Когерентное упругое рассеяние ограничило отклонения нейтрино от Стандартной модели
Греческие физики рассчитали, какие отклонения от Стандартной модели укладываются в результаты эксперимента группы COHERENT по упругому когерентному рассеянию нейтрино на ядрах тяжелых элементов. В частности, они рассмотрели векторное и тензорное взаимодействие нейтрино с кварками, рассчитали магнитный момент и эффективный зарядовый радиус нейтрино, а также оценили параметры стерильных нейтрино. Статья опубликована в Physical Review D.
Теоретически процесс когерентного упругого рассеяния нейтрино на тяжелых атомных ядрах был предсказан еще в 1973 году американским физиком Дэвидом Фридманом, однако экспериментально его смогли зарегистрировать только в сентябре прошлого года. В ходе этого процесса низкоэнергетические нейтрино обмениваются нейтральным Z-бозоном не с отдельными кварками или нуклонами, а с ядром как целым (то есть когерентно), что приводит к резкому увеличению сечения рассеяния частиц. Если быть более точным, из-за особенностей электрослабого взаимодействия это сечение пропорционально квадрату числа нейтронов ядра. Например, для ядер иода-127 и энергий порядка десяти мегаэлектронвольт это приводит к почти тысячекратному росту сечения по сравнению с рассеянием нейтрино на электроне.
В ходе эксперимента, поставленного группой COHERENT, ученые следили за когерентным упругим рассеянием нейтрино, полученных на ускорителе SNS (Spallation Neutron Source, источник рассеянных нетронов), на атомах цезия-133 и иода-127. Собранные ими в течение 308 дней данные находились в хорошем соответствии с предсказаниями Стандартной модели (смотри графики). Тем не менее, некоторые теории за пределами Стандартной модели могут объяснять их так же хорошо, но предсказывают нестандартное поведение в других экспериментах. Поскольку нейтрино играют важную роль в астрофизических процессах, а также составляют неустранимый шум, который мешает зафиксировать взаимодействие обычной и темной материи, важно хорошо понимать физику, описывающую их взаимодействие с более тяжелыми частицами. По этой причине несколько групп по всему миру намерены подробно исследовать когерентное упругое рассеяние нейтрино.
Сравнение теоретического предсказания и экспериментально измеренной зависимости сечения рассеяния от энергии нейтрино (слева); оценка для угла смешивания Вайнберга, рассчитанная по результатам измерений группы COHERENT (справа). D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Поэтому физики-теоретики Димитриос Папулиас (Dimitrios Papoulias) и Теохарис Космас (Theocharis Kosmas) решили более подробно изучить данные, собранные группой COHERENT, и вывели из них ограничения на некоторые теории, выходящие за пределы Стандартной модели. В частности, они рассмотрели векторную и тензорную добавки к нейтральному току (току, который возникает, когда нейтрино обменивается с ядром Z-бозоном), рассчитали ограничения на магнитный момент и радиус нейтрино, а также оценили параметры стерильных нейтрино.
Для начала ученые рассмотрели «нестандартные» добавки к взаимодействию нейтрино и фермионов (например, u и d кварков, образующих нейтроны и протоны), которые определяют сечение их рассеяния на атомных ядрах и приводят к невозможным в Стандартной модели эффектам. Например, векторная добавка заставляет сечение зависеть от типа нейтрино, а тензорная добавка нарушает киральность процессов. Каждая из этих добавок входит в выражения для сечения рассеяния с некоторыми неизвестными коэффициентами. Рассматривая различные значения коэффициентов и подбирая их так, чтобы теоретически рассчитанное сечение как можно лучше совпадало с экспериментально измеренной величиной, ученые нашли, какие значения противоречат эксперименту группы COHERENT, а какие все еще остаются возможными. Проверку гипотез физики выполнили с помощью критерия согласия χ2.
Оценки параметров векторного (слева) и тензорного (справа) взаимодействий нейтрино и фермионов. D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Допустимые значения параметров векторного взаимодействия для электронных (слева) и мюонных (справа) нейтрино. D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Допустимые значения параметров тензорного взаимодействия для электронных (слева) и мюонных (справа) нейтрино. D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Затем исследователи заметили, что массивные нейтрино могут обладать магнитным моментом и ненулевым зарядовым радиусом, что также приводит к изменению сечения когерентного упругого рассеяния по сравнению с предсказаниями Стандартной модели. А именно, ненулевой радиус приводит к изменению эффективного угла смешивания электрослабого взаимодействия (в Стандартной модели квадрат его синуса примерно равен 0,2312), а введение в теорию магнитного момента обещает увеличение сечения рассеяния при низких энергиях. Снова сравнивая теоретические расчеты и эксперимент, ученые вычислили ограничения на эти параметры — оказалось, что магнитный момент нейтрино не может превышать 10−8 от магнетона Бора, а эффективный радиус примерно в тысячу раз меньше классического радиуса электрона. Эти результаты совпадают с ограничениями, определенными по наблюдениям за солнечными нейтрино, и должны быть сильно улучшены в следующей фазе эксперимента COHERENT.
Оценки магнитного момента (слева) и эффективного радиуса (справа). D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Допустимые значения магнитного момента (слева) и эффективного радиуса (справа) для электронных и мюонных нейтрино. D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Наконец, физики посмотрели, к каким последствиям приводит введение в теорию стерильных нейтрино, которые не взаимодействуют с веществом. В этом случае часть электронных и мюонных нейтрино, образующихся на ускорителе SNS, переходила бы в стерильные и терялась для детектора, что привело бы к уменьшению измеренного сечения взаимодействия. Для простоты ученые считали, что углы смешивания нейтрино различных типов равны, и оценивали массу стерильных нейтрино величиной порядка одного электронвольта. В результате они нашли, какие значения этих параметров допускаются экспериментом (смотри рисунок).
Допустимые значения массы и угла смешивания стерильных нейтрино. D. Papoulias, T. Kosmas / Phys. Rev. D
Подробно прочитать о когерентном упругом рассеяние нейтрино на атомных ядрах, а также об устройстве детектора, на котором в прошлом году этот процесс впервые был зарегистрирован, можно в нашем интервью с участником группы COHERENT Дмитрием Акимовым. В частности, в нем объясняется, откуда на ускорителе SNS берутся нейтрино и почему сечение когерентного упругого рассеяния пропорционально квадрату числа нейтронов ядра.