Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Массивные нейтрино в редких процессах

Диссертация

Автор: Грибанов, Владимир

Заглавие: Массивные нейтрино в редких процессах

Справка об оригинале: Грибанов, Владимир. Массивные нейтрино в редких процессах : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.00.00 Вальпараисо, 2002 101 c. : 61 04-1/193-8

Физическое описание: 101 стр.

Выходные данные: Вальпараисо, 2002






Содержание:

Введение
Глава 1 Теория массивных нейтрино
11 Теория нейтринной массы
111 Дираковский массовый член
112 Массовый член Дирака-Майораны
113 Случай одного поколения
114 Максимальное смешивание
115 "See-saw" механизм генерации масс нейтрино
12 Нейтринные осцилляции
121 Общий формализм
122 Двухнейтринные осцилляции
123 Трехнейтринные осцилляции в случае иерархии масс нейтрино
Глава 2 Поиски массивных нейтрино
21 Эксперименты по нейтринным осцилляциям
211 Атмосферные эксперименты по осцилляциям нейтрино
212 Эксперименты с солнечными нейтрино
213 Нейтринный эксперимент LSND
214 Анализ экспериментальных данных и необходимость стерильных нейтрино
22 Массивные нейтрино в космологии и проблема темной материи
Глава 3 Редкие распады т-лептона и if-мезона с нарушением сохранения лептонного числа
31 Общие свойства процессов с нарушением сохранения лептонного числа
32 Распад К-мезона
33 Распад т-лептона
Глава 4 Нейтрино с массами порядка 1 ГэВ в редких распадах
К-мезона и г-лептона
41 Ширина распада нейтрино с массой порядка 1 ГэВ
42 Ограничения на элементы матрицы смешивания тяжелого стерильного нейтрино
43 Тяжелые стерильные нейтрино в астрофизике и космологии 83 Заключение

