Осцилляции нейтрино: изменение вкуса и массы

Введение

Феномен, при котором нейтрино изменяет лептоный вкус при движении.

Нейтринные осцилляции – это квантово-механическое явление, при котором нейтрино, рожденное с определенным числом лептонов ("лептоный вкус": электрон, мюон или тау), впоследствии может быть обнаружено с другим числом лептонов. Вероятность обнаружения определенного вкуса нейтрино изменяется между тремя известными состояниями по мере его распространения в пространстве. Впервые предсказанные Бруно Понтекорво в 1957 году, нейтринные осцилляции с тех пор были экспериментально подтверждены в различных контекстах. Особенно важно, что существование нейтринных осцилляций разрешило давнюю проблему солнечных нейтрино. Нейтринные осцилляции представляют большой теоретический и экспериментальный интерес, поскольку точные характеристики этого процесса могут пролить свет на различные свойства нейтрино. В частности, они указывают на то, что нейтрино обладает ненулевой массой, что требует модификации Стандартной модели физики элементарных частиц.

Замечания

Большое количество доказательств осцилляций нейтрино было собрано из различных источников, в широком диапазоне энергий нейтрино и с использованием множества различных технологий детектирования. Нобелевская премия по физике 2015 года была разделена между Такааки Кадзитой и Артуром Б. Макдональдом за их первопроходческие наблюдения этих осцилляций. Осцилляции нейтрино зависят от отношения L/E, где L – пройденное расстояние, а E – энергия нейтрино. (Подробности см. ниже.) Все доступные источники нейтрино генерируют широкий спектр энергий, и осцилляции измеряются на фиксированном расстоянии для нейтрино с разными энергиями. Предельный фактор точности измерений – это точность определения энергии каждого зарегистрированного нейтрино. Поскольку современные детекторы имеют погрешность в определении энергии в несколько процентов, достаточно знать расстояние с точностью до 1%.

Солнечная нейтринная колебание

Первым экспериментом, обнаружившим эффекты колебаний нейтрино, был эксперимент Рей Дэвиса, проведенный в конце 1960-х годов. В нем он наблюдал дефицит потока солнечных нейтрино по сравнению с предсказаниями Стандартной солнечной модели, используя детектор на основе хлора. Это и породило проблему солнечных нейтрино. Многие последующие радиохимические и водяные черенковские детекторы подтвердили наличие дефицита, но колебания нейтрино не были окончательно установлены как его причина, пока в 2001 году обсерватория солнечных нейтрино в Садбери не предоставила убедительные доказательства изменения ароматов нейтрино. Энергии солнечных нейтрино не превышают 20 МэВ. При энергиях выше 5 МэВ колебания солнечных нейтрино фактически происходят внутри Солнца благодаря резонансу, известному как эффект MSW – процессу, отличному от вакуумных колебаний, описанных далее в этой статье.

Нейтринные колебания реактора

Многие эксперименты были направлены на поиск колебаний электронных антинейтрино, производимых в ядерных реакторах. Колебаний не было обнаружено, пока детектор не был установлен на расстоянии 1–2 км. Такие колебания позволяют определить значение параметра θ13. Нейтрино, производимые в ядерных реакторах, имеют энергии, сопоставимые с энергиями солнечных нейтрино, порядка нескольких МэВ. Базовые линии этих экспериментов варьировались от десятков метров до более 100 км (параметр θ12). Микаэлян и Синев предложили использовать два идентичных детектора для компенсации систематических погрешностей в реакторном эксперименте с целью измерения параметра θ13. В декабре 2011 года эксперимент Double Chooz показал, что θ13 ≠ 0. Затем, в 2012 году, эксперимент Daya Bay обнаружил, что θ13 ≠ 0 со статистической значимостью 5,2σ; эти результаты впоследствии были подтверждены экспериментом RENO.

Нейтринное колебание пучка

Лучи нейтрино, создаваемые на ускорителях частиц, обеспечивают наибольший контроль над изучаемыми нейтрино. Многие эксперименты изучали те же осцилляции, что и в осцилляциях атмосферных нейтрино, используя нейтрино с энергией в несколько ГэВ и базовыми линиями в несколько сотен километров. Эксперименты MINOS, K2K и Super-Kamiokande независимо друг от друга наблюдали исчезновение мюонных нейтрино на таких больших расстояниях. Эксперимент T2K, используя пучок нейтрино, направленный через 295 км земной коры и детектор Super-Kamiokande, измерил ненулевое значение параметра θ13 в пучке нейтрино. Эксперимент NOνA, использующий тот же пучок, что и MINOS, с базовой линией 810 км, обладает аналогичной чувствительностью.

