Sterylne neutrino - Sterile neutrino

Sterylne neutriny (lub obojętne neutrinów ) są hipotetyczne cząstki (obojętne leptony - neutriny ), które, jak się uważa oddziałują tylko przez siły ciężkości i nie oddziałują za pośrednictwem któregokolwiek z zasadniczych oddziaływań na modelu standardowego . Termin sterylne neutrina jest używany do odróżnienia ich od znanych aktywnych neutrin w Modelu Standardowym , które mają ładunek izospinowy ±+1/2pod słabą interakcją . Zazwyczaj odnosi się do neutrin o prawoskrętnej chiralności (patrz prawoskrętne neutrino ), które można dodać do Modelu Standardowego. Cząstki, które posiadają liczby kwantowe sterylnych neutrin i masy na tyle duże, że nie kolidują z obecną teorią nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, są często nazywane neutralnymi ciężkimi leptonami (NHL) lub ciężkimi neutralnymi leptonami (HNL).

Istnienie prawoskrętnych neutrin jest teoretycznie dobrze umotywowane, ponieważ wszystkie inne znane fermiony zaobserwowano zarówno z lewostronną, jak i prawą chiralnością . Mogli również wyjaśnić w naturalny sposób małe aktywne masy neutrin wywnioskowane z oscylacji neutrin . Masa samych prawoskrętnych neutrin jest nieznana i może mieć dowolną wartość między 10 ¹⁵ GeV a mniej niż 1 eV. Aby spełnić teorie leptogenezy i ciemnej materii , muszą istnieć co najmniej 3 rodzaje neutrin sterylnych (jeśli istnieją). Jest to w przeciwieństwie do liczby aktywnych typów neutrin wymaganych do zapewnienia, że oddziaływanie elektrosłabe jest wolne od anomalii, która musi wynosić dokładnie 3: Liczba naładowanych leptonów i generacji kwarków .

Poszukiwanie sterylnych neutrin jest aktywnym obszarem fizyki cząstek elementarnych . Jeśli istnieją, a ich masa jest mniejsza niż energie cząstek w eksperymencie, można je wytworzyć w laboratorium, albo przez zmieszanie aktywnych i sterylnych neutrin, albo w zderzeniach cząstek o wysokiej energii. Jeśli są cięższe, jedyną obserwowalną bezpośrednio konsekwencją ich istnienia byłyby obserwowane aktywne masy neutrin. Mogą być jednak odpowiedzialne za szereg niewyjaśnionych zjawisk w kosmologii fizycznej i astrofizyce , w tym ciemną materię , bariogenezę czy hipotetyczne ciemne promieniowanie . W maju 2018 roku fizycy z eksperymentu MiniBooNE zgłosili silniejszy sygnał oscylacji neutrin niż oczekiwano, co może wskazywać na sterylne neutrina.

Motywacja

Wyniki eksperymentów pokazują, że wszystkie wyprodukowane i zaobserwowane neutrina mają skręty lewoskrętne (spin antyrównolegle do pędu ), a wszystkie antyneutrina mają skręty prawoskrętne, w granicach błędu. W limicie bezmasowym oznacza to, że dla każdej cząstki obserwuje się tylko jedną z dwóch możliwych chiralności . Są to jedyne helicity (i chiralności) dozwolone w Modelu Standardowym oddziaływań cząstek; cząstki o przeciwnych helicity są wyraźnie wykluczone ze wzorów.

Niedawne eksperymenty, takie jak oscylacja neutrin , wykazały jednak, że neutrina mają masę niezerową, czego nie przewiduje Model Standardowy i sugeruje nową, nieznaną fizykę. Ta nieoczekiwana masa wyjaśnia neutrina o prawoskrętnej spiralności, a antyneutrina o lewoskrętnej spiralności: ponieważ nie poruszają się one z prędkością światła, ich spiralność nie jest niezmiennikiem relatywistycznym (możliwe jest poruszanie się szybciej od nich i obserwowanie odwrotnej spirali). . Jednak wszystkie neutrina zaobserwowano z chiralnością lewoskrętną , a wszystkie antyneutrina prawoskrętną. Chiralność jest podstawową właściwością cząstek i jest relatywistycznie niezmienna: jest taka sama niezależnie od prędkości i masy cząstki w każdym bezwładnościowym układzie odniesienia. Jednak cząstka o masie, która zaczyna się od lewoskrętnej chiralności, może rozwinąć prawoskrętny składnik podczas podróży – o ile nie jest bezmasowa, chiralność nie jest zachowana podczas propagacji wolnej cząstki w przestrzeni.