Введение:
Результаты эксперимента коллаборации 8ирег-Катюкапс1е в пользу ос-цилляций атмосферных нейтрино [1] открыли новую эпоху в физике частиц. Конечно, еще нужны новые эксперименты, чтобы исследовать природу нейтринных масс и смешиваний, неразрывно связанных с осцилля-циями нейтрино, но первый наиважнейший шаг в этом направлении уже сделан: массивные и смешивающиеся нейтрино сегодня могут рассматриваться как реальные физические объекты.
Проблема нейтринной массы имеет продолжительную историю. Впервые нейтрино как частицу с малой, но ненулевой (меньше массы электрона) массой, предложил рассматривать Паули, и метод для измерения массы нейтрино через исследование конечной части /3-спектра был предложен в первой работе по теории /9-распада Ферми и Перрином
Первый эксперимент по измерению массы нейтрино, основанный на методе Ферми-Перрина, дал верхнее значение ти < 500 эВ, которое в пятидесятых годах было улучшено до < 250 эВ. Стало очевидным, что масса нейтрино, если и отличается от нуля, то имеет значение намного меньшее, чем масса электрона. Этот факт послужил главной причиной того, что в 1957 году, после обнаружения нарушения четности в экспериментах по /3-распаду, авторы двухкомпонентной теории нейтрино -Ландау, Салам, Ли и Янг - предложили рассматривать нейтрино как безмассовую частицу, поле которой описывается или левосторонним спинором VI или правосторонним 1/д.
В 1958 году группа, возглавляемая Голдхабером, произвела измерение спиральности нейтрино. Результат этого эксперимента нашел согласование с двухкомпонентной теорией. Было установлено, что поле нейтрино - левостороннее Результат эксперимента Голдхабера не исключал, однако, возможности наличия у нейтрино малой массы. В У — А теории векторных и аксиальных токов Гамильтониан слабых взаимодействий содержит левосторонние компоненты нейтринного поля г/? и также левосторонние компоненты всех массивных полей. Поэтому возможность для нейтрино быть массивной частицей стала более предпочтительной после подтверждения V — А теории.
В 1957 году Бруно Понтекорво предложил идею, что состояния нейтрино, образуемые в результате процессов слабых взаимодействий, являются суперпозицией состояний майорановских нейтрино с определенными массами. Это была гипотеза нейтринных осцилляций. В то время был известен только один тип нейтрино. Возможность смешивания двух типов нейтрино ие и 1/р была рассмотрена в 1962 году. Все возможные типы осцилляций для этого случая были исследованы Понтекорво в 1967 году.
В 1969 г. Грибов и Понтекорво предложили первую феноменологическую теорию нейтринных смешиваний и осцилляций. Согласно этой теории левосторонние нейтринные поля иеь и г/ц?, являются линейными комбинациями левосторонних компонент полей майорановских нейтрино с определенными массами, и массовый член нейтрино содержит только левосторонние поля и В 1976 г. были рассмотрены нейтринные осцилляции в рамках схемы смешивания двух дираковских нейтрино по аналогии смешивания кварков и лептонов, и в том же году была рассмотрена общая схема нейтрино Дирака-Майораны.
Феномен нейтринных осцилляций непосредственно связан с наличием у нейтрино масс. Сегодня, после многочисленных экспериментальных показаний в пользу нейтринных осцилляций можно с уверенностью сказать, что нейтрино - массивные частицы. Нейтрино - электрически нейтральный фермион, и это обстоятельство дает дополнительные возможности для его описания. Для массивных нейтрино существуют две фундаментальные возможности. Оно может описываться как в терминах дираков-ских спиноров, используемых для описания заряженных фермионов, так и в терминах майорановских спиноров.
Нейтрино дираковского типа. Если глобальное лептонное число
Ь^Ье + Ь^ + Ьг (0.1) сохраняется вследствие инвариантности Лагранжиана относительно глобальных трансформаций иа —> ег<р иа , а —)> ещ а (а = е, //, г), (0.2) тогда массивные нейтрино - дираковские частицы. В этом случае:
• Поля ик имеют четыре независимые комплексные компоненты.
• Естественно ожидать, что число п массивных нейтрино равно числу нейтринных ароматов, т.е. трем, хотя в принципе ничего не запрещает существования стерильных дираковских нейтрино.
• Безнейтринный двойной /?-распад ((Р(3)о„) запрещен.
• Массы дираковских нейтрино и смешивания могут генерироваться механизмом Хиггса стандартной модели.
Нейтрино майорановского типа. Если Лагранжиан не инвариантен относительно глобальных калибровочных трансформаций (0.2), то общее лептонное число Ь не сохраняется, и массивные нейтрино являются частицами Майораны, т.е. истинно нейтральными фер-мионами, не имеющими никаких зарядов (электрического, лептон-ного и т.д.), которые отличают частицу от античастицы. В этом случае:
• Массивные майорановские поля щ удовлетворяют условию Майораны
0.3) где V). = СикТ и С - матрица зарядового сопряжения.
• Допускается двойной безнейтринный /3-распад.
• Если существуют правосторонние поля нейтрино vaR (сингле-ты SU(2)i), тогда число п массивных майорановских нейтрино больше, чем три. В этом случае существует отношение смешивания между правосторонними полями i/aR и массивными полями i/jfc: r = ? Uak vkL. (0.4) к=1
Массивные правосторонние поля являются стерильными и не участвуют в слабом взаимодействии.
Теоретические аргументы в пользу ненулевых нейтринных масс и смешиваний имеют в своей основе модели, лежащие за пределами стандартной модели (см., например, [2]). В таких моделях поля кварков, заряженных лептонов и нейтрино объединены в мультиплеты, и хиггсовский механизм генерации масс кварков и заряженных лептонов, как правило, также снабжает ненулевыми массами и нейтрино.
Более того, в таких моделях количество массивных нейтрино не ограничено тремя, и наряду с легкими нейтрино могут возникать тяжелые нейтринные состояния с массами порядка сотен МэВ и более. Теоретически майорановская природа нейтрино является более предпочтительной, т.к. в этом случае имеется так называемый "see-saw" механизм для генерации масс нейтрино, объясняющий малость нейтринных масс. В этом подходе малость нейтринных масс связана с возможным нарушением сохранения лептонного числа при больших масштабах энергий. Тем не менее окончательный ответ на вопрос о природе нейтринных масс могут дать только дальнейшие экспериментальные исследования.
Майорановские массы нарушают сохранение глобального лептонного числа на две единицы AL = 2. Это означает, что процессы с нарушением лептонного числа служат основой для ответа на вопрос о майо-рановской природе нейтрино. Наиболее известным примером процесса с нарушением лептонного числа, исследованым как экспериментально, так и теоретически, является ядерный двойной /3-распад (0v??) ([3, 4]). Эксперименты по (Ou??) достигли очень высокой чувствительности к так называемой эффективной майорановской массе нейтрино {mv)ee [5], которая в присутствии только легких нейтрино совпадает с элементом матрицы смешивания майорановских нейтрино {mv)ee =
Целью настоящей диссертации является исследование процессов редких распадов К-мезона и т-лептона с точки зрения их возможного использования как инструмента для проверки майорановской природы нейтринных масс. Свойства майорановских спиноров позволяют описывать эти процессы диаграммами в древесном приближении через обмен майора-новским нейтрино. Если в таком обмене участвуют только 3 нейтрино с ограничениями на массы mv < 3 эВ, полученными из анализа экспериментальных данных по осцилляциям солнечных и атмосферных нейтрино в совокупности с данными по /3-распаду, то в таком случае ширины данных распадов имеют настолько малое значение, что вряд ли стоит ожидать их экспериментального детектирования в ближайшем будущем. К такому же заключению ведет и вычисление ширин этих распадов через обмен тяжелыми нейтрино с массами m„ >> 1 ГэВ.
Однако, отличительной особенностью данных процессов является их высокая чувствительность к майорановским нейтрино с массами порядка 100 МэВ-1 ГэВ. Математически этот эффект обеспечивается структурой пропагатора нейтрино, который для такого интервала масс становится сингулярным. Именно благодаря полюсу в пропагаторе массивного нейтрино значