Neutrin steril

Dacă acceptăm că o particulă nu trebuie să fie diferită în anumite privințe de antiparticulele sale, atunci neutrino ar fi un fermion Majorana și ar putea fi primul de acest fel. Conceptul de particulă Majorana a fost introdus pentru prima dată de Ettore Majorana în 1937. Pionul (particula) , un mezon neutru, fotonul și bosonul Z sunt exemple pentru bosoni: toate sunt identice cu antiparticulele lor. Dacă acest lucru ar fi cazul, neutrino-ul masiv ar fi propriul său antiparticul și ar putea anihila cu un alt neutrino de același tip, deschizând posibilitatea unei duble descompuneri beta fără emisie de neutrini , iar neutrino steril nu trebuie neapărat să difere de neutrinul pe care îl știm deja prin altceva decât chiralitatea sa.

Cu toate acestea, dacă se acceptă faptul că o particulă trebuie să fie diferită într-un anumit aspect de antiparticula sa, atunci neutrino este un fermion Dirac . Toți fermionii cunoscuți sunt fermioni Dirac. Un exemplu este neutronul , care nu are sarcină electrică, dar diferă de antiparticulele sale din cauza compoziției sale de quark . Neutru kaon , un boson, este de asemenea, într - un anumit sens, o particulă Dirac.

În termeni matematici, trebuie să folosim transformarea proprietăților particulelor. Definim un câmp Majorana ca stat propriu al conjugării sarcinii (C). Această definiție este valabilă numai pentru câmpurile libere și trebuie generalizată la câmpurile care interacționează. Neutrinii interacționează numai prin interacțiunea slabă, care nu este invariantă în ceea ce privește conjugarea sarcinii, deci un neutrin Majorana care interacționează nu poate fi un stat propriu al lui C. Definiția generalizată este: „Un câmp de neutrini Majorana este o stare specifică a transformării CP”.

În consecință, neutrinii Dirac și Majorana se comportă diferit în ceea ce privește transformarea CP (în realitate transformările Lorentz și CPT ). Distincția între neutrini Majorana și Dirac nu este doar teoretică. Un neutrin Dirac masiv trebuie să aibă alte momente magnetice și electrice decât zero, care ar putea fi observate experimental, dar neutrinul Majorana nu.

Particulele Dirac și Majorana diferă numai dacă masa lor în repaus este diferită de zero. Dacă neutrino nu are masă și se mișcă cu viteza luminii, atunci transformarea Lorentz într-un cadru de referință mai rapid nu este posibilă. Diferența dintre tipuri dispare treptat. Pentru neutrinul Dirac, momentele dipolare sunt proporționale cu masa și ar trebui să dispară pentru o particulă fără masă. Atât termenii de masă Majorana, cât și Dirac, vor apărea însă în masa Lagrangiană dacă neutrinii au masă, ceea ce știm acum că este cazul.

Sugestia că un neutrino ar putea fi o particulă Majorana duce la o posibilă explicație a masei neglijabile a neutrinoului comparativ cu masele celorlalți fermioni ai modelului standard.

Mecanism de văzut

Dacă neutrino este o particulă Majorana, atunci putem spune că dincolo de neutrino levorotator, care se împerechează cu leptonii încărcați ai familiei sale în cazul sarcinii slabe, există, de asemenea, un partener de neutrino dextrorotator care este un isosinglet slab și nu se împerechează direct cu fermioni sau bosoni. Cei doi neutrini au o masă și chiralitatea nu este păstrată (prin urmare, „neutrino levorotator sau dextrorotator” înseamnă mai degrabă că starea invocată este cea care va fi observată statistic în principal). Pentru a obține stările proprii ale masei neutrino, este necesar să diagonalizăm matricea M a masei generale:

mν=(0mDmDMNUHL){\ displaystyle m _ {\ nu} = {\ begin {pmatrix} 0 & m_ {D} \\ m_ {D} & M_ {NHL} \ end {pmatrix}}}

unde și sunt respectiv termenii de dimensiune mare și dimensiune intermediară. MNUHL{\ displaystyle M_ {NHL}}mD{\ displaystyle m_ {D}}

Dincolo de dovezile empirice, există, de asemenea, o rațiune teoretică pentru mecanismul de vizionare în diferite extensii ale modelului standard. Atât GUT-urile, cât și modelele de simetrie levorotatoare prezic următoarea relație:

mν<<mD<<MNUHL{\ displaystyle m _ {\ nu} << m_ {D} << M_ {NHL}}

Conform GUT-urilor și modelelor levorotatoare, neutrino dextrorotator este extrem de greu: {{| 10 | GeV | 5}} - 10  GeV 12 în timp ce cea mai mică valoare proprie este aproximativ egală cu ::mν≈mD2MNUHL{\ displaystyle m _ {\ nu} \ approx {\ frac {m_ {D} ^ {2}} {M_ {NHL}}}}

Acesta este mecanismul cu ferăstrău  : atunci când neutrino dextrorotator steril devine mai greu, neutrino levorotator normal devine mai ușor. Neutrinul levorotator este un amestec de doi neutrini Majorana, iar acest proces de amestecare este ceea ce conferă neutrinului masa sa.

Teste de detectare

Producerea și descompunerea neutrinilor sterili pot avea loc prin amestecarea cu neutrini virtuali („nuclei non-masici”). Au fost montate mai multe experimente pentru a descoperi sau urmări NHL (Neutrinos levorotatory), de exemplu experiența NuTeV (E815) la Fermilab sau LEP din CERN . Toate au condus la observarea limitelor observațiilor, mai degrabă decât la observarea efectivă a acestor particule. Dacă sunt într-adevăr una dintre componentele materiei întunecate , sunt necesare detectoare sensibile la raze X pentru a observa radiația emisă de degradarea lor.

