Физики ограничили зарядовый радиус нейтрино тремя аттометрами
Физики из Италии, России и Китая 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 эксперименты по 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-факторы и другие параметры ядра. Если учесть, что нейтрино имеет отличный от нуля зарядовый радиус, эти расчеты нужно немного подкорректировать, поскольку эффективная вершина взаимодействия нейтрино 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.
Как и ожидалось, лучше всего теоретический спектр совпадал с экспериментальным в предположении нулевого зарядового радиуса нейтрино. По оценкам ученых, квадрат радиуса электронного и мюонного нейтрино с вероятностью 90 процентов лежит в интервале между −8×10−32 и 11×10−32 квадратных сантиметров (в Стандартной модели отрицательный радиус имеют антинейтрино). Другими словами, радиус нейтрино не превышает трех аттометров (один аттометр = 10−18 метров). Эта величина сравнима с экспериментами по рассеянию электронных нейтрино и немного улучшает ограничение на радиус мюонного нейтрино. Тем не менее, набрать статистику и улучшить ограничение с помощью SEvNS легче. Кроме того, физики впервые оценили зарядовые радиусы «недиагональных» переходов с изменением поколения, которые оказались ограничены величиной порядка 40×10−32 квадратных сантиметров.
В апреле 2016 года группа ZEUS измерила зарядовый радиус u- и d-кварков, из которых состоит протон и нейтрон. Оказалось, что этот радиус не превышает 0,43 аттометра. В августе того же года группа CREMA определила зарядовый радиус дейтрона, который составил 2,13 фемтометра (один фемтометр = 10−15 метров). В ноябре этого года физики из лаборатории американской лаборатории имени Джефферсона перемерили радиус протона и показали, что он примерно равен 0,83 фемтометра, что примерно на пять процентов меньше общепринятого значения. Возможно, этот эксперимент объяснит расхождение в радиусах протона, измеренных с помощью обычного или мюонного водорода, и решит «загадку радиуса протона».
В феврале этого года физики-теоретики из Греции рассмотрели- векторное и тензорное взаимодействие нейтрино с кварками, рассчитали магнитный момент и зарядовый радиус нейтрино, а также оценили параметры стерильных нейтрино. Для этого ученые использовали данные группа COHERENT по когерентному упругому рассеянию нейтрино. Новая статья уточняет некоторые из полученных ограничений. А в декабре прошлого года разработанный группой детектор вышел в финал голосования «Научный прорыв года», которое проводил журнал Science. Подробно прочитать про устройство детектора и когерентное упругое рассеяние нейтрино можно в интервью Дмитрия Акимова — одного из участников группы COHERENT.
Дмитрий Трунин
Для скалярной константы связи удалось уточнить предел почти на порядок
Физики из Великобритании получили наиболее жесткие на сегодняшний день ограничения на параметры ультралегкой темной материи. Для этого они использовали данные атомных часов и новый модельно-независимый подход к изучению вариаций во времени этих параметров и других фундаментальных констант. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics. По современным представлениям темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше обычного вещества. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому недоступна прямому наблюдению. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — вимпы — до сих пор экспериментально не обнаружены. Поэтому ученые рассматривают и другие теории о составе темной материи: от сверхлегких частиц, например, аксионов, до первичных черных дыр. Ранее ученые уже использовали данные атомных часов для ограничения параметров ультралегкой темной материи с массой менее 10-16 электронвольт. На этот раз физики Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons) с коллегами из университета Сассекса и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне предложили новый модельно-независимый подход к изучению временных вариаций фундаментальных констант при анализе данных атомных часов. При этом количество свободных параметров увеличилось, что по мнению ученых позволит тестировать различные модели и их константы связи. Чтобы проверить новый подход в действии, физики использовали три типа атомных часов: на основе атомов стронция Sr в решетчатой ловушке, на основе ионов иттербия Yb+ в ловушке Пауля и атомные часы на цезиевом фонтане Cs. Частоты всех часов измерялись относительно водородного мазера, после чего рассчитывались отношения частот Yb+/Sr, Yb+/Cs и Sr/Cs. Это позволило исключить возможные ошибки, связанные с нестабильностью работы мазера из-за изменения параметров окружающей среды. Генерируемые частоты во всех часах зависят от соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона. Поэтому из взаимных измерений частот трех часов можно получить колебания со временем этих констант. Особенностью эксперимента стала независимость измерений от предполагаемой функциональной зависимости констант от времени. Поэтому полученные ограничения могут быть использованы при рассмотрении любых гипотетических моделей. В частности, ученые получили ограничения на константы связи гипотетических частиц темной материи в области масс от 10-20 до 10-17 электронвольт. Для скалярной константы связи dγ(1) физикам удалось исключить новую область параметров, усилив предыдущий предел примерно на порядок. Ученые до сих пор не могут определить параметры темной материи, хотя и видят ее проявления в различных процессах. Чтобы лучше разобраться, какие на сегодняшний день существуют модели, описывающие темную материю, пройдите наш тест.