Pozostaje zatem pytanie: czy neutrina i antyneutrina różnią się tylko chiralnością? A może egzotyczne prawoskrętne neutrina i lewoskrętne antyneutrina istnieją jako odrębne cząstki od zwykłych lewoskrętnych neutrin i prawoskrętnych antyneutrin?

Nieruchomości

Takie cząstki należałyby do reprezentacji singletowej w odniesieniu do oddziaływania silnego i oddziaływania słabego , z zerowym ładunkiem elektrycznym , zerowym słabym hipernaładunkiem , zerowym słabym izospinem i , tak jak w przypadku innych leptonów , zerowym ładunkiem barwnym , chociaż są one konwencjonalnie przedstawiane jako . mieć liczbę kwantową B − L równą -1. Jeśli model standardowy jest osadzony w hipotetycznej teorii wielkiej zunifikowanej SO(10) , można im przypisać ładunek X równy -5. Leworęczne antyneutrino ma B − L równe +1 i ładunek X +5.

Ze względu na brak ładunku elektrycznego, hiperdoładowania i ładunku barwnego, sterylne neutrina nie oddziaływałyby elektromagnetycznie , słabo ani silnie , co czyni je niezwykle trudnymi do wykrycia. Mają one interakcje Yukawy ze zwykłymi leptonami i bozonami Higgsa , co poprzez mechanizm Higgsa prowadzi do mieszania się ze zwykłymi neutrinami.

W eksperymentach z energiami większymi niż ich masa, sterylne neutrina brałyby udział we wszystkich procesach, w których biorą udział zwykłe neutrina, ale z prawdopodobieństwem kwantowo-mechanicznym, które jest tłumione przez mały kąt mieszania. Dzięki temu możliwe jest ich eksperymentalne wytwarzanie, jeśli są wystarczająco lekkie, aby znajdować się w zasięgu obecnych akceleratorów cząstek.

Ze względu na swoją masę oddziaływałyby również grawitacyjnie, a jeśli są wystarczająco ciężkie, mogą wyjaśniać zimną ciemną materię lub ciepłą ciemną materię . W niektórych teoriach wielkiej unifikacji , takich jak SO(10) , oddziałują one również poprzez interakcje cechowania, które są ekstremalnie tłumione przy zwykłych energiach, ponieważ ich bozon cechowania jest niezwykle masywny. Nie pojawiają się one w ogóle w niektórych innych PG, takich jak model Georgi-Glashowa ( tj. wszystkie jego ładunki SU(5) lub liczby kwantowe są zerowe).

Masa

Wszystkie cząstki są początkowo bezmasowe w Modelu Standardowym, ponieważ w Lagrange'u Modelu Standardowego nie ma składników masy Diraca . Jedyne składniki masy są generowane przez mechanizm Higgsa , który wytwarza niezerowe sprzężenia Yukawa między lewoskrętnymi składnikami fermionów, polem Higgsa i ich prawoskrętnymi składnikami. Dzieje się tak, gdy dubletowe pole Higgsa SU (2) uzyskuje niezerową wartość oczekiwaną próżni , spontanicznie łamiąc symetrię SU(2) _L × U(1), a tym samym dając niezerowe sprzężenia Yukawy: ${\displaystyle \phi}$${\displaystyle \nu}$

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

Tak jest w przypadku naładowanych leptonów, takich jak elektron, ale w standardowym modelu prawoskrętne neutrino nie istnieje. Tak więc przy braku sterylnych prawych neutrin chiralnych, które można sparować z lewymi neutrinami chiralnymi, nawet przy sprzężeniu Yukawy aktywne neutrina pozostają bezmasowe. Innymi słowy, w Modelu Standardowym nie ma terminów generujących masę dla neutrin: dla każdej generacji model zawiera tylko lewoskrętne neutrino i jego antycząstkę, prawoskrętne antyneutrino, z których każdy jest wytwarzany w słabych stanach własnych podczas słabe interakcje; pominięto „sterylne” neutrina. ( Szczegółowe wyjaśnienie znajduje się w masach neutrin w Modelu Standardowym ).

