Стерильное нейтрино - Sterile neutrino

Стерильное нейтрино, правое нейтрино
Сочинение	Элементарная частица
Статистика	Фермионный
Поколение	неизвестный
Взаимодействия	сила тяжести; другие потенциальные неизвестные взаимодействия
Положение дел	Гипотетический
Типы	неизвестный
Масса	неизвестный
Электрический заряд	0
Цвет заряда	никто
Вращение	1⁄2
Спиновые состояния	2
Слабая проекция изоспина	0
Слабый гиперзаряд	0
Хиральность	правша
B − L	зависит от назначения заряда L
Икс	−5

Стерильные нейтрино (или же инертные нейтрино) являются гипотетическими частицы^[1] (нейтральный лептоны – нейтрино ), которые взаимодействуют только через сила тяжести и не взаимодействовать ни с одним из фундаментальные взаимодействия из Стандартная модель. Период, термин стерильное нейтрино используется, чтобы отличить их от известных активные нейтрино в Стандартная модель, которые несут изоспин заряд ±+1/2 под слабое взаимодействие.

Этот термин обычно относится к нейтрино с правша хиральность (видеть правое нейтрино ), который может быть добавлен в Стандартную модель. Иногда он используется в общем смысле для обозначения нейтральных фермион, вместо более осторожно расплывчатого имени нейтральные тяжелые лептоны (НХЛ) или тяжелые нейтральные лептоны (HNLs).

Существование правых нейтрино теоретически хорошо обосновано, поскольку все другие известные фермионы наблюдались как с левой, так и с правой хиральность, и поскольку они могли естественным образом объяснить небольшой активный массы нейтрино выводится из осцилляция нейтрино. Масса самих правых нейтрино неизвестна и может иметь любое значение между 10¹⁵ ГэВ и менее 1 эВ.^[2]

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

Поиск стерильных нейтрино - активная область физика элементарных частиц. Если они существуют и их масса меньше, чем энергии частиц в эксперименте, их можно получить в лаборатории либо с помощью смешивание между активными и стерильными нейтрино или при столкновении 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 физическая космология и астрофизика, включая темная материя, бариогенез или гипотетический темное излучение.^[2] В мае 2018 г. MiniBooNE Эксперимент сообщил о более сильном сигнале осцилляций нейтрино, чем ожидалось, что может указывать на стерильные нейтрино.^[3]^[4]

Мотивация

Экспериментальные результаты показывают, что все произведенные и наблюдаемые нейтрино имеют левую форму. спирали (вращение антипараллельно импульс ), и все антинейтрино имеют правую спиральность в пределах погрешности. В безмассовом пределе это означает, что только один из двух возможных хиральности наблюдается для любой частицы. Это единственные спиральности (и киральности), включенные в Стандартную модель взаимодействий частиц.

Недавние эксперименты, такие как осцилляция нейтрино Однако они 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 релятивистский инвариант (можно двигаться быстрее их и наблюдать обратную спиральность). Тем не менее, все нейтрино наблюдались левыми хиральность, и все антинейтрино правши. Хиральность - фундаментальное свойство частиц и является релятивистски 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 правостороннюю составляющую при движении - если только она не безмассовая, хиральность нет сохраняется при распространении 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?

Характеристики

Такие частицы принадлежали бы синглет представление с уважением к сильное взаимодействие и слабое взаимодействие, имея ноль электрический заряд, нуль слабый гиперзаряд, нуль слабый изоспин, и, как и в случае с другими лептоны, нуль цветной заряд, хотя у них есть $B - L$ квантовое число -1. Если стандартная модель встроен в гипотетический ТАК (10) теория великого единства, им можно присвоить X заряд от −5. Левое антинейтрино имеет $B - L$ +1 и X заряд из +5.

