Физики из нескольких коллабораций проверили работоспособность современных моделей нейтрино-ядерного взаимодействия с помощью экспериментов по рассеянию электронов на ядре. Такая проверка возможна благодаря тому, что у нейтрино и электрона много общих свойств. Ученые выяснили, что правильная реконструкция эксперимента с помощью модифицированных моделей происходит менее чем в половине случаев. Исследование опубликовано в Nature.
Осцилляции нейтрино — это феномен, который наиболее отчетливо и достоверно выходит за рамки Стандартной модели. В его основе лежит тот факт, что участие этих частиц в слабых взаимодействиях описывается с помощью одних квантовых наблюдаемых, а свободное распространение — с помощью других. В первом случае речь идет об аромате (или флейворе) — квантовом числе, характеризующем поколение лептонов, а во втором об их массе (при этом Стандартная модель подразумевает нулевую массу у всех типов нейтрино). Это означает, что свободные нейтрино можно описать с помощью суперпозиции состояний с различными ароматами, баланс между которыми осциллирует с пройденным ими расстояниями. Период этих осцилляций прямо пропорционален энергии нейтрино и обратно пропорционален разнице квадратов масс. Подробнее об этом замечательном эффекте вы можете прочитать в материале «Н значит нейтрино».
Процесс экспериментального обнаружения нейтрино всегда косвенный. Поскольку нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях, физики ловят их по продуктам соответствующих ядерных превращений в детекторах, причем счет идет на десятки, реже на сотни событий. Вместе с тем нейтрино, рождаемые во всех известных источниках, всегда имеют некоторое энергетическое распределение, которое приводит к распределению энергии у продуктов слабых реакций. Реконструкция первого на основе второго требует хороших реакционных моделей, точность которых пока оставляет желать лучшего.
Одна из причин этого в том, что физики не могут создавать монохроматические нейтринные пучки. Вместо этого, они тестируют теорию в непосредственной близости от источников нейтрино. К сожалению, неопределенности энергий, получаемые таким образом, становятся слишком большими, когда приходится исследовать осцилляции, поскольку степень перемешивания к ним чувствительна. Это заставляет ученых искать новые подходы к проверке моделей.
Физики из коллаборации CLAS объединились с коллегами из коллаборации e4ν для того, чтобы проверить работоспособность нейтринных моделей при взаимодействии электронных нейтрино с ядрами с помощью электрона. Оба лептона участвуют в слабом взаимодействии с помощью векторного тока похожим образом, хотя нейтрино несет еще дополнительный аксиальный ток. Таким образом, любые модели нейтринных взаимодействий должны быть легко проверяемы данными с электронных экспериментов.
Эксперименты с электронными пучками сильно превосходят нейтринные эксперименты по гибкости и количеству параметров, которые поддаются контролю. Авторы использовали этот факт, чтобы воспроизвести на электронном коллайдере, расположенном в Лаборатории Томаса Джефферсона, условия, которые наблюдаются в известных нейтринных экспериментах. На роль мишеней взяли ядра гелия, углерода и железа, а электроны разгоняли до энергий 1,159, 2,257 и 4,453 гигаэлектронвольт. Данные, полученные на углеродных мишенях, релевантны результатам нейтринных экспериментов с сцинтилляторными детекторами, таких, как MINERνA и NOνA, и с водно-черенковскими детекторами, например, Super-Kamiokande и Hyper-Kamiokande. Точно так же электронные эксперименты на железе можно сравнивать с аргоновыми детекторами MicroBooNE и DUNE.
Физики отбирали события с одним электроном, одним протоном и одним нейтральным пионом. В этом процессе доминирует квазиупругое рассеяние лептона (то есть рассеяние на только одном нуклоне ядра), которое изучено наиболее хорошо, поэтому точно так же поступают при анализе нейтринных экспериментов. Авторы отсеивали события, соответствующие тормозному излучению электронов, а также похожие на искомые ложные события, в которых некоторые частицы не попали в детектор. Они нормализовали итог на интегральный заряд пучка и толщину мишени, а также вводили поправки, вызванные заменой нейтрино на электрон.
Эти данные физики сравнивали с результатом симуляции зависимости дифференциального сечения от энергии, проведенной с помощью двух моделей нейтринных взаимодействий G2018 и SuSAv2, модифицированных для электронов. Они применяли обе модели для случаев водно-черенковских и калориметрических детекторов. Для первого случая, когда сигнал фиксируется только от заряженных частиц, SuSAv2 воспроизвела правильную ширину пика, но переоценила сечение всего сигнала на 25 процентов, а G2018 превысила и сузила только пик. Во втором случае SuSAv2 точнее описывала пик, в то время как G2018 ошиблась с его положением. При этом обе модели переоценивали низкоэнергетический хвост распределения. Физики посчитали, что суммарно правильная реконструкция эксперимента происходила менее, чем в половине случаев.
Авторы отмечают, что полученные ими результаты сигнализируют о возможных систематических ошибках, которые будут возникать в экспериментах с нейтрино следующего поколения, вызванных несовершенством имеющихся моделей. В свою очередь физики собираются улучшить характеристики своего спектрометра, чтобы расширить детектируемый диапазон углов и переданных импульсов, а также тип мишеней.
Более точные модели могут вскрыть невидимые ранее систематические погрешности. Возможно, именно эти погрешности ответственны за множественные аномалии в нейтринных экспериментах, для объяснения которых был введен новый тип нейтрино. Подробнее об этом читайте в материале «Чистая аномалия».
Марат Хамадеев
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.