Теория

Нейтринные осцилляции возникают в результате смешивания между вкусовыми и массовыми собственными состояниями нейтрино. То есть, три состояния нейтрино, взаимодействующие с заряженными лептонами в слабых взаимодействиях, представляют собой различные суперпозиции трех (распространяющихся) состояний нейтрино с определенной массой. Нейтрино испускаются и поглощаются в слабых процессах в собственных состояниях вкуса, но распространяются как собственные состояния массы. По мере распространения суперпозиции нейтрино в пространстве квантово-механические фазы трех нейтринных состояний массы изменяются с немного разными скоростями из-за небольших различий в их соответствующих массах. Это приводит к изменению смеси массовых собственных состояний по мере движения нейтрино; однако различная смесь массовых собственных состояний соответствует различной смеси вкусовых состояний. Например, нейтрино, рожденное как электронное нейтрино, после прохождения определенного расстояния станет некоторой смесью электронных, мюонных и тау-нейтрино. Поскольку квантово-механическая фаза изменяется периодически, после определенного расстояния состояние почти вернется к исходной смеси, и нейтрино снова будет преимущественно электронным нейтрино. Содержание электронного аромата нейтрино будет продолжать осциллировать, пока квантово-механическое состояние сохраняет когерентность. Поскольку разности масс между ароматами нейтрино малы по сравнению с большими длинами когерентности для нейтринных осцилляций, этот микроскопический квантовый эффект становится наблюдаемым на макроскопических расстояниях. В отличие от них, из-за большей массы заряженные лептоны (электроны, мюоны и тау-лептоны) никогда не наблюдались в осцилляциях. При ядерном бета-распаде, распаде мюона, пиона и каона, когда испускаются нейтрино и заряженный лептон, заряженный лептон испускается в некогерентных массовых собственных состояниях, таких как |〉, из-за его большой массы. Связи слабой силы вынуждают одновременно испускаемое нейтрино находиться в "центрированной на заряженном лептоне" суперпозиции, такой как |〉, которая является собственным состоянием для "вкуса", фиксируемого массовым собственным состоянием электрона, а не в одном из собственных массовых состояний нейтрино. Поскольку нейтрино находится в когерентной суперпозиции, которая не является массовым собственным состоянием, смесь, составляющая эту суперпозицию, значительно осциллирует при движении. В Стандартной модели нет аналогичного механизма, который бы заставлял заряженные лептоны обнаруживать осцилляции. В четырех вышеупомянутых распадах, когда заряженный лептон испускается в уникальном массовом собственном состоянии, заряженный лептон не будет осциллировать, поскольку отдельные массовые собственные состояния распространяются без осцилляций. Случай (реального) распада W-бозона более сложен: распад W-бозона обладает достаточной энергией для генерации заряженного лептона, который не находится в массовом собственном состоянии; однако заряженный лептон потерял бы когерентность, если бы она у него была, на межатомных расстояниях (0,1 нм) и, следовательно, быстро прекратил бы какие-либо значимые осцилляции. Более того, ни один механизм в Стандартной модели не способен зафиксировать заряженный лептон в когерентном состоянии, которое не является массовым собственным состоянием; вместо этого, хотя заряженный лептон от распада W-бозона изначально не находится в массовом собственном состоянии, он также не находится ни в каком "центрированном на нейтрино" собственном состоянии, ни в каком-либо другом когерентном состоянии. Нельзя утверждать, что такой бесструктурный заряженный лептон осциллирует или не осциллирует, поскольку любое преобразование "осцилляции" просто оставило бы его в том же общем состоянии, что и до осцилляции. Поэтому обнаружение осцилляций заряженного лептона от распада W-бозона невозможно по нескольким причинам.

Neutrino oscillation arises from mixing between the flavor and mass eigenstates of neutrinos. That is, the three neutrino states that interact with the charged leptons in weak interactions are each a different superposition of the three (propagating) neutrino states of definite mass. Neutrinos are emitted and absorbed in weak processes in flavor eigenstates but travel as mass eigenstates. As a neutrino superposition propagates through space, the quantum mechanical phases of the three neutrino mass states advance at slightly different rates, due to the slight differences in their respective masses. This results in a changing superposition mixture of mass eigenstates as the neutrino travels; but a different mixture of mass eigenstates corresponds to a different mixture of flavor states. For example, a neutrino born as an electron neutrino will be some mixture of electron, mu, and tau neutrino after traveling some distance. Since the quantum mechanical phase advances in a periodic fashion, after some distance the state will nearly return to the original mixture, and the neutrino will be again mostly electron neutrino. The electron flavor content of the neutrino will then continue to oscillate – as long as the quantum mechanical state maintains coherence. Since mass differences between neutrino flavors are small in comparison with long coherence lengths for neutrino oscillations, this microscopic quantum effect becomes observable over macroscopic distances. In contrast, due to their larger masses, the charged leptons (electrons, muons, and tau leptons) have never been observed to oscillate. In nuclear beta decay, muon decay, pion decay, and kaon decay, when a neutrino and a charged lepton are emitted, the charged lepton is emitted in incoherent mass eigenstates such as |〉, because of its large mass. Weak force couplings compel the simultaneously emitted neutrino to be in a "charged lepton centric" superposition such as |〉, which is an eigenstate for a "flavor" that is fixed by the electron's mass eigenstate, and not in one of the neutrino's own mass eigenstates. Because the neutrino is in a coherent superposition that is not a mass eigenstate, the mixture that makes up that superposition oscillates significantly as it travels. No analogous mechanism exists in the Standard Model that would make charged leptons detectably oscillate. In the four decays mentioned above, where the charged lepton is emitted in a unique mass eigenstate, the charged lepton will not oscillate, as single mass eigenstates propagate without oscillation. The case of (real) W boson decay is more complicated: W boson decay is sufficiently energetic to generate a charged lepton that is not in a mass eigenstate; however, the charged lepton would lose coherence, if it had any, over interatomic distances (0.1 nm) and would thus quickly cease any meaningful oscillation. More importantly, no mechanism in the Standard Model is capable of pinning down a charged lepton into a coherent state that is not a mass eigenstate, in the first place; instead, while the charged lepton from the W boson decay is not initially in a mass eigenstate, neither is it in any "neutrino centric" eigenstate, nor in any other coherent state. It cannot meaningfully be said that such a featureless charged lepton oscillates or that it does not oscillate, as any "oscillation" transformation would just leave it the same generic state that it was before the oscillation. Therefore, detection of a charged lepton oscillation from W boson decay is infeasible on multiple levels.