Neutrinii sterili se pot amesteca cu neutrinii obișnuiți printr-o masă Dirac , dar neutrinii, în funcție de chiralitatea lor, au numere cuantice diferite, ceea ce împiedică amestecarea. Neutrinii sterili și neutrinii obișnuiți pot avea, de asemenea, mase Majorana . În unele modele, atât masele Dirac, cât și cele Majorana sunt utilizate într-un mecanism cu ferăstrău , ceea ce duce la o scădere a maselor de neutrini obișnuiți și mult mai grea la neutrinul steril în comparație cu neutrinul care interacționează în modelul standard. În unele modele, neutrinii grei pot avea mase până la scara GUT (10  GeV 15 ). În alte modele, acestea pot fi mai ușoare decât bosonii W și Z de calibru scăzut ca în modelul numit νMSM, unde masele lor sunt între GeV și keV . Un neutrin ușor steril (masa 1  eV ) a fost sugerat ca o posibilă explicație pentru rezultatele experimentului LSND. La 11 aprilie 2007, cercetătorii din experimentul MiniBooNE de la FermiLab au anunțat că nu au găsit dovezi care să susțină existența unui astfel de neutrin steril. Rezultate și analize mai recente au oferit un anumit sprijin pentru neutrini sterili.

Doi detectori separați în apropierea unui reactor nuclear din Franța au descoperit o lipsă de 3% de antineutrini. Cercetătorii responsabili de acest program au sugerat existența unui al patrulea neutrino cu masa de 0,7 Kev. Neutrinii sterili sunt, de asemenea, candidați la radiații întunecate.

Numărul de neutrini și masele particulelor pot avea efecte pe scară largă, contribuind la apariția fundalului cosmic difuz . Numărul total de specii de neutrini, de exemplu, afectează rata de expansiune a cosmosului în vârstele sale timpurii: mai mulți neutrini înseamnă o expansiune mai rapidă. Datele satelitare Planck furnizate în 2013 nu au arătat nicio dovadă a unei particule asemănătoare cu neutrinii, subminând speranțele pentru existența lor.

Note și referințe

• (fr) Acest articol este preluat parțial sau în totalitate din articolul Wikipedia din limba engleză intitulat „  Sterile neutrinos  ” ( vezi lista autorilor ) .

1. Literatura științifică se referă de asemenea la aceste particule ca neutrino luminos dextrorotator și inert
2. . Marco Drewes, „  Fenomenologia neutrinilor cu mâna dreaptă  ”, Jurnalul internațional de fizică modernă E , vol.  22, n o  8,2013, p.  1330019 ( DOI  10.1142 / S0218301313300191 , Bibcode  2013IJMPE..2230019D , arXiv  1303.6912 )
3. . Un neutron este alcătuit dintr-un quark în sus și doi quarks în jos , în timp ce un antineutron este alcătuit dintr-un anticar în sus și doi antiquark
4. Leila Battison , „  Galaxiile pitice sugerează că teoria materiei întunecate poate fi greșită (galaxiile pitice ar putea contesta unele teorii despre materia întunecată.)  ” , BBC News,16 septembrie 2011(accesat la 18 septembrie 2011 )
5. First_Results ( PDF )
6. Scientific American: „Comenzi rapide dimensionale” , august 2007
7. Physical Review Letters, „Event Excess in the MiniBooNE Search for ν̅ μ → ν̅ e Oscilations”. (Excesul de evenimente în căutarea oscilațiilor de neutrini de către MiniBooNE) , noiembrie 2010
8. Michael Loewenstein și Alexander Kusenko , „  Dark Matter Search Using Chandra Observations of Willman 1 and a Spectral Feature Cohering with a Decay Line of a 5 keV Sterile Neutrino and a spectral caracteristic compatible with a decay line of a 5 keV neutrino.)  ”, Revista Astrofizică , Editura IOP, vol.  714,17 martie 2010( DOI  10.1088 / 0004-637X / 714/1/652 , Bibcode  2010ApJ ... 714..652L , arXiv  0912.0552 )
9. Reactor Antineutrino Anomaly pe site-ul IRFU / CEA
10. https://arxiv.org/abs/1303.5076

Vezi și tu

Bibliografie

• AG Vaitis și colab. , „  Căutare de leptoni grei neutri într-un fascicul de neutrino de mare energie  ”, Physical Review Letters , vol.  83, nr .  24,1999, p.  4943–4946 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.83.4943 , Bibcode  1999PhRvL..83.4943V , arXiv  hep-ex / 9908011 )
• JA Formaggio, J. Conrad, M. Shaevitz, A. Vaitaitis, „  Helicity effects in neutral heavy lepton decays  ”, Physical Review D , vol.  57, nr .  11,1998, p.  7037–7040 ( DOI  10.1103 / PhysRevD.57.7037 , Bibcode  1998PhRvD..57.7037F )
• K. Nakamura și colab. ( Particle Data Group ), „  Review of Particle Physics  ”, J. Phys. G , vol.  37, nr .  075 021,2010( DOI  10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021 , Bibcode  2010JPhG ... 37g5021N )
• William Charles Louis și Richard Van de Water, „  În căutarea neutrinului steril  ” Pentru știință , nr .  515,Septembrie 2020, p.  48-55 ( citite online , accesat 1 st septembrie 2020 )

Articole similare

• Model standard de neutrină minimă
• Detector de neutrino cu scintilator lichid , experimentul Laboratorului Național Los Alamos;
• MiniBooNE , experiență desfășurată la Fermilab.

linkuri externe

• ( fr ) Experimentul NuTeV la FermiLab  ;
• ( fr ) Experimentul L3 la CERN  ;
• ( fr ) Experimentarea neagă al patrulea neutrin (Scientific American, aprilie 2007) .