Стерильные нейтрино

Стерильное нейтрино, правостороннее нейтрино.

Состав	Элементарная частица
Статистика	фермионный
Семья	лептон
Поколение	неизвестный
Взаимодействия	гравитация; другие потенциально неизвестные взаимодействия
Статус	Гипотетический
Типы	неизвестный
Масса	неизвестный
Электрический заряд	0
Цветовой заряд	никто
Вращаться	1 ⁄ 2
Спиновые состояния	2
Слабая проекция изоспина	0
Слабый гиперзаряд	0
Хиральность	правша
Б - Л	зависит от распределения заряда L
Х	−5

Стерильные нейтрино (или инертные нейтрино ) — это гипотетические частицы (нейтральные лептоны — нейтрино ), которые взаимодействуют только посредством гравитации , а не посредством каких-либо других фундаментальных взаимодействий Стандартной модели . Термин «стерильные нейтрино» используется, чтобы отличить их от известных обычных активных нейтрино в Стандартной модели , которые несут изоспина заряд ± + 1/2 ⁠ ⁠ слабое и вступить в взаимодействие . Этот термин обычно относится к нейтрино с правосторонней киральностью (см. «Правое нейтрино» ), которые можно включить в Стандартную модель. Частицы, которые обладают достаточно большими квантовыми числами стерильных нейтрино и массами, так что они не мешают современной теории нуклеосинтеза Большого взрыва , часто называют нейтральными тяжелыми лептонами (НHL) или тяжелыми нейтральными лептонами (HNL).

Существование правых нейтрино теоретически обосновано, поскольку известные активные нейтрино являются левыми, а все другие известные фермионы наблюдались как с левой, так и с правой киральностью . Они также могли бы естественным образом объяснить малые активные массы нейтрино , полученные из нейтринных осцилляций . Масса самих правых нейтрино неизвестна и может иметь любое значение от 10 ¹⁵  ГэВ и менее 1 эВ. Чтобы соответствовать теориям лептогенеза и темной материи , должно быть как минимум 3 разновидности стерильных нейтрино (если они существуют). Это контрастирует с числом активных типов нейтрино, необходимым для обеспечения в электрослабом взаимодействии отсутствия аномалий , которого должно быть ровно 3: количество заряженных лептонов и кварков поколений .

Поиск стерильных нейтрино — активное направление 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 в результате столкновений частиц высоких энергий. Если бы они тяжелее, единственным непосредственно наблюдаемым следствием их существования были бы наблюдаемые активные массы нейтрино. Однако они могут быть ответственны за ряд необъяснимых явлений в физической космологии и астрофизике , включая темную материю , бариогенез или гипотетическое темное излучение . В мае 2018 года физики эксперимента MiniBooNE сообщили о более сильном, чем ожидалось, сигнале нейтринных колебаний, что может быть намеком на стерильные нейтрино. Однако результаты эксперимента MicroBooNE не показали никаких доказательств наличия стерильных нейтрино в октябре 2021 года.

Мотивация

См. Также: Нейтрино: хиральность и осцилляции нейтрино.

Экспериментальные результаты показывают, что все рожденные и наблюдаемые нейтрино имеют левостороннюю спиральность (спин антипараллелен импульсу ), а все антинейтрино имеют правостороннюю спиральность в пределах погрешности. В безмассовом пределе это означает, что только одна из двух возможных киральностей для каждой частицы наблюдается . Это единственные спиральности (и киральности), разрешенные в Стандартной модели взаимодействий частиц; частицы с противоположной спиральностью явно исключены из формул.

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 правосторонней спиральностью и антинейтрино с левосторонней спиральностью: поскольку они не движутся со скоростью света, их спиральность не является релятивистским инвариантом (можно двигаться быстрее них и наблюдать противоположную спиральность). . Однако все нейтрино наблюдались с левой киральностью , а все антинейтрино — с правой. ( см. в разделе Хиральность (физика) § Хиральность и спиральность Разницу .)

Хиральность является фундаментальным свойством частиц и является релятивистски инвариантной: она одинакова независимо от скорости и массы частицы в каждой инерциальной системе отсчета. Однако частица с массой, которая изначально имеет левостороннюю киральность, может развить правостороннюю компоненту по мере своего движения – если она не безмассовая, хиральность не сохраняется во время распространения свободной частицы в пространстве (номинально, за счет взаимодействия с частицей). Поле Хиггса ).

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

Характеристики

Такие частицы будут принадлежать к синглетному представлению по отношению к сильному взаимодействию и слабому взаимодействию , имея нулевой электрический заряд , нулевой слабый гиперзаряд , нулевой слабый изоспин и, как и другие лептоны , нулевой цветовой заряд , хотя их традиционно представляют как имеют квантовое число B - L, равное -1. Если Стандартная модель встроена в гипотетическую SO(10) теорию великого объединения , 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 посредством электромагнитных , слабых или сильных взаимодействий, что делает их чрезвычайно трудным для обнаружения. Они имеют юкавское взаимодействие с обычными лептонами и бозонами Хиггса , что через механизм Хиггса приводит 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 квантовомеханической вероятностью, подавляемой малым углом смешивания. Это позволяет производить их в экспериментах, если они достаточно легкие, чтобы оказаться в пределах досягаемости современных ускорителей частиц.

Они также будут взаимодействовать гравитационно из-за своей массы, и если они достаточно тяжелы, это может 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, поскольку их калибровочный бозон, полученный из SO(10), чрезвычайно массивен. Они вообще не появляются в некоторых других великих объединениях, таких как модель Джорджи-Глэшоу ( т.е. все ее заряды SU(5) или квантовые числа равны нулю).

Масса

нет массовых членов Дирака Стандартной модели Согласно Стандартной модели, все частицы изначально безмассовые, поскольку в лагранжиане . Единственные массовые члены генерируются механизмом Хиггса , который создает ненулевые связи Юкавы между левыми компонентами фермионов, полем Хиггса , и их правыми компонентами. Это происходит, когда SU (2) поле Хиггса дублета $\phi$ приобретает ненулевое вакуумное математическое ожидание, $\nu$, спонтанно нарушая симметрию SU(2) _L × U(1) и, таким образом, давая ненулевые связи Юкавы:

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

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 в пары с левыми киральными нейтрино, даже при связывании Юкавы активные нейтрино остаются безмассовыми. Другими словами, в рамках Стандартной модели для нейтрино не существует условий, генерирующих массу: для каждого поколения модель содержит только левое нейтрино и его античастицу, правостороннее антинейтрино, каждая из которых образуется в слабых собственных состояниях в течение слабые взаимодействия; «стерильные» нейтрино опущены. ( см. в разделе массы нейтрино в Стандартной модели Подробное объяснение .)

В механизме качелей модель расширяется за счет включения недостающих правых нейтрино и левых антинейтрино; Затем предполагается, что один из собственных векторов матрицы масс нейтрино значительно тяжелее другого.

Стерильный (правохиральный) нейтрино будет иметь тот же слабый гиперзаряд , слабый изоспин и электрический заряд, что и его античастица, поскольку все они равны нулю и, следовательно, на них не влияет смена знака .

Термины Дирака и Майораны

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

В отличие от левого нейтрино, массовый член Майораны для стерильного нейтрино можно добавить без нарушения локальной симметрии (слабый изоспин и слабый гиперзаряд), поскольку оно не имеет слабого заряда. Однако это все равно будет нарушать общее число лептонов .

Можно включить термины Дирака и Майораны; это делается в механизме качелей (ниже). Помимо удовлетворения уравнению Майораны , если бы нейтрино было еще и собственной античастицей , то оно было бы первым майорановским фермионом . В этом случае оно могло бы аннигилировать с другим нейтрино, что приведет к безнейтринному двойному бета-распаду . Другой случай состоит в том, что это фермион Дирака , который не является собственной античастицей.

Выражая это математическими терминами, мы должны использовать трансформационные свойства частиц. Для свободных полей поле Майорана 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 таково: « поле майорановских нейтрино является собственным состоянием CP-преобразования ". Следовательно, нейтрино Майорана и Дирака будут вести себя по-разному при CP-преобразованиях (фактически преобразованиях Лоренца и CPT ). Кроме того, массивное нейтрино Дирака будет иметь ненулевые магнитный и электрический дипольный моменты , тогда как нейтрино Майораны — нет. Однако майорановские и дираковские нейтрино различны только в том случае, если их масса покоя не равна нулю. Для нейтрино Дирака дипольные моменты пропорциональны массе и исчезли бы для безмассовой частицы. Однако массовые термины Майорана и Дирака могут быть вставлены в массу. Лагранжиан .

Качающийся механизм

Основная статья: Качели

Помимо левого нейтрино, которое соединяется со своим семейством заряженных лептонов в слабых заряженных токах, если имеется еще и правый стерильный нейтрино-партнер (слабый изосинглет с нулевым зарядом), то можно добавить массовый член Майораны без нарушения электрослабой симметрии.

