Кіріспе
Нейтрино қозғалғанда лептон дәмін өзгертетін құбылыс. Нейтрино тербелісі – кванттық механикалық құбылыс, онда белгілі бір лептондық отбасы санымен ("лептон дәмі": электрон, мюон немесе тау) туған нейтрино кейіннен басқа лептондық отбасы санына ие болуы мүмкін. Нейтриноның белгілі бір дәмі өлшену ықтималдығы кеңістікте таралу барысында үш белгілі күй арасында өзгереді. Бруно Понтекорво 1957 жылы алғаш болжаған нейтрино тербелісі содан бері әртүрлі жағдайларда көптеген тәжірибелер арқылы байқалды. Нейтрино тербелісінің болуы ұзақ жылдар бойы шешілмей келген күн нейтриносы мәселесін шешті. Нейтрино тербелісі теориялық және тәжірибелік жағынан үлкен қызығушылық тудырады, себебі осы процестің нақты қасиеттері нейтриноның бірнеше қасиеттерін ашуға көмектеседі. Атап айтқанда, бұл нейтриноның Эйнштейн-Картан бұрылысынан тыс нөлдік емес массаға ие екенін көрсетеді, бұл бөлшектер физикасының Стандартты моделін қайта қарауды талап етеді.
Neutrino oscillation is a quantum mechanical phenomenon in which a neutrino created with a specific lepton family number ("lepton flavor": electron, muon, or tau) can later be measured to have a different lepton family number. The probability of measuring a particular flavor for a neutrino varies between three known states, as it propagates through space. First predicted by Bruno Pontecorvo in 1957, neutrino oscillation has since been observed by a multitude of experiments in several different contexts. Most notably, the existence of neutrino oscillation resolved the long standing solar neutrino problem. Neutrino oscillation is of great theoretical and experimental interest, as the precise properties of the process can shed light on several properties of the neutrino. In particular, it implies that the neutrino has a non zero mass outside the Einstein Cartan torsion, which requires a modification to the Standard Model of particle physics.
Байқаулар
Нейтрино тербелісіне көптеген дәлелдер түрлі көздерден, нейтрино энергиясының кең диапазонында және әртүрлі детектор технологияларын қолдану арқылы жиналды. 2015 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығын Такааки Кажита мен Артур Б. Макдональд осы тербелістерді алғаш байқағандары үшін бөлісті. Нейтрино тербелісі L/E қатынасымен анықталады, мұнда L – жүрілген қашықтық, ал E – нейтриноның энергиясы. (Толық мәліметтер төменде келтірілген.) Барлық нейтрино көздері энергияның әртүрлі диапазонын тудырады, ал тербеліс әртүрлі энергиялы нейтринолар үшін белгілі бір қашықтықта өлшенеді. Өлшеулердегі шектеуші фактор – байқалған әрбір нейтриноның энергиясын қаншалықты дәл өлшеуге болады. Қазіргі детекторлардың энергиясында бірнеше проценттік белгісіздік болғандықтан, қашықтықты 1% дәлдікпен білу жеткілікті.
Күн нейтриноларының тербелісі
Нейтрино тербелісінің әсерін анықтаған алғашқы эксперимент - 1960 жылдардың аяғында Рей Дэвистің Homestake эксперименті болды, онда ол хлор негізіндегі детекторды пайдалана отырып, Күннің Стандартты Моделінің болжамымен салыстырғанда күн нейтринолары ағынындағы кемшілікті байқады. Бұл күн нейтринолары мәселесіне әкелді. Кейінгі көптеген радиохимиялық және сулы Черенков детекторлары осы кемшілікті растады, бірақ 2001 жылы Судбери нейтрино обсерваториясы нейтрино дәмі өзгеруінің нақты дәлелін ұсынғанға дейін нейтрино тербелісі кемшілікке себепкер екені нақты анықталмады. Күн нейтриноларының энергиясы 20 МэВ-тан төмен. 5 МэВ-тан жоғары энергияда күн нейтриноларының тербелісі Күнде MSW эффекті деп аталатын резонанс арқылы жүзеге асады, бұл осы мақалада кейінірек сипатталатын вакуумдық тербелістен өзгеше процесс.
