Какое экспериментальное измерение можно использовать, чтобы показать, что нейтрино является майорановской, а не дираковской частицей?

Во-первых, давайте проясним некоторую терминологию: обычное утверждение «фермионы Майорана являются их собственными античастицами» верно, но сбивает с толку, потому что слова, которые мы обычно используем для описания нейтрино, созданы для фермионов Дирака.

Если бы у нейтрино вообще не было массы, было бы два независимых типа нейтрино: левое и правое нейтрино. Эти частицы можно отличить по реакциям, в которых они участвуют. Например, в$\beta$распадаются только правые нейтрино, а в$\beta^+$распадаются только левые нейтрино.

Если нейтрино дираковские, то «правое нейтрино» выше интерпретируется как антинейтрино, и именно так мы называем это в Стандартной модели, например, мы говорим, что антинейтрино производятся в$\beta$разлагаться.

Если нейтрино майорановские, это означает, что указанное выше «правое нейтрино» не является античастицей. Это не означает, что левые и правые нейтрино — одно и то же, поскольку они участвуют в разных реакциях. Однако массовый член Майораны позволил бы нейтрино колебаться между левым и правым состояниями.

Следовательно, мы можем доказать, что нейтрино майорановское, наблюдая, как левое нейтрино превращается в правое нейтрино; или, на языке Дирака, нейтрино, «превращающееся в антинейтрино». Итак, в принципе, любой из следующих экспериментов может сработать:

• Направьте пучок нейтрино на цель и найдите реакцию, которая может быть вызвана только антинейтрино.
• Направьте два луча нейтрино друг на друга и ищите аннигиляцию пар (возможно только в том случае, если некоторые нейтрино превратятся в антинейтрино).

Эти эксперименты неосуществимы, потому что нейтрино мало взаимодействуют между собой, и трудно удалить фон. Большая проблема заключается в том, что нейтрино движутся очень близко к$c$, и, следовательно, испытать большое замедление времени; это означает, что переход между нейтрино и антинейтрино очень медленный.

Фактическая экспериментальная установка состоит в том, чтобы попытаться обнаружить безнейтринный двойной бета-распад , или$0\nu \beta \beta$'. Это процесс, при котором одновременно происходят два бета-распада, образуя два антинейтрино, а затем одно антинейтрино превращается в нейтрино, и пара аннигилирует.

Легко сказать, если$0\nu\beta\beta$произошло, потому что в конце реакции не было бы нейтрино, уносящих энергию. Затем вы ожидаете увидеть, как два электрона выходят спина к спине с энергией, почти точно равной$E/2$, где$E$это высвобождаемая энергия, дающая очень резкий выступ в поперечном сечении. По техническим причинам,$0\nu \beta\beta$также кинематически предпочтительнее$2\nu\beta\beta$с коэффициентом$10^6$, облегчая обнаружение.

Я просто попытаюсь добавить то, что Кнчжоу сказал о первом возможном эксперименте, чтобы определить, являются ли нейтрино майорановскими частицами или частицами Дирака.

Итак, рассмотрим ситуацию, когда мюонное нейтрино покоится в середине комнаты со спином вниз. Рассмотрим две цели: одна верхняя цель (расположенная над нейтрино), а другая нижняя цель (расположенная ниже нейтрино). Предположим, что нейтрино, ускоренное в восходящем направлении и поразившее цель, может породить мюонную частицу (поскольку ускоренное восходящее направление является левосторонней частицей, подразумевается нейтринная частица). Теперь рассмотрим другую ситуацию, когда частица, ускоренная вниз и ударившая в цель, производит мюон. Это означает, что нейтрино является майорановской частицей (поскольку нейтрино RH не наблюдалось в природе, поэтому это должно быть антинейтрино RH, так что это приведет к античастице мюона), и если нейтрино является частицей Дирака, мюон анти- частица не получит продукцию таким образом.