Тогда как левые, так и правые нейтрино могли бы иметь массу и направленность, которые больше не сохраняются точно (таким образом, «левое нейтрино» будет означать, что состояние в основном левое, а «правое нейтрино» будет означать преимущественно правостороннее состояние). ). Чтобы получить собственные состояния масс нейтрино, мы должны диагонализировать общую матрицу масс. $\ M_{\nu }:$

$M_{\nu }\approx {\begin{pmatrix}0&m_{\text{D}}\\m_{\text{D}}&M_{\text{NHL}}\end{pmatrix}}$

где $\ M_{\text{NHL}}\ ,$ - масса нейтрального тяжелого лептона, которая велика, и $\ m_{\text{D}}\$ представляют собой массовые члены промежуточного размера, которые связывают стерильные и активные массы нейтрино. Матрица номинально присваивает активным нейтрино нулевую массу, но $\ m_{\text{D}}\$ термины обеспечивают путь для некоторой небольшой части огромной массы стерильных нейтрино, $\ M_{\text{NHL}}\ ,$ «просачиваться» в активные нейтрино.

Помимо эмпирических данных, существует также теоретическое обоснование механизма качелей в различных расширениях Стандартной модели. И Теория Великого Объединения (GUT), и лево-право-симметричные модели предсказывают следующее соотношение:

$m_{\nu }\ll m_{\text{D}}\ll M_{\text{NHL}}\ .$

Согласно GUT и лево-правым моделям, правое нейтрино чрезвычайно тяжелое: ${\textstyle M_{\text{NHL}}\sim 10^{5}\ldots 10^{12}{\text{ GeV }},}$ а меньшее собственное значение приблизительно определяется выражением

$m_{\nu }\approx {\frac {m_{\text{D}}^{2}}{M_{\text{NHL}}}}\ .$

Это механизм качелей : по мере того, как стерильное правое нейтрино становится тяжелее, нормальное левое нейтрино становится легче. Левое нейтрино представляет собой смесь двух майорановских нейтрино, и в результате этого процесса смешивания генерируется стерильная масса нейтрино.

Стерильные нейтрино как темная материя

Смотрите также: Темная материя

Чтобы частицу можно было считать кандидатом в темную материю, она должна иметь ненулевую массу и не иметь электромагнитного заряда. Естественно, нейтрино и нейтриноподобные частицы представляют интерес для поиска темной материи, поскольку обладают обоими этими свойствами. больше, Наблюдения показывают, что холодной темной материи (нерелятивистской) чем горячей темной материи (релятивистской). Поэтому активные нейтрино Стандартной модели, имеющие очень малую массу (и, следовательно, очень высокие скорости), вряд ли могут составлять всю темную материю.

Поскольку никаких ограничений на массу стерильных нейтрино неизвестно, возможность того, что стерильное нейтрино представляет собой темную материю, еще не исключена, как и в случае с активными нейтрино. Если темная материя состоит из стерильных нейтрино, то к их свойствам можно применить определенные ограничения. Во-первых, чтобы определить структуру Вселенной, наблюдаемую сегодня, масса стерильного нейтрино должна быть в кэВном масштабе, исходя из пространства параметров остальных суперсимметричных моделей , которые еще не были исключены экспериментом. Во-вторых, хотя стабильность темной материи и не требуется, время жизни частиц должно быть больше текущего возраста Вселенной. Это устанавливает верхнюю границу силы смешивания стерильных и активных нейтрино в механизме качелей. Судя по тому, что известно об этой частице на данный момент, стерильное нейтрино является многообещающим кандидатом в темную материю, но, как и в случае с любой другой предложенной частицей темной материи, ее существование еще не подтверждено.

Попытки обнаружения

Образование и распад стерильных нейтрино могут происходить в результате смешивания с виртуальными нейтрино («вне массовой оболочки»). Было поставлено несколько экспериментов по обнаружению или наблюдению НХЛ, например, эксперимент NuTeV (E815) в Фермилабе или LEP-L3 в ЦЕРН. Все они привели к установлению пределов наблюдения, а не к реальному наблюдению этих частиц. Если они действительно являются составной частью темной материи, рентгеновского излучения для наблюдения за излучением, испускаемым в результате их распада. потребуются чувствительные детекторы

Детектор MiniBooNE (показан интерьер) в Фермилабе был создан для измерения колебаний нейтрино.

Стерильные нейтрино могут смешиваться с обычными нейтрино через массу Дирака после нарушения электрослабой симметрии , по аналогии с кварками и заряженными лептонами. Стерильные нейтрино и (в более сложных моделях) обычные нейтрино также могут иметь майорановскую массу . В качающемся механизме типа 1 массы Дирака и Майораны используются для того, чтобы сбить обычные массы нейтрино вниз и сделать стерильные нейтрино намного тяжелее, чем взаимодействующие нейтрино Стандартной модели. В моделях качелей в масштабе Великого объединения тяжелые нейтрино могут быть такими же тяжелыми, как и в масштабе Великого объединения ( ≈10 ¹⁵ ГэВ ). В других моделях, таких как модель νMSM, где их массы находятся в диапазоне от кэВ до ГэВ, они могут быть легче слабых калибровочных бозонов W и Z. было предложено легкое (с массой ≈1 эВ В качестве возможного объяснения результатов эксперимента Liquid Scintillator Neutrino Detector ) стерильное нейтрино . 11 апреля 2007 года исследователи эксперимента MiniBooNE в Фермилабе объявили, что они не нашли никаких доказательств, подтверждающих существование такого стерильного нейтрино. Более поздние результаты и анализ предоставили некоторую поддержку существования стерильного нейтрино.

Два отдельных детектора возле ядерного реактора во Франции обнаружили пропажу 3% антинейтрино. Они предположили существование четвертого нейтрино с массой 1,2 эВ. Дайя Бэй также искал легкое стерильное нейтрино и исключил некоторые области массы. Коллаборация Дайя Бэй измерила энергетический спектр антинейтрино и обнаружила, что антинейтрино с энергией около 5 МэВ превышает теоретические ожидания. Также было зафиксировано отсутствие 6% антинейтрино. Это может указывать либо на существование стерильных нейтрино, либо на то, что наше понимание некоторых других аспектов нейтрино является неполным.

Число нейтрино и массы частиц могут иметь крупномасштабные эффекты, которые формируют внешний вид космического микроволнового фона . Например, общее количество видов нейтрино влияет на скорость расширения космоса в его самые ранние эпохи: больше нейтрино означает более быстрое расширение. Данные Planck Satellite 2013 согласуются с существованием стерильного нейтрино. Подразумеваемый диапазон масс составляет 0–3 эВ. В 2016 году ученые Нейтринной обсерватории IceCube не нашли никаких доказательств существования стерильного нейтрино. Однако в мае 2018 года физики эксперимента MiniBooNE сообщили о более сильном, чем ожидалось, сигнале нейтринных колебаний, что может быть намеком на стерильные нейтрино. С тех пор, в октябре 2021 года, первые результаты эксперимента MicroBooNE не показали никаких намеков на стерильные нейтрино, а скорее обнаружили, что результаты соответствуют трем вариантам нейтрино Стандартной модели. Однако этот результат не нашел объяснения аномальным результатам MiniBooNE.

В июне 2022 года эксперимент BEST опубликовал две статьи, в которых наблюдался 20–24% дефицит производства изотопа германия, ожидаемого в результате реакции. ⁷¹ Ga + ν _е → е ⁻ + ⁷¹ Ге . Так называемая «аномалия галлия» предполагает, что объяснение стерильными нейтрино может согласовываться с данными.

В январе 2023 года эксперимент STEREO опубликовал свой окончательный результат, сообщив о наиболее точном измерении энергетического спектра антинейтрино, связанного с делением урана-235 . Данные согласуются со Стандартной моделью и отвергают гипотезу о легком стерильном нейтрино с массой около 1 эВ.

В 2023 году результаты поисков CMS установили новые пределы для стерильных нейтрино с массой 2–3 ГэВ.

См. также

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

Источники

• Древес, М. (2013). «Феноменология правых нейтрино». Международный журнал современной физики Э. 22 (8): 1330019–593. arXiv : 1303.6912 . Бибкод : 2013IJMPE..2230019D . дои : 10.1142/S0218301313300191 . S2CID   119161526 .
• Мерл, А. (2013). «Построение модели кэВ-нейтрино». Международный журнал современной физики Д. 22 (10): 1330020. arXiv : 1302.2625 . Бибкод : 2013IJMPD..2230020M . дои : 10.1142/S0218271813300206 . S2CID   118550598 .
• Вайтайтис, АГ; и др. (1999). «Поиск нейтральных тяжелых лептонов в пучке нейтрино высоких энергий». Письма о физических отзывах . 83 (24): 4943–4946. arXiv : hep-ex/9908011 . Бибкод : 1999PhRvL..83.4943V . дои : 10.1103/PhysRevLett.83.4943 . S2CID   14328194 .
• Формаджо, JA; Конрад, Дж.; Шаевитц, М.; Вайтайтис, А. (1998). «Эффекты спиральности при распаде нейтральных тяжелых лептонов». Физический обзор D . 57 (11): 7037–7040. Бибкод : 1998PhRvD..57.7037F . дои : 10.1103/PhysRevD.57.7037 .
• Накамура, К.; и др. ( Группа данных о частицах ) (2010). «Обзор физики элементарных частиц» . Журнал физики Г. 37 (75021): 075021. Бибкод : 2010JPhG...37g5021N . дои : 10.1088/0954-3899/37/7A/075021 . hdl : 10481/34593 .

Внешние ссылки

• «Стерильные нейтрино» . www.nu.to.infn.it. ​Нейтрино несвязанное. Архивировано из оригинала 24 июня 2016 года.
• «Эксперимент NuTeV в Фермилабе» . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми .
• «Эксперимент L3 в ЦЕРН» . ЦЕРН .
• «Эксперимент уничтожает четвертое нейтрино» . Научный американец . Апрель 2007 года.