Реактордың нейтрино тербелісі
Көптеген эксперименттер ядролық реакторларда туындайтын электрон антинейтриноларының осцилляциясын іздестірді. 1–2 км қашықтықта детектор орнатылғанға дейін ешқандай осцилляция табылмады. Мұндай осцилляциялар θ13 параметрінің мәнін анықтайды. Ядролық реакторларда туындайтын нейтринолардың энергиясы күн нейтриноларына ұқсас, шамамен бірнеше МэВ құрайды. Бұл эксперименттердің бастапқы сызықтары ондаған метрден 100 км-ден астамға дейін (θ12 параметрі) болды. Микаэлян және Синев реакторлық эксперименттегі жүйелік қателіктерді азайту үшін θ13 параметрін өлшеу үшін екі бірдей детекторды қолдануды ұсынды. 2011 жылдың желтоқсан айында Double Chooz эксперименті θ13 ≠ 0 екенін көрсетті. 2012 жылы Daya Bay эксперименті θ13 ≠ 0 екенін 5,2σ маңыздылықпен анықтады; бұл нәтижелер кейіннен RENO экспериментімен расталды.
Нейтрино сәулелерінің тербелісі
Нейтринолық сәулелер бөлшектер үдеткішінде жасалады және зерттеліп жатқан нейтриноларға ең көп бақылау мүмкіндігін береді. Атмосфералық нейтрино осцилляциясындағы сияқты осцилляцияларды зерттеу үшін бірнеше ГэВ энергиясы бар нейтринолар мен бірнеше жүз километрлік базалық қашықтықтар қолданылған көптеген эксперименттер өткізілді. MINOS, K2K және Super K эксперименттері мұндай ұзын базалық қашықтықтарда мюон нейтриноларының жоғалуын тәуелсіз түрде байқады. T2K, 295 км жер қабатынан өткен нейтрино сәулесі мен Super Kamiokande детекторын пайдаланып, нейтрино сәулесінде θ13 параметрі үшін нөлдік емес мәнді өлшеді. NOνA, MINOS-қа ұқсас сәулені 810 км базалық қашықтықта пайдаланады және соған сезімтал.
Теория
Нейтрино тербелісі нейтриноның дәмділік және массалық күйлерінің араласуынан туындайды. Яғни, зарядталған лептондармен әлсіз өзара әрекеттесетін үш нейтрино күйінің әрқайсысы, белгілі массадағы үш (таралатын) нейтрино күйінің әртүрлі суперпозициясы болып табылады. Нейтринолар әлсіз процестерде дәмдік өзіндік күйде шығарылады және сіңіріледі, бірақ массалық өзіндік күйде қозғалады. Нейтрино суперпозициясы кеңістікте тарағанда, үш нейтрино массалық күйінің кванттық механикалық фазалары, олардың массаларының шамалы айырмашылығына байланысты, сәл әртүрлі жылдамдықпен өзгереді. Бұл нейтрино қозғалысы кезінде массалық күйлердің өзгеретін суперпозициялық қоспасына әкеледі; бірақ массалық күйлердің әртүрлі қоспасы, дәмдік күйлердің әртүрлі қоспасына сәйкес келеді. Мысалы, электронды нейтрино ретінде туған нейтрино, белгілі бір қашықтықты жүргеннен кейін электронды, мю және тау нейтриноның араласымы болады. Кванттық механикалық фаза кезеңді түрде өзгеретіндіктен, белгілі бір арақашықтықтан кейін күй бастапқы қоспаға жақын қайта оралады, ал нейтрино қайтадан көбінесе электронды нейтрино болады. Нейтриноның электрондық дәмділік құрамы, кванттық механикалық күй когеренттілігін сақтайтынша тербеліс жалғастырады. Нейтрино дәмдері арасындағы массалық айырмашылықтар, нейтрино тербелістерінің ұзақ когеренттік ұзындығымен салыстырғанда аз болғандықтан, бұл микроскопиялық кванттық эффект макроскопиялық қашықтықта байқалады. Керісінше, олардың үлкен массалары болғандықтан, зарядталған лептондар (электрондар, мюондар және тау лептондары) ешқашан тербеліске түскені байқалған жоқ. Ядролық бета-бөлініс, мюондық бөлініс, пиондық бөлініс және каондық бөлініс кезінде, нейтрино