На состоявшейся в Японии конференции "Нейтрино -98" представлены новые убедительные свидетельства существования нейтринных осцилляций - взаимных превращений различных сортов нейтрино. Эксперименты по регистрации нейтрино проводились на установке Super-Kamiokande. Подземная установка Super-Kamiokande представляет собой огромный стальной резервуар (высотой 41 м и диаметром 38 м), наполненный 55 000 тоннами чистой водой. По внутренней поверхности резервуара размещены ~11 000 фотоумножителями. Исследовались нейтрино, возникающие в результате столкновений космических лучей с верхними слоями атмосферы. Фотоумножители регистрируют черенковское излучение, испускаемое электронами и мюонами, которые рассеиваются нейтрино.
Обсуждаемыми характеристиками результатов взаимодействия атмосферных нейтрино с ядрами среды, окружающей установки, или с ядрами вещества самих установок, были следующие:
1. Отношение мюоно-подобных событий (от взаимодействий, вызванных мюонными нейтрино) к электроно-подобным событиям (от взаимодействий, вызванных электронными нейтрино): отношения R мюонных событий к электронным, измеренных экспериментально, к этому отношению, полученному теоретически методом Монте Карло, причем, эти отношения были рассмотрены для событий, которые имели место в установке или вне установки при различных интервалах энергий.
При этом Super-Kamiokande для интервала энергий Е<1.33 ГэВ (низкоэнергичные события) дает R=0.63, для Е> 1.33 ГэВ (так называемые многогэвные события) R=0.65.
2. Отношение событий, приходящих из нижней полусферы, к событиям, приходящим в установку сверху, для электронных нейтрино равно 0.93, а для мюонных нейтрино равно 0.54.
Таким образом, Super-Kamiokande как бы не домеряет мюонных событий. Возникает соблазн предположить, что по дороге от места зарождения мюонные нейтрино исчезают, например, в результате осцилляций переходят в другой сорт нейтрино. Однако в эксперименте CHOOZ, проведенном на ускорителе по поиску нейтринных осцилляций, были исключены те пределы на квадрат разности масс нейтрино и угол смешивания, которые могли бы быть использованы для объяснения обсуждаемых результатов Super-Kamiokande если бы нейтрино мюонные переходили в нейтрино электронные, и поэтому авторы делают предположение о существовании осцилляций мюонных нейтрино в тау нейтрино или стерильные нейтрино. Аналогичные результаты, свидетельствующие о том, что нейтринные телескопы измеряют меньшее количество мюонных событий, чем это ожидается теоретически, представлены на конференцию установками MACRO и Soudan.
3.4. Эксперименты Gallex и SAGE.
Детекторы Gallex в Италии и SAGE в России получают результаты с 1990 года. Они чувствительны к энергетически низким рр нейтрино так, как реакция имеет низкий порог. Это химический метод, похожий на эксперимент Дэвиса. 71Ge распадается обратно в 71Ga с помощью е- - захвата с периодом полураспада 11 дней. 71Ga извлекается химическим методом. В эксперименте Gallex используется 30 тонн раствора GaCl3. В эксперименте SAGE используется 60 тонн металлического галия. Наблюдаемый темп нейтринных событий составляет около 50% от ожидаемого темпа в стандартной солнечной модели.
4. Иерархия масс майорановских нейтрино в лево-правой модели.
В стандартной модели (СМ) электрослабых взаимодействий индивидуальный и полный лептонный флейворы являются сохраняющимися величинами. В расширениях СМ, где нейтрино обладает массой, ситуация может измениться. Независимо от того, является ли нейтрино майорановской или дираковской частицей, наличие смешивания между нейтринными поколениями приводит к нарушению индивидуального флейвора.
В схеме ЛПМ существует несколько возможностей выбора сектора Хиггса, однако общим элементом при любом построении является наличие бидублета Ф(1/2,1/2,0). Отличные от нуля вакуумные ожидания электрически нейтральных компонент поля Ф приводят к появлению масс кварков и лептонов. Далее можно ввести либо два триплета DL(1,0,2) и DR(0,1,2), либо два дублета XL(1/2,0,1) и XR(0,1/2,1). В первом случае нейтрино оказывается майорановым, а во втором - дираковской частицами. Анализ будет выполнен для майорановского нейтрино. Мультиплеты Хиггса представляем в виде компонент следующим образом:
( 4.1)
( 4.2)
Вакуумные средние нужно выбрать следующим оразом:
( 4.3)
При этом для согласия с экспериментом необходимо выполнение условия
( 4.4)
Лагранжиан, описывающий калибровочно-инвариантное взаимодействие в секторе Юкавы, имеет вид
( 4.5)
где описывает левосторонний (правосторонний) фермионный дублет, -матрицы Паули, , a и b обозначают индексы поколений, -юкавские константы связи. Выражение (4.5) нас будет интересовать с точки зрения индуцирования нейтринных масс. Массовая матрица нейтрино в двухфлейворном базисе
( 4.6)
() имеет вид
( 4.7)
где . Константы определяют массы заряженых лептонов согласно соотношению
( 4.8)
Иерархия масс (ИМ) в нейтринном семействе в основном определяется константами .Приняв упрощающие предположения:
( 4.9)
( 4.10)
получаем следующие значения масс в нейтринном секторе:
( 4.11)
( 4.12)
где
( 4.13)
( 4.14)
.
Из (4.11) и (4.12) следует, что в зависимости от значений могут существовать такие соотношения для нейтринной системы:
1) (ИМ1)
2) (ИМ2)
3) (ИМ3)
ИМ2 и ИМ3 не противоречат предсказываемому теориями Великого объединения соотношению для масс левосторонних нейтрино
( 4.15)
которое в свою очередь находится в согласи с существующими на сегодняшний день верхними границами на массы этих нейтрино
( 4.16)
Какой-то из трех экспериментов, предсказывающий нейтринные осцилляции (солнечный дефицит , аномальное отношение атмосферных нейтрино, и результаты LSND, или как альтернатива последнего, необходимость в нейтринной компоненте темной материи) неверен, или модель нейтринных масс нуждается по крайней мере в одной легкой стерильной нейтрино. Эта модель использует идля объяснения солнечного эффекта, и , и для эксперимента LSND c . Если к тому же и << 1эВ и , ≈ ( и значит ), то такая теория обеспечивает наилучшую модель смеси горячей и холодной темной материи.
Ожидается большой прогресс в этой области в следующие 5 лет, и мы надеемся получить окончательные и четкие доказательства для физики вне стандартной модели из нейтринных свойств.
Безнейтринный двойной бета распад установит предел на майорановскую массу нейтрино ниже 0.1 эВ. Новые солнечные эксперименты с числом нейтринных событий несколько тысяч в год должны подтвердить (или опровергнуть) аномалию и измерить и углы смешивания. Long baseline эксперименты (например Super-Kamiokande) должны изучить около с большим смешиванием для или . Short baseline эксперименты такие, как CERN и Fermilab должны проверить осцилляции с большим и выше 10-3-10-4.
1. L.Vofenstain, Phys. Rev. D17, 2369 (1978).
2. J.Bahcall, Proceedings of Neutrino’96 edited by K.Enquist, K,Huitu and J.Maalampi (Word Scientific, Singapore); A.Smirnov, hep-ph/9611465.
3. Hirata K.S. et. al.//Phys.Rev.-1992.-V.B286.-P.146.
4. Becker-Szendy R. et. al.//Phys.Rev.-1992-V.D46.-P.3720.
5. Litchfield P.J. The Soudan 2 neutrino signal // in International Europhysic Conference on High Energy Physics, Marceille, France - 1993
6. Allison W.W.M.// Phys.Lett.-1997.-V.B391.-P.491.
7. M.Apollonio et al. hep-ex/9711002.
8. Y.Fukuda et al, Phys. Lett. B 335,237 (1994).
9. Y.Suzuki, Invited talk at Erice Neutrino workshop, September 17-22,1997.
10. C. Athanassopoulos et al., Phys. Rev. C 54, 2685 (1996); Phys. Rev. Lett. 77, 3082 (1996).
11. K.Zuber, Invited talk in COSMO’97, Ambleside, England, September 15-19, 1997.
12. C.Athanassopoulos et al. nucl-ex/9706006.
13. For a recent review and references, see J.Primack, astro-ph/9707285.
14. J.Primack, J.Hotzman, A.Klypin and D.Caldwell, Phys. Rev. Lett. 74,2160 (1995).
15. H.Klapdor-Kleingrothaus, these proceeding and Double Beta Decay and Related Topics, ed. H.Klapdor-Kleingrothaus and S.Stoica, Word Scientific, (1995) p.3; A.Balysh et al., Phys. Lett. B283, 32(1992).
16. Бояркина Г.Г., Бояркин О.М. Поиски нарушения лептонного флейвора на мюонных коллайдерах // Ядерная физика – 1997 – Т.60− №4 − С.683 – 694.
17. Окунь Л.Б., Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988, − 272 с.