Происхождение массы нейтрино

На вопрос о том, как возникают массы нейтрино, до сих пор нет окончательного ответа. В Стандартной модели физики частиц фермионы приобретают массу благодаря взаимодействию с полем Хиггса (см. бозон Хиггса). Эти взаимодействия требуют существования как левых, так и правых версий фермиона (см. хиральность). Однако до настоящего времени наблюдались только леворукие нейтрино. Нейтрино могут иметь дополнительный источник массы – член Майораны. Этот тип массы применим к электрически нейтральным частицам, поскольку в противном случае частицы могли бы превращаться в античастицы, что привело бы к нарушению закона сохранения электрического заряда. Наименьшее изменение Стандартной модели, учитывающее существование только леворуких нейтрино, заключается в наделении этих леворуких нейтрино массами Майораны. Однако проблема заключается в том, что массы нейтрино удивительно малы по сравнению с массами других известных частиц (по крайней мере, в 600 000 раз меньше массы электрона), что, хотя и не опровергает теорию, считается многими неудовлетворительным, поскольку данная конструкция не проливает свет на происхождение масштаба масс нейтрино. Следующим по сложности дополнением было бы введение в Стандартную модель праворуких нейтрино, взаимодействующих с леворукими нейтрино и полем Хиггса аналогично другим фермионам. Эти новые нейтрино взаимодействовали бы с другими фермионами исключительно таким образом и, следовательно, не были бы непосредственно обнаружимы, что не противоречит экспериментальным данным. Проблема несоответствия масштабов масс остается нерешенной.

Механизм маятника

Наиболее популярным предполагаемым решением в настоящее время является механизм "качели", при котором добавляются правые нейтрино с очень большими массами Майораны. Если правые нейтрино очень тяжелые, они индуцируют очень малую массу для левых нейтрино, которая пропорциональна величине, обратной тяжелой массе. Если предположить, что нейтрино взаимодействуют с полем Хиггса с силой, примерно равной силе взаимодействия заряженных фермионов, то тяжелая масса должна быть близка к GUT-шкале. Поскольку в Стандартной модели существует только один фундаментальный масштаб массы, все массы частиц должны возникать в связи с этим масштабом. Существуют и другие варианты механизма "качели", и в настоящее время проявляется большой интерес к так называемым схемам "качели" малого масштаба, таким как механизм обратной "качели". Добавление правых нейтрино приводит к появлению новых масштабов массы, не связанных с масштабом массы Стандартной модели, поэтому наблюдение тяжелых правых нейтрино позволит обнаружить физику за пределами Стандартной модели. Правые нейтрино помогут объяснить происхождение материи посредством механизма, известного как лептогенез.

Другие источники

Существуют альтернативные способы модификации стандартной модели, схожие с добавлением тяжелых правых нейтрино (например, добавление новых скаляров или фермионов в тройных состояниях), и другие модификации, менее схожие (например, массы нейтрино, возникающие из эффектов петли и/или из-за подавленных связей). Одним из примеров моделей последнего типа служат некоторые версии суперсимметричных расширений стандартной модели фундаментальных взаимодействий, где R-чётность не является симметрией. В них обмен суперсимметричными частицами, такими как скварки и слептоны, может нарушать лептонное число и приводить к ненулевой массе нейтрино. Эти взаимодействия обычно исключаются из теорий, поскольку они принадлежат к классу взаимодействий, приводящих к неприемлемо быстрому распаду протона при их полном включении. Эти модели обладают низкой предсказательной силой и не способны предложить кандидата в холодную темную материю.

Колебания в ранней Вселенной

В ранней Вселенной, когда концентрация частиц и температура были высокими, поведение нейтринных осцилляций могло отличаться. В зависимости от параметров смешивания нейтрино и их масс, мог наблюдаться широкий спектр явлений, включая осцилляции, подобные вакуумным, плавную эволюцию или самоподдерживаемую когерентность. Физика этой системы нетривиальна и связана с осцилляциями нейтрино в плотной среде нейтрино.