мен зарядталған лептон шығарылғанда, зарядталған лептон өзінің үлкен массасына байланысты, үйлесімсіз массалық өзіндік күйде шығарылады. Әлсіз күштердің бірігуі, бір мезгілде шығарылған нейтриноны, «зарядталған лептонға бағытталған» суперпозицияда болуға мәжбүрлейді, бұл электронның массалық өзіндік күйімен анықталмайтын, «дәмге» қатысты өзіндік күй болып табылады, және нейтриноның өзінің массалық өзіндік күйлерінің бірі емес. Нейтрино массалық өзіндік күйі жоқ когерентті суперпозицияда болғандықтан, суперпозицияны құрайтын қоспа қозғалғанда айтарлықтай тербеледі. Стандартты модельде зарядталған лептондарды байқалатын тербеліске түсіретін ұқсас механизм жоқ. Жоғарыда аталған төрт ыдырауда, зарядталған лептон бірегей массалық өзіндік күйде шығарылғанда, ол тербелмейді, өйткені бір массалық өзіндік күйлер тербеліссіз таралады. (Нақты) W бозонының ыдырауының жағдайы күрделірек: W бозонының ыдырауы, массалық өзіндік күйде емес зарядталған лептонды өндіруге жеткілікті энергия береді; алайда, зарядталған лептон, егер когеренттілігі болса, атомдар аралық қашықтықта (0,1 нм) оны жоғалтады және осылайша кез келген мағыналы тербелісті тез тоқтатады. Ең бастысы, Стандартты модельдегі ешқандай механизм зарядталған лептонды массалық өзіндік күй емес, үйлесімді күйге түсіре алмайды; керісінше, W бозонының ыдырауынан шыққан зарядталған лептон бастапқыда массалық өзіндік күйде болмаса, ол «нейтриноға бағытталған» өзіндік күйде де, басқа да үйлесімді күйде де емес. Мұндай ерекшеліксіз зарядталған лептон тербеледі немесе тербелмейді деп айтуға болмайды, өйткені кез келген «тербелістік» түрлендіру оны тербеліске дейін болған жалпы күйінде қалдырады. Сондықтан, W бозонының ыдырауынан зарядталған лептондардың тербелісін анықтау бірнеше деңгейде мүмкін емес.
Нейтрино массасының пайда болуы
Нейтрино массасының қалай пайда болатыны туралы сұраққа әлі толық жауап берілген жоқ. Бөлшектер физикасының стандартты моделінде фермиондар Хиггс өрісімен өзара әрекеттесуі арқылы ғана ішкі массаға ие болады (Хиггс бозонына қараңыз). Бұл өзара әрекеттесулер фермионның сол және оң қолды түрлерін қажет етеді (хиралдылыққа қараңыз). Дегенмен, қазірге дейін тек сол қолды нейтринолар ғана байқалды. Нейтрино Майорана массалық мүшесі арқылы массаның тағы бір көзіне ие болуы мүмкін. Бұл типтегі масса электрлік бейтарап бөлшектерге ғана қатысты, әйтпесе бөлшектер антибөлшектерге айналуына мүмкіндік береді, бұл электр зарядының сақталу заңын бұзуға әкеледі. Стандартты модельге ең аз өзгеріс енгізу – сол қолды нейтриноларға Майорана массасына ие болуға рұқсат беру болып табылады. Бірақ мұндағы мәселе – нейтрино массасының қалған белгілі бөлшектерге қарағанда өте кішкентай екендігі (кем дегенде электрон массасынан 600 000 есе кішірек), бұл теорияны жоққа шығармайды, бірақ бұл құрылым нейтрино массасының пайда болу себебін түсіндірмейтіндіктен қанағаттандырмайды. Келесі ең оңай шешім – стандартты модельге оң қолды нейтриноларды қосу, олар сол қолды нейтринолармен және Хиггс өрісімен қалған фермиондар сияқты әрекеттеседі. Бұл жаңа нейтринолар басқа фермиондармен тек осылай ғана өзара әрекеттеседі, сондықтан тікелей байқау мүмкін емес, демек, феноменологиялық тұрғыдан жоққа шығарылмайды. Массалық масштабтардың өзгешелігі мәселесі әлі де шешілмеген.