W mechanizmie huśtawkowym model jest rozszerzony o brakujące prawoskrętne neutrina i lewoskrętne antyneutrina; Przypuszcza się, że jeden z wektorów własnych macierzy mas neutrin jest znacznie cięższy od drugiego.

Sterylne (prawo-chiralne) neutrino miałoby taki sam słaby hiperładunek , słaby izospin i ładunek elektryczny jak jego antycząstka, ponieważ wszystkie te wartości są zerowe i dlatego nie ma na nie wpływu odwrócenie znaku .

Warunki Diraca i Majorany

Sterylne neutrina pozwalają jak zwykle na wprowadzenie określenia masowego Diraca . Może to dać obserwowaną masę neutrina, ale wymaga, aby siła sprzężenia Yukawy była znacznie słabsza dla neutrina elektronowego niż elektronu, bez wyjaśnienia. Podobne problemy (choć mniej poważne) obserwuje się w sektorze twarogowym, gdzie masy górne i dolne różnią się 40-krotnie.

W przeciwieństwie do lewoskrętnego neutrina, termin masy Majorany może być dodany do sterylnego neutrina bez naruszania lokalnych symetrii (słaby izospin i słaby hiperładunek), ponieważ nie ma słabego ładunku. Jednak nadal naruszałoby to całkowitą liczbę leptonów .

Możliwe jest uwzględnienie zarówno określeń Diraca, jak i Majorany: odbywa się to w mechanizmie huśtawkowym (poniżej). Oprócz spełnienia równania Majorany , gdyby neutrino było również jego własną antycząstką , byłby to pierwszy fermion Majorany . W takim przypadku może anihilować z innym neutrinem, umożliwiając bezneutrinowy podwójny rozpad beta . Drugim przypadkiem jest to, że jest to fermion Diraca , który nie jest własną antycząstką.

Ujmując to w kategoriach matematycznych, musimy wykorzystać właściwości transformacji cząstek. W przypadku pól swobodnych pole Majorany definiuje się jako stan własny koniugacji ładunku. Jednak neutrina oddziałują tylko poprzez oddziaływania słabe, które nie są niezmiennicze przy sprzężeniu ładunku (C), więc oddziałujące neutrino Majorany nie może być stanem własnym C. Uogólniona definicja brzmi: „ pole neutrin Majorany jest stanem własnym transformacji CP ”. W konsekwencji neutrina Majorany i Diraca zachowywałyby się inaczej w transformacjach CP (właściwie transformacjach Lorentza i CPT ). Ponadto masywne neutrino Diraca miałoby niezerowe magnetyczne i elektryczne momenty dipolowe , podczas gdy neutrino Majorany nie. Jednak neutrina Majorany i Diraca różnią się od siebie tylko wtedy, gdy ich masa spoczynkowa nie jest równa zeru. W przypadku neutrin Diraca momenty dipolowe są proporcjonalne do masy i zniknęłyby dla cząstki bezmasowej. W masowym Lagrange'u mogą się jednak pojawiać zarówno terminy masowe Majorany, jak i Diraca .

Mechanizm huśtawkowy

Oprócz lewoskrętnego neutrina, które łączy się z rodziną naładowanym leptonem w słabych naładowanych prądach, jeśli istnieje również prawoskrętny sterylny partner neutrinowy ( słaba izosingleta o zerowym ładunku ), można dodać człon masy Majorany bez naruszania symetrii elektrosłabej. Obydwa neutrina mają masę, a ręczność nie jest już zachowana (zatem „lewe lub prawoskrętne neutrino” oznacza, że ​​stan jest w większości lewoskrętny lub prawoskrętny). Aby otrzymać stany własne masy neutrin, musimy diagonalizować ogólną macierz mas : ${\displaystyle M_{\nu}}$

${\ Displaystyle M_ {\ nu} = {\ zacząć {pmatrix} 0 i m_ {D} \ \ m_ {D} i M_ {NHL} \ koniec {pmatrix}}}$

gdzie jest duże i ma średnią wielkość. ${\ Displaystyle M_ {NHL}}$${\ Displaystyle m_ {D}}$

Oprócz dowodów empirycznych istnieje również teoretyczne uzasadnienie mechanizmu huśtawki w różnych rozszerzeniach Modelu Standardowego. Zarówno teorie Wielkiej Unifikacji (GUT), jak i modele symetryczne lewo-prawo przewidują następującą zależność:

