Могут ли нейтрино иметь более трех ароматов?

Представим гипотезу о четвертом поколении нейтрино: были рассмотрены две противоположные модели.

1. Активное нейтрино: это четвертое нейтрино сопровождается лептоном четвертого поколения (эквивалент электрона, мюона или тау), образуя четвертый дублет для электрослабого взаимодействия;

2. Стерильное нейтрино: это четвертое нейтрино никоим образом не связано ни с одной из частиц Стандартной модели.

В обоих случаях,$\nu_e$,$\nu_\mu$и$\nu_\tau$смешать с тем четвертым поколением, которое я обозначу$\nu_4$чтобы не повторяться, но феноменологии совершенно другие, потому что активный$\nu_4$может быть получен в экспериментах на коллайдере, а стерильный - нет. Таким образом, для каждой гипотезы существуют совершенно разные экспериментальные ограничения. Краткий ответ заключается в том, что активные нейтрино должны быть тяжелее примерно 40 ГэВ, в то время как есть несколько намеков на то, что могут существовать стерильные нейтрино, текущий вывод состоит в том, что возможно существование стерильного нейтрино с энергией около 1 эВ.$^2$тяжелее самого легкого из трех нейтрино Стандартной модели.

Следует отметить, что в более ранней версии этого ответа я рассматривал активные нейтрино только потому, что мне лично не нравится гипотеза о стерильных нейтрино, которую я считаю основой всех отговорок, и потому что я нахожу экспериментальные доказательства ненадежными, но Природе не диктуют, как ей себя вести, отсюда и эта поправка.

Длинные ответы следуют!

Активные нейтрино

Развивая то, что я только что написал, в$e^+e^-$столкновения на LEP, a$Z^0$может распадаться на пару нейтрино-антинейтрино, в том числе$\nu_4\bar{\nu}_4$также. Таким образом, это открывает два способа найти это четвертое поколение:$\nu_4$мог бы распасться на лептон первых трех поколений, и этот лептон был бы обнаружен; или он может ускользнуть от обнаружения и внести свой вклад в так называемую недостающую энергию, в которую вносят свой вклад и все другие нейтрино (нейтрино никогда не обнаруживаются в экспериментах на коллайдерах). Чем больше недостающая энергия, тем больше$Z^0$ширина распада, которая была измерена с большой точностью на LEP, что является дополнительным экспериментальным ограничением.

Итак, каковы были результаты? Вывод состоял в том, что$\nu_4$будет тяжелее примерно 40 ГэВ (следуйте ссылкам на этой странице группы данных о частицах ).

Еще один момент, потому что это часто неправильно понимают: если принять Стандартную модель с тремя ароматами нейтрино, но допустить, что они массивны, то можно измерить количество нейтрино, масса которых меньше половины массы нейтрино.$Z^0$(опять измерения LEP). Лучший результат$2.984 \pm 0.008$, опять же из ПДГ . Но это не означает, что кто-то доказал, что существует только три вида нейтрино, как обсуждалось в предыдущем абзаце, поскольку возможны и более тяжелые нейтрино. Этот результат, близкий к 3, просто говорит нам о том, что четвертое активное нейтрино должно быть тяжелее, а нижняя граница приведена в моем первом абзаце.

Стерильные нейтрино

В рамках этой гипотезы эксперименты на коллайдере бесполезны, поскольку$\nu_4$не может быть произведено в столкновениях частиц Стандартной модели. Только эксперименты с нейтринными осцилляциями могут обнаружить их благодаря дополнительному исчезновению$\nu_e$и$\nu_\mu$чем предсказывалось только с тремя вкусами Стандартной модели (я не включаю$\nu_\tau$потому что мы едва обнаружили его в этих экспериментах). В нескольких экспериментах с нейтрино были обнаружены небольшие отклонения от моделей с тремя ароматами, которые благоприятствовали бы легкому стерильному нейтрино. Имхо, ни один из этих результатов по отдельности не является убедительным, но в совокупности они приобретают некоторую силу, потому что они получены в результате совершенно разных экспериментов, и, что наиболее важно, экспериментов по исследованию различных энергий нейтрино. Примерно в 2013 году было проведено два глобальных анализа, в ходе которых были взяты данные из всех экспериментов, а затем была предпринята попытка подогнать одну и ту же модель ко всем из них. В результате можно получить стерильное нейтрино с энергией около 1 эВ.$^2$тяжелее самого легкого из трех нейтрино Стандартной модели.

Далее я рассмотрю каждый из этих аномальных экспериментальных результатов (когда я говорю «аномальный», я имею в виду сравнение с тремя вкусами). По сути, это краткое изложение обзора Particle Data Group, раздел 14.13, где я простым языком объясняю, как работают эти эксперименты. Следует помнить, что в физике элементарных частиц стандарт открытия составляет не менее 5$\sigma$, то есть один шанс из 1,7 миллиона, что эффект будет случайным, и все подсказки ниже не соответствуют этому, будучи на уровне 3 или ниже$\sigma$уровень, т.е. один шанс из 370, что это случайность.

Сначала у нас есть эксперименты LSND и MiniBooNE. Они следуют тому же принципу: пучок протонов сбрасывается в мишень, производя мюоны и антимюоны, распад которых производит$\nu_\mu$и$\bar{\nu}_\mu$. Затем в этот нейтринный пучок помещается детектор на расстоянии порядка 100 метров от источника. Они оба искали$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$и$\nu_\mu\to\nu_e$исчезновения. LSND был первым экспериментом, обнаружившим небольшой избыток$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$. Затем MiniBooNE был настроен на часть расследования этого. Напрашивается вывод, что они видели и эксцессы: в$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$исчезновения в 2.8$\sigma$, И в$\nu_\mu\to\nu_e$исчезновения в 3.4$\sigma$. Первый может быть совместим с LSND, но второй нет, в основном из-за нейтрино низкой энергии (менее 475 МэВ). Большинство исследований приходят к выводу, что только избыток в$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$следует считать.

Затем у нас есть краткие базовые эксперименты с ядерным реактором: они проводились в 80-х и 90-х годах в Гренобле (в Иллинойсе), Гесгене, Ровно, Красноярске, Буги (так называемые 3 и 4) и Саванне Ривершоу. Они используют$\nu_e$производится реактором и детектором, расположенным в нескольких десятках метров от него (отсюда и короткое название базовой линии). Проблема в том, что прецизионные эксперименты требуют точного знания реакторных потоков$\nu_e$. Их переоценка была проведена в 2011 г., и последующая переоценка данных показала аномальное исчезновение$\nu_e$. Но не все убеждены, что неопределенность потоков находится под контролем.

Наконец, GALLEX и SAGE. Это эксперименты с солнечными нейтрино с использованием больших емкостей, наполненных галлием:$\nu_e$от Солнца может вызвать обратную реакцию бета-распада, при которой ядро ​​галлия превращается в ядро ​​германия (его нестабильного изотопа). Затем количество германия извлекается химическим путем и подсчитывается благодаря распаду ядер германия. Для их калибровки некоторые интенсивные источники${}^{51}\text{Cr}$и${}^{37}\text{Ar}$использовались для их калибровки (радиоактивны при электронном захвате:$p+e^-\to n+\nu_e$где электрон с низшего энергетического уровня атома). Эти калибровочные данные показали дефицит$\nu_e$поток, на уровне около 3$\sigma$, что, таким образом, можно интерпретировать как неучтенное исчезновение$\nu_e$. Поскольку эти искусственные источники очень хорошо изучены, это кажется трудным для объяснения.