Не связаны ли нейтрино с полем Хиггса?

Точный механизм образования массы нейтрино неизвестен. Основная проблема заключается в том, что массы нейтрино чрезвычайно малы по сравнению со всеми другими масштабами энергии. Это означает, что любое взаимодействие, ответственное за их появление, сильно подавляется.

Безмассовые фермионы могут быть описаны так называемыми киральными спинорами, левыми или правыми. Это соответствует левой/правой спиральности (проекции спина на импульс частицы) частиц и противоположной спиральности античастиц. Интересно, что в слабом взаимодействии участвуют только левые спиноры. Когда мы предполагали, что нейтрино безмассовые, мы использовали только один левый киральный спинор$\nu_L$для описания каждого сорта.

Однако для массивного фермиона всегда можно найти систему отсчета, в которой он движется в другом направлении. Поэтому спиральность массивного фермиона не является инвариантной. Это связано с тем, что для описания массивного фермиона нужно получить некоторый спинор противоположной киральности. Самый простой способ (известный как масса Дирака ), который реализуется для заряженных лептонов и кварков, состоит в том, чтобы смешать два разных спинора с противоположными киральностью. Если предположить, что массы нейтрино реализуются по тому же механизму, то следует ввести дополнительные спинорные$\nu_R$и соедините его с$\nu_L$используя поле Хиггса с некоторым вакуумным средним значением$\langle v\rangle$. Тогда при низких энергиях мы получили бы в лагранжиане

$$\begin{equation} g\langle v\rangle \nu_R^\dagger\nu_L+g\nu_R^\dagger h \nu_L+\mathrm{h.c.} \end{equation}$$ Первый член соответствует массе нейтрино, равной $g\langle v\rangle$а второй описывает его взаимодействие с частицей Хиггса $h$который представлен следующей вершиной диаграммы Фейнмана.

Проблема в том, что нейтрино очень легкие по сравнению с другими фермионами. Это означает, что константа связи$g$для нейтрино должно быть чрезвычайно малым по сравнению, например, с электроном, что кажется довольно странным. В качестве$g$определяет константу связи для взаимодействия нейтрино с частицей Хиггса, что означает, что такие процессы крайне подавлены. Поскольку нейтрино электрически нейтральны и$W^\pm$,$Z^0$бозоны взаимодействуют только с$\nu_L$новый компонент$\nu_R$не играет никакой роли ни в каком другом процессе. Вот и приходится вводить практически невидимое новое поле с какими-то странными значениями параметров.

Другой способ (так называемая майорановская масса) использует тот факт, что частицы и античастицы, исходящие из одного и того же кирального спинора$\chi$имеет противоположные хиральности. Итак, зарядовое сопряжение$\chi^c$этого спинора ведет себя как спинор противоположной хиральности, и мы можем использовать$\nu_L^c$вместо$\nu_R$. Из-за слабого взаимодействия, чтобы сделать теорию самосогласованной, вы должны связать их также с полем Хиггса следующим образом:

$$\begin{equation} \frac{g}{\Lambda} (\nu_L^c)^\dagger h^2 \nu_L \end{equation}$$ Это описывает различное взаимодействие с частицей Хиггса, представленное следующей вершиной диаграммы Фейнмана:

Теперь константа связи становится размерной, характеризуемой некоторым большим энергетическим масштабом$\Lambda$. Это означает, что наша модель становится неперенормируемой , т.е. она будет нарушена, когда наши энергии станут сравнимыми с$\Lambda$. Следовательно, добавление майорановской массы к нейтрино означает, что мы прикасаемся к какой-то более фундаментальной новой физике. Однако это может объяснить, почему эти массы такие крошечные — в этой гипотезе они на самом деле являются слабым эхом какой-то новой физики в очень высоких энергетических масштабах.

На самом деле вы можете получить это майорановское нейтрино с помощью очень простого так называемого механизма качелей, который сочетает в себе обычный механизм Хиггса с участием нового компонента.$\nu_R$с какой-то очень тяжелой майорановской массой$M_R$за$\nu_R$(который можно ввести перенормируемым способом, так как он не взаимодействует с$W^\pm$а также$Z^0$). Интересно, что если$M_R$сравнима с предполагаемым масштабом Великого объединения, в то время как взаимодействие с полем Хиггса почти такое же сильное, как и для электронов, результирующая масса для легких нейтрино имеет порядок, близкий к наблюдениям. Поскольку этот механизм настолько прост и естественен, это довольно популярная гипотеза.

Конечно, это самые простые варианты. Возможно, нейтрино вообще не взаимодействует с бозоном Хиггса напрямую, а его роль играют какие-то неизвестные поля с аналогичными свойствами, но гораздо большей массой. Мы просто еще не знаем.

Чтобы сократить это до научно-популярных терминов, киральность фермиона меняется каждый раз, когда он взаимодействует с бозоном Хиггса. Точнее, взаимодействия с полем Хиггса смешивают, например, левый электрон и правый антипозитрон. Эта смесь и есть то, что мы называем массивным электроном. Гораздо более подробное, но все же достаточно доступное обсуждение этого есть здесь .

Но правого нейтрино не существует, по крайней мере, мы никогда его не обнаруживали. Это означает, что (левостороннее) нейтрино не может соединиться с полем Хиггса.

Мы знаем, что у нейтрино есть масса, но мы не знаем происхождения этой массы. Если бы мы обнаружили правостороннее нейтрино, мы бы знали, что нейтрино может соединиться с бозоном Хиггса и таким образом получить свою массу. Если правого нейтрино не существует, то масса нейтрино должна быть получена из какого-то другого источника.

Между физиками нет единого мнения о механизме генерации массы нейтрино.

Например, в Стандартной модели (СМ) нет массы нейтрино из-за неоднозначности механизма Хиггса (электрон и нейтрино_е есть дублет SU(2), и после спонтанного нарушения симметрии первый получает массу,$m_e$, а второй остается несвязанным.

Механизм генерации массы нейтрино сегодня много обсуждается в различных теориях, таких как минимальное расширение СМ, и в более сложных и экзотических теориях.