Физики ограничили зарядовый радиус нейтрино тремя аттометрами

28 декабря 2018
remove_red_eye26

Физики рассчитали зарядовый радиус нейтрино, отталкиваясь от спектра упругого когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах, измеренного группой COHERENT. Оказалось, что радиус электронного и мюонного нейтрино не превышает трех аттометров (3×10−18 метра), а «недиагональные» радиусы, которые описывают превращения нейтрино, не превышают шести аттометров (6×10−18 метра). Ранее «недиагональные» радиусы нейтрино на практике не измерялись. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Обычно считается, что нейтрино не имеют электрического заряда, однако в действительности это может быть не так. Более того, даже в Стандартной модели зарядовый радиус нейтрино отличается от нуля, и его квадрат примерно равен 10−33 квадратным сантиметрам. Зарядовый радиус — это величина, которая показывает, насколько «большой» частица кажется для пролетающих мимо нее электронов. В классической физике электромагнетизм «отделен» от других типов взаимодействия, поэтому зарядовый радиус полностью определяется электрическим зарядом частицы. Однако в действительности электромагнитные силы являются частью более общего электрослабого взаимодействия. Поэтому электроны могут взаимодействовать с нейтрино через заряженные и нейтральные токи, то обмениваясь с ними виртуальными W- и Z-бозонами. В этом случае зарядовый радиус удобно определить как корень из сечения рассеяния нейтрино на электроне. Кроме того, в ходе такого рассеяния нейтрино может сменить поколение (например, электронное нейтрино превратится в мюонное); такие переходы описывают с помощью «недиагональных» радиусов. Также стоит отметить, что W- и Z-бозоны имеют очень большую массу, а потому электроны «замечают» нейтрино только при высоких энергиях, то есть на маленьких расстояниях: зарядовый радиус нейтрино примерно в тысячу раз меньше радиуса протона.

Из-за слабости этого эффекта физики до сих пор не смогли померить радиус нейтрино. По крайней мере, очевидные экспериментыпо рассеянию нейтрино на электронах до сих пор имеют погрешность порядка 10−16 сантиметров, что на порядок превосходит предсказания Стандартной модели. В то же время, некоторые ученые считают, что для описания нейтрино нужна более общая теория, в которой параметры нейтрино могут отличаться (в частности, в рамках Стандартной модели нельзя объяснить наблюдаемую массу нейтрино). Поэтому измерить зарядовый радиус важно, и физики продолжают искать альтернативные способы.

Группа ученых под руководством Карло Джунти (Carlo Giunti) предложила измерять зарядовый радиус нейтрино с помощью когерентного упругого рассеяния частиц на ядрах тяжелых элементов (SEvNS). Нейтрино, которые участвуют в этом процессе, имеют сравнительно небольшую энергию (порядка процента от массы протона) и передает ядру очень маленький импульс, а потому координата места, в котором произошло взаимодействие, «размазывается» из-за принципа неопределенностей Гейзенберга. В результате нейтрино взаимодействует с ядром как с единым целым, и сечение процесса сильно растет. Чтобы его рассчитать, нужно знать распределение протонов и нейтронов внутри ядра, форм-факторыи другие параметры ядра. Если учесть, что нейтрино имеет отличный от нуля зарядовый радиус, эти расчеты нужно немного подкорректировать, поскольку эффективная вершина взаимодействиянейтрино и W-бозона изменится. В результате «поползет» распределение частиц по энергии отдачи. К сожалению, долгое время физики не могли увидеть когерентное упругое рассеяние нейтрино. Тем не менее, в прошлом году группа COHERENT разработала детектор, нашла для него удачное место рядом с ускорителем SNS и впервые измерила распределение нейтрино по энергиям.

Чтобы «вытащить» из эксперимента зарядовый радиус нейтрино, ученые теоретически рассчитали энергетический спектр и «подогнали» параметры модели таким образом, чтобы она лучше всего совпала с данными наблюдений. Для этого нужно было знать распределение протонов и нейтронов внутри ядер цезия-133 и иода-127, из которых состояло рабочее вещество детектора. Оба этих распределения ученые описывали с помощью параметризации Гельма, параметрами которой является радиус и толщина поверхности. К сожалению, на практике был измерен только радиус протонного распределения, а радиус нейтронного распределения ученым пришлось менять в некотором диапазоне, ограниченном законами сохранения.