Нейтринные осцилляции

Нейтри́нные осцилля́ции — превращения нейтрино (электронного, мюонного или таонного) в нейтрино другого сорта (поколения), или же в антинейтрино. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени.

Идея нейтринных осцилляций была впервые выдвинута советско-итальянским физиком Б. М. Понтекорво в 1957 году^[1].

Наличие нейтринных осцилляций важно для решения проблемы солнечных нейтрино.

Осцилляции в вакууме

Предполагается, что такие превращения — следствие наличия у нейтрино массы или (для случая превращений нейтрино↔антинейтрино) несохранения лептонного заряда при высоких энергиях.

Стандартная модель в первоначальной версии не описывает массы нейтрино и их осцилляции, однако они могут быть включены в эту теорию с помощью сравнительно небольшой модификации — включении в общий лагранжиан массового члена и PMNS-матрицы смешивания нейтрино.

Вакуумные осцилляции обнаружены для атмосферных, реакторных и ускорительных нейтрино. Для солнечных нейтрино вакуумные осцилляции могут быть субдоминантным процессом, но пока существование этого типа осцилляций для них не подтверждено, в отличие от осцилляций в веществе (эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, см. ниже).

Если масса нейтрино равна нулю (а её значение пока неизвестно) либо массы всех типов нейтрино равны, то такой процесс, теоретически, не должен иметь места.

Осцилляции в веществе

Основная статья: Эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна

Нейтринные осцилляции в веществе обусловлены наличием у нейтрино эффективной массы в среде, ненулевой независимо от наличия у нейтрино массы. Такие осцилляции резко усиливаются при движении пучка нейтрино в веществе с плавно меняющейся плотностью в момент, когда эффективные массы двух типов нейтрино становятся близки друг к другу (для этого необходимо также, чтобы разные типы нейтрино по-разному взаимодействовали с веществом, то есть чтобы эффективные потенциалы нейтрино в среде зависели от плотности среды по-разному). Этот эффект называется эффектом Михеева — Смирнова — Вольфенштейна и считается основной причиной экспериментально обнаруженного недостатка электронных нейтрино в потоке нейтрино от Солнца.

Эксперименты

Осцилляции наблюдались для:

• солнечных нейтрино (хлор-аргонный эксперимент Дэвиса, галлий-германиевые эксперименты SAGE, GALLEX/GNO, водно-черенковские эксперименты Kamiokande и SNO), сцинтилляционный эксперимент BOREXINO;
• атмосферных нейтрино (Kamiokande, IMB), возникающих при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов атмосферных газов в верхних слоях атмосферы;
• реакторных антинейтрино (сцинтилляционный эксперимент KamLAND);
• ускорительных нейтрино (эксперимент K2K (англ. KEK To Kamioka) наблюдал уменьшение количества мюонных нейтрино после прохождения 250 км в толще вещества^[2], эксперимент OPERA обнаружил в 2010 году осцилляции мюонных нетрино в тау-нейтрино с последующим рождением тау-лептонов);

Осцилляции с превращением мюонных нейтрино, а также антинейтрино, в электронные исследуются в настоящее время в эксперименте MiniBooNE, поставленном по условиям эксперимента LSND. Предварительные результаты эксперимента могут указывать на разницу в осцилляциях нейтрино и антинейтрино^[3][4][5].

См. также

• Матрица Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты
• Список экспериментов в физике нейтрино
• Осцилляции нейтральных каонов
• Осцилляции B-мезонов

Примечания

1. ↑ Б. Понтекорво. Мезоний и антимезоний. Журнал экспериментальной и теоретической физики, Т.33, C.549—551 (1957)
2. ↑ Сайт эксперимента K2K — Long Baseline neutrino oscillation experiment, from KEK to Kamioka.
3. ↑ MiniBooNE results suggest antineutrinos act differently // FremiLab Today, 10.06.2010
4. ↑ A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE collaboration) Unexplained Excess of Electron-Like Events From a 1-GeV Neutrino Beam (англ.) // Phys.Rev.Lett.. — 2009. — Т. 102. — С. 101802. — DOI:10.1103/PhysRevLett.102.101802
5. ↑ A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE collaboration) Event Excess in the MiniBooNE Search for $\bar \nu_\mu\rightarrow \bar \nu_e$ Oscillations (англ.) // Phys.Rev.Lett.. — 2010. — Т. 105. — С. 181801. — DOI:10.1103/PhysRevLett.105.181801

Литература

• Материалы по физике нейтрино на сайт НИИЯФ МГУ
• Ю. Г. Куденко, «Исследование нейтринных осцилляций в ускорительных экспериментах с длинной базой», Успехи физических наук, вып. 6, 2011.
• С. М. Биленький, «Массы, смешивание и осцилляции нейтрино», Успехи физических наук 173 1171—1186 (2003)