Көлбеу механизмі
Қазіргі таңда ең көп таралған болжамдық шешім – бұл өте үлкен Майорана массаларына ие оң жақты нейтриноларды қосу. Егер оң жақты нейтринолар өте ауыр болса, олар сол жақты нейтринолар үшін өте кішкентай массаны тудырады, бұл масса ауыр массаның кері шамасына пропорционал. Егер нейтринолар Хиггс өрісімен зарядталған фермиондармен шамамен бірдей күшпен өзара әрекеттеседі деп есептесек, ауыр масса GUT шкаласына жуық болуы керек. Стандартты модельде бар болғаны бір негізгі массалық шкала болғандықтан, барлық бөлшектердің массалары осы шкаламен байланысты болуы тиіс. Сейлегіштердің басқа да түрлері бар және қазіргі уақытта кері сейлегіш механизмі сияқты төменгі масштабты сейлегіш схемаларына зор қызығушылық танылып жатыр. Оң жақты нейтриноларды қосу Стандартты модельдің массалық шкаласына байланыссыз жаңа массалық шкалаларды енгізеді, сондықтан ауыр оң жақты нейтриноларды байқау Стандартты модельден тыс физиканы ашуға мүмкіндік береді. Оң жақты нейтринолар лептогенез деп аталатын механизм арқылы материяның пайда болуын түсіндіруге көмектеседі.
Басқа дереккөздер
Стандартты модельді өзгертудің басқа да жолдары бар, олар ауыр оң жақты нейтриноларды қосуға ұқсас (мысалы, үштік күйдегі жаңа скалярлар немесе фермиондарды қосу) және одан аз ұқсас өзгерістер (мысалы, циклдық эффектілерден және/немесе әлсіз байланыстардан туындаған нейтрино массалары). Соңғы типтегі модельдердің бір мысалы – фундаментальды өзара әрекеттесулердің стандартты моделінің суперсимметриялық кеңейтімдері, онда R-паритеті симметрия емес. Онда скварктар және слептон сияқты суперсимметриялық бөлшектердің алмасуы лептондық санды бұзуға және нейтрино массаларына алып келуі мүмкін. Бұл өзара әрекеттесулер әдетте теориялардан шығарылады, себебі олар барлық түрлері ескерілген жағдайда қабылдауға келмейтіндей жылдам протонның ыдырауына әкелетін өзара әрекеттесулер класына жатады. Бұл модельдердің болжамдық қабілеті төмен және олар суық қара материяның кандидатын ұсына алмайды.
Ерте ғаламдағы тербелістер
Ерте ғаламда бөлшектердің концентрациясы мен температурасы жоғары болған кезде нейтрино тербелістері әртүрліше болуы мүмкін еді. Нейтрино араласу бұрыштарының параметрлері мен массаларына байланысты, мінез-құлықтың кең спектрі туындауы мүмкін, соның ішінде вакуумдағы сияқты нейтрино тербелісі, тегіс эволюция немесе өзін-өзі сақтайтын когеренттілік. Бұл жүйенің физикасы күрделі және тығыз нейтрино газындағы нейтрино тербелістерін қамтиды.