${\ Displaystyle m_ {\ nu} \ ll m_ {D} \ ll M_ {NHL}}$

Według GUT i modeli lewo-prawo prawoskrętne neutrino jest niezwykle ciężkie: od 10 ⁵ do 10 ¹² GeV, podczas gdy mniejsza wartość własna jest w przybliżeniu równa ${\textstyle M_{NHL}\ok }$

${\ Displaystyle m_ {\ nu} \ około {\ Frac {m_ {D} ^ {2}} {M_ {NHL}}}}$

To jest mechanizm huśtawki : gdy sterylne prawoskrętne neutrino staje się cięższe, normalne lewoskrętne neutrino staje się lżejsze. Lewoskrętne neutrino jest mieszaniną dwóch neutrin Majorany, a ten proces mieszania jest sposobem generowania sterylnej masy neutrinowej.

Sterylne neutrina jako ciemna materia

Aby cząsteczka mogła zostać uznana za kandydata na ciemną materię, musi mieć niezerową masę i brak ładunku elektromagnetycznego . Naturalnie neutrina i cząstki neutrinopodobne są źródłem zainteresowania w poszukiwaniu ciemnej materii ze względu na posiadanie tych dwóch właściwości. To jest bardziej powszechne dzisiaj, że teorie opierają się na zimnej ciemnej materii modeli (ciemna materia we wczesnym Wszechświecie jest non -relativistic), w przeciwieństwie do gorącej ciemnej materii modeli (ciemna materia we wczesnym Wszechświecie jest relatywistyczna). Dlatego aktywne neutrina Modelu Standardowego prawdopodobnie nie uwzględniają całej ciemnej materii ze względu na ich małą masę.

Ponieważ masa sterylnych neutrin nie jest obecnie znana, nie wykluczono, że jest to ciemna materia. Jeśli ciemna materia składa się ze sterylnych neutrin, to można nałożyć pewne ograniczenia na ich właściwości. Po pierwsze, masa sterylnego neutrina musiałaby być w skali keV, aby wytworzyć obserwowaną dzisiaj strukturę wszechświata. Po drugie, chociaż nie jest wymagane, aby ciemna materia była stabilna, czas życia cząstek musi być dłuższy niż obecny wiek wszechświata. Stanowi to górną granicę siły mieszania neutrin sterylnych i aktywnych w mechanizmie huśtawkowym . Z dotychczasowej wiedzy o cząstce wynika, że ​​sterylne neutrino jest obiecującym kandydatem na ciemną materię, ale tak jak w przypadku każdej innej proponowanej cząstki ciemnej materii, jego istnienie nie zostało jeszcze potwierdzone.

Próby wykrywania

Produkcja i rozpad sterylnych neutrin może następować poprzez zmieszanie z neutrinami wirtualnymi („powłoką poza masą”). Stworzono kilka eksperymentów w celu odkrycia lub obserwacji NHL, na przykład eksperyment NuTeV (E815) w Fermilab lub LEP-L3 w CERN . Wszystkie one doprowadziły do ​​ustalenia granic obserwacji, a nie rzeczywistej obserwacji tych cząstek. Jeśli rzeczywiście są składnikiem ciemnej materii, do obserwacji promieniowania emitowanego przez ich rozpady potrzebne byłyby czułe detektory promieniowania rentgenowskiego .

Wnętrze detektora MiniBooNE w Fermilab. Detektor ten został stworzony do pomiaru oscylacji neutrin.

Neutrina sterylne mogą mieszać się ze zwykłymi neutrinami poprzez masę Diraca po złamaniu symetrii elektrosłabej , analogicznie do kwarków i naładowanych leptonów . Neutrina sterylne i (w bardziej skomplikowanych modelach) zwykłe neutrina również mogą mieć masy Majorany . W mechanizmie huśtawkowym typu 1 zarówno masy Diraca, jak i Majorany są używane do obniżania zwykłych mas neutrin i sprawiają, że neutrina sterylne są znacznie cięższe niż neutrina oddziałujące z Modelu Standardowego. W modelach huśtawek w skali GUT ciężkie neutrina mogą być tak ciężkie, jak w skali GUT (≈10 ¹⁵  GeV ). W innych modelach, takich jak model νMSM gdzie ich masy są w keV do zakresu GeV, może być lżejszy od słabych bozonów cechowania W i Z . Światło (z masąJako możliwe wyjaśnienie wyników eksperymentu Liquid Scintillator Neutrino Detector zaproponowano ≈1 eV ) sterylne neutrino . 11 kwietnia 2007 r. badacze z eksperymentu MiniBooNE w Fermilab ogłosili, że nie znaleźli żadnych dowodów na istnienie takiego sterylnego neutrina. Nowsze wyniki i analizy dostarczyły pewnych dowodów na istnienie sterylnego neutrina.