Из-за отсутствия электрического заряда, сверхзаряд, и цветовой заряд, стерильные нейтрино не будут взаимодействовать электромагнитно, слабо, или же сильно, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. У них есть Юкава взаимодействия с обычным лептоны и Бозоны Хиггса, который 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 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 будут достаточно тяжелыми, это может объяснить холодная темная материя или же теплая темная материя. В некоторых теории великого объединения, Такие как ТАК (10), они также взаимодействуют через калибровочные взаимодействия которые чрезвычайно подавлены при обычных энергиях, потому что их калибровочный бозон чрезвычайно массивен. Они вообще не появляются в некоторых других GUT, таких как Георги – Глэшоу модель ( т.е., все его SU (5) обвинения или квантовые числа равны нулю).

Масса

Все частицы изначально безмассовые в соответствии со Стандартной моделью, так как нет Массовые члены Дирака в Стандартной модели Лагранжиан. Единственные массовые члены порождаются Механизм Хиггса, который дает ненулевые юкавские связи между левыми компонентами фермионов, Поле Хиггса, и их правые компоненты. Это происходит, когда SU(2) дублетное поле Хиггса ${ displaystyle phi}$ приобретает ненулевое значение математического ожидания вакуума, ${ displaystyle nu}$ , самопроизвольно ломающийся его СУ (2)_L × U (1) симметрия и, таким образом, дает ненулевые связи Юкавы:

{ 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 можно было бы спарить 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 образуется в слабых собственных состояниях во время слабые взаимодействия; «стерильные» нейтрино опущены. (Видеть массы нейтрино в Стандартной модели для подробного объяснения.)

в механизм качелей модель расширена, чтобы включить недостающие правые нейтрино и левые антинейтрино; Затем предполагается, что один из собственных векторов матрицы масс нейтрино будет значительно тяжелее другого.

У стерильного (правокирального) нейтрино было бы то же самое. слабый гиперзаряд, слабый изоспин, и электрический заряд как его античастица, потому что все они равны нулю и, следовательно, не подвержены влиянию знак разворота.^[а]

Условия Дирака и Майораны

Стерильные нейтрино позволяют вводить Масса Дирака срок как обычно. 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, Майоранская масса член 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 нарушением общей лептонное число.

Можно включить обе Члены Дирака и Майорана: это делается в механизме качелей (ниже). Помимо удовлетворения Уравнение майорана, если бы нейтрино были собственная античастица, тогда это будет первый Майорана фермион. В этом случае он мог бы аннигилировать с другим нейтрино, позволяя безнейтринный двойной бета-распад. Другой случай состоит в том, что это Фермион Дирака, которая 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 инвариантны относительно зарядовое сопряжение (C), поэтому взаимодействующее майорановское нейтрино не может быть собственным состоянием C. Обобщенное определение: "a Майорана Поле нейтрино является собственным состоянием СР-преобразования ». Следовательно, нейтрино Майораны и Дирака будут вести себя по-разному при СР-преобразованиях (фактически Лоренц и CPT преобразования). Кроме того, у массивного нейтрино Дирака было бы ненулевое магнитный и электрические дипольные моменты, тогда как нейтрино Майораны - нет. Однако нейтрино Майорана и Дирака различны, только если их масса покоя не равна нулю. Для нейтрино Дирака дипольные моменты пропорциональны массе и обратились бы в нуль для безмассовой частицы. Однако массовые члены Майораны и Дирака могут появляться в массе Лагранжиан.

Механизм качели

В дополнение к левому нейтрино, которое соединяется со своим семейством заряженного лептона в слабых заряженных токах, если существует еще и правосторонний стерильный нейтрино-партнер (a слабый изозинглет с нуля обвинять ), то можно добавить майорановский массовый член 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 массовые собственные состояния нейтрино, мы должны диагонализовать общую матрицу масс ${ displaystyle M _ { nu}}$ :

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

куда ${ displaystyle M_ {NHL}}$ большой и ${ displaystyle m_ {D}}$ имеет промежуточный размер.

