Физики ограничили зарядовый радиус нейтрино тремя аттометрами

28 декабря 2018
147

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.