Dwa oddzielne detektory w pobliżu reaktora jądrowego we Francji wykryły brak 3% antyneutrin. Zasugerowali istnienie czwartego neutrina o masie 1,2 eV. Neutrina sterylne są również kandydatami na ciemne promieniowanie . Daya Bay szukała również jasnego, sterylnego neutrina i wykluczyła niektóre obszary masowe. Zespół Daya Bay Collaboration zmierzył widmo energii antyneutrin i stwierdził, że antyneutrina o energii około 5 MeV przekraczają teoretyczne oczekiwania. Odnotowała również 6% brakujących antyneutrin. Może to sugerować, że istnieją sterylne neutrina lub że nasze zrozumienie jakiegoś innego aspektu neutrin jest niekompletne.

Liczba neutrin i masy cząstek mogą mieć wielkoskalowe efekty, które kształtują wygląd kosmicznego mikrofalowego tła . Na przykład całkowita liczba gatunków neutrin wpływa na tempo ekspansji kosmosu w swoich najwcześniejszych epokach: więcej neutrin oznacza szybszą ekspansję. Publikacja danych Planck Satellite 2013 jest zgodna z istnieniem sterylnego neutrina. Zakładany zakres mas wynosi od 0 do 3 eV. W 2016 roku naukowcy z IceCube Neutrino Observatory nie znaleźli żadnych dowodów na sterylne neutrino. Jednak w maju 2018 roku fizycy eksperymentu MiniBooNE zgłosili silniejszy sygnał oscylacji neutrin niż oczekiwano, co może wskazywać na sterylne neutrina.

Zobacz też

• Lista hipotetycznych cząstek
• MiniBooNE w Fermilab
• Słabo oddziałująca smukła cząsteczka

Przypisy

Bibliografia

• Drewes, M. (2013). „Fenomenologia prawoskrętnych neutrin”. International Journal of Modern Physics E . 22 (8): 1330019–593. arXiv : 1303.6912 . Kod bib : 2013IJMPE..2230019D . doi : 10.1142/S0218301313300191 . S2CID  119161526 .

• Merle, A. (2013). „Budowanie modelu neutrin keV”. International Journal of Modern Physics D . 22 (10): 1330020. arXiv : 1302.2625 . Kod bib : 2013IJMPD..2230020M . doi : 10.1142/S0218271813300206 . S2CID  118550598 .

• Vaitaitis, AG; i in. (1999). „Szukaj neutralnych ciężkich leptonów w wysokoenergetycznej wiązce neutrin”. Fizyczne listy kontrolne . 83 (24): 4943-4946. arXiv : hep-ex/9908011 . Kod bib : 1999PhRvL..83.4943V . doi : 10.1103/PhysRevLett.83.4943 . S2CID  14328194 .

• Formaggio, JA; Konrad, J.; Shaevitz, M.; Vaitaitis, A. (1998). „Efekty helicity w neutralnych ciężkich rozpadach leptonu”. Przegląd fizyczny D . 57 (11): 7037–7040. Kod Bib : 1998PhRvD..57.7037F . doi : 10.1103/PhysRevD.57.7037 .
• Nakamura, K.; Grupa Danych Cząstek (2010). „Przegląd Fizyki Cząstek” . Czasopismo Fizyki G . 37 (75021): 075021. Kod Bib : 2010JPhG...37g5021N . doi : 10.1088/0954-3899/37/7A/075021 .

Zewnętrzne linki

• „Sterylne Neutrina” . Neutrino niezwiązane. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 24 czerwca 2016 r.
• „Eksperyment NuTeV w Fermilab” .
• „Eksperyment L3 w CERN” .
• „Eksperyment nixy czwarte neutrino” . Naukowy Amerykanin . Kwiecień 2007.