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: ${ textstyle M_ {NHL} приблизительно}$ 10⁵ до 10¹² ГэВ, а меньшее собственное значение примерно равно

{ displaystyle m _ { nu} приблизительно { frac {m_ {D} ^ {2}} {M_ {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 этот процесс смешивания - это то, как генерируется стерильная масса нейтрино.

Попытки обнаружения

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 NuTeV (E815) эксперимент на Фермилаб или же LEP-l3 в ЦЕРН. Все они привели к установлению ограничений на наблюдение, а не к фактическому наблюдению за этими частицами. Если они действительно являются составной частью темной материи, чувствительной рентгеновский снимок детекторы потребуются для наблюдения за излучением, испускаемым их распадами.^[5]

Стерильные нейтрино могут смешиваться с обычными нейтрино через Масса Дирака после нарушение электрослабой симметрии, по аналогии с кварки и заряжен лептоны.^{[нужна цитата ]}Стерильные нейтрино и (в более сложных моделях) обычные нейтрино также могут иметь Майоранские массы. В типе 1 механизм качелей массы Дирака и Майорана используются для уменьшения массы обычных нейтрино и делают стерильные нейтрино намного тяжелее, чем взаимодействующие нейтрино Стандартной модели. В некоторых моделях^{[который? ]} тяжелые нейтрино могут быть такими же тяжелыми, как Шкала GUT (≈10¹⁵ ГэВ). В других моделях^{[который? ]} они могли быть легче, чем слабые калибровочные бозоны W и Z как в так называемом νMSM модель, в которой их массы лежат между ГэВ и кэВ. Свет (с массой ≈1 эВ) стерильное нейтрино было предложено как возможное объяснение результатов Жидкий сцинтилляционный нейтринный детектор эксперимента. 11 апреля 2007 г. MiniBooNE эксперимент в Фермилаб объявили, что они не нашли никаких доказательств, подтверждающих существование такого стерильного нейтрино.^[6] Более поздние результаты и анализ подтвердили существование стерильного нейтрино.^[7]^[8]

Два отдельных детектора возле ядерного реактора во Франции обнаружили пропадание 3% антинейтрино. Они предположили существование четвертого нейтрино с массой 1,2 эВ.^[9] Стерильные нейтрино также являются кандидатами на темное излучение. Дайя Бэй также искал легкое стерильное нейтрино и исключил некоторые области масс.^[10] Компания Daya Bay Collaboration измерила энергетический спектр антинейтрино и обнаружила, что антинейтрино с энергией около 5 МэВ превышают теоретические ожидания. Также было зафиксировано 6% пропущенных антинейтрино.^[11] 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 формируют внешний вид космический микроволновый фон. Например, общее количество разновидностей нейтрино влияет на скорость расширения космоса в его самые ранние эпохи: большее количество нейтрино означает более быстрое расширение. Опубликованные данные Planck Satellite 2013 совместимы с существованием стерильного нейтрино. Предполагаемый диапазон масс составляет 0–3 эВ.^[12]^{[неудачная проверка – см. обсуждение]} В 2016 году ученые из Нейтринная обсерватория IceCube не нашел никаких доказательств существования стерильного нейтрино.^[13] Однако в мае 2018 г. MiniBooNE Эксперимент показал более сильный сигнал осцилляций нейтрино, чем ожидалось, возможно намек на стерильные нейтрино.^[3]^[4]

Смотрите также

MiniBooNE в Фермилаб

Сноски

^ И, как и в случае со всеми другими парами частица / античастица, стерильное правокиральное нейтрино и левокиральное антинейтрино также будут иметь одинаковую ненулевую массу. Хиральность, лептонное число и аромат (если есть) - единственные квантовые числа, которые отличают стерильное нейтрино от стерильного антинейтрино. Для любой заряженной частицы, например электрон, это не так: его античастица, позитрон, имеет противоположный электрический заряд, противоположный слабый изоспин, и противоположная хиральность среди других противоположных зарядов. Точно так же вверх кварк несет ответственность за ++2/3 и, например, цветовой заряд красного цвета, в то время как его античастица имеет электрический заряд −+2/3 и в этом примере цветной заряд анти-красного.

