Физики ограничили зарядовый радиус нейтрино тремя аттометрами

Упрощенная схема когерентного упругого рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах

D. Akimov et. al. / Science

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.