} В 2016 году ученые нейтринной обсерватории IceCube не нашли никаких доказательств существования стерильного нейтрино. ^[14] Однако в мае 2018 года физики MiniBooNEЭксперимент показал более сильный сигнал осцилляций нейтрино, чем ожидалось, что может указывать на стерильные нейтрино. ^{[4] [5]}

См. Также [ править ]

• Список гипотетических частиц
• MiniBooNE в Фермилаб
• Слабо взаимодействующая тонкая частица

Сноски [ править ]

Ссылки [ править ]

• Древес, М. (2013). «Феноменология правых нейтрино». Международный журнал современной физики E . 22 (8): 1330019–593. arXiv : 1303,6912 . Bibcode : 2013IJMPE..2230019D . DOI : 10.1142 / S0218301313300191 . S2CID  119161526 .

• Мерл, А. (2013). «Построение модели нейтрино с кэВ». Международный журнал современной физики D . 22 (10): 1330020. arXiv : 1302.2625 . Bibcode : 2013IJMPD..2230020M . DOI : 10.1142 / S0218271813300206 . S2CID  118550598 .

• Vaitaitis, AG; и другие. (1999). «Поиск нейтральных тяжелых лептонов в пучке нейтрино высоких энергий». Письма с физическим обзором . 83 (24): 4943–4946. arXiv : hep-ex / 9908011 . Bibcode : 1999PhRvL..83.4943V . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.83.4943 . S2CID  14328194 .

• Formaggio, JA; Конрад, Дж .; Шаевиц, М .; Вайтайтис, А. (1998). «Эффекты спиральности в распадах нейтрального тяжелого лептона». Physical Review D . 57 (11): 7037–7040. Bibcode : 1998PhRvD..57.7037F . DOI : 10.1103 / PhysRevD.57.7037 .
• Накамура, К .; Группа данных по частицам (2010). «Обзор физики элементарных частиц» . Журнал Physics G . +37 (75 021): 075021. Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021 .

Внешние ссылки [ править ]

• «Стерильные нейтрино» . Neutrino Unbound. Архивировано из оригинального 24 июня 2016 года.
• «Эксперимент NuTeV в Фермилабе» .
• «Эксперимент L3 в ЦЕРНе» .
• «Эксперимент против четвертого нейтрино» . Scientific American . Апрель 2007 г.