внешняя ссылка

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

[5] И, как и в случае со всеми другими парами частица / античастица, стерильное правокиральное нейтрино и левокиральное антинейтрино также будут иметь одинаковую ненулевую массу. Хиральность, лептонное число и аромат (если есть) - единственные квантовые числа, которые отличают стерильное нейтрино от стерильного антинейтрино. Для любой заряженной частицы, например электрон, это не так: его античастица, позитрон, имеет противоположный электрический заряд, противоположный слабый изоспин, и противоположная хиральность среди других противоположных зарядов. Точно так же вверх кварк несет ответственность за ++2/3 и, например, цветовой заряд красного цвета, в то время как его античастица имеет электрический заряд −+2/3 и в этом примере цветной заряд анти-красного.

[1] «Крупный физический эксперимент только что обнаружил частицу, которой не должно быть». Живая наука. Новости NBC. 2018.

[RHNeutrinosReview-2] а ^б Древес, Марко (2013). «Феноменология правых нейтрино». Международный журнал современной физики E. 22 (8): 1330019–593. arXiv:1303.6912. Bibcode:2013IJMPE..2230019D. Дои:10.1142 / S0218301313300191.

[LS-20180601-3] а ^б Летцтер, Рафи (1 июня 2018 г.). «Крупный физический эксперимент только что обнаружил частицу, которой не должно быть». LiveScience. Получено 3 июн 2018.

[ARX-20180530-4] а ^б Сотрудничество, MiniBooNE; Агилар-Аревало, A.A .; Brown, B.C .; Бугель, Л .; Cheng, G .; Conrad, J.M .; и другие. (2018). «Наблюдение значительного избытка электроноподобных событий в нейтринном эксперименте MiniBooNE с короткой базой». Письма с физическими проверками. 121 (22): 221801. arXiv:1805.12028. Bibcode:2018ПхРвЛ.121в1801А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.121.221801. PMID 30547637.

[bbcwdm-6] Баттисон, Лейла (16 сентября 2011 г.). «Карликовые галактики предполагают, что теория темной материи может быть ошибочной». Новости BBC. Получено 18 сентября 2011.

[7] «Первые результаты» (PDF). Эксперимент с ускорителем нейтрино (BooNE). Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Фермилаб).

[8] "Пространственные ярлыки". Scientific American. Август 2007 г.

[9] Bulbul, E .; Маркевич, М .; Фостер, А .; Smith, R.K .; Loewenstein, M .; Рэндалл, С. (2014). «Обнаружение неидентифицированной линии излучения в суммированном рентгеновском спектре скоплений галактик». Астрофизический журнал. 789 (1): 13. arXiv:1402.2301. Bibcode:2014ApJ ... 789 ... 13B. Дои:10.1088 / 0004-637X / 789/1/13.

[10] «Аномалия реакторной антинейтрино». irfu.cea.fr.

[11] An, F. P .; Балантекин, А.Б .; Band, H. R .; Beriguete, W .; Бишай, М .; Blyth, S .; и другие. (1 октября 2014 г.). «Поиск легкого стерильного нейтрино в Дайя-Бэй». Письма с физическими проверками. 113 (14): 141802. arXiv:1407.7259. Bibcode:2014ПхРвЛ.113н1802А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.141802. PMID 25325631.

[12] "Дайя Бэй обнаруживает несоответствие". Симметрия.

[13] Ade, P.A.R .; и другие. (Планковское сотрудничество ) (2013). «Итоги Planck 2013. XVI. Космологические параметры». Астрономия и астрофизика. 571: A16. arXiv:1303.5076. Bibcode:2014A&A ... 571A..16P. Дои:10.1051/0004-6361/201321591.

[14] «Ледяной телескоп проливает холодную воду на теорию стерильных нейтрино». Природа. 8 августа 2016 г.. Получено 12 августа 2016.

[1]

[2]

[3]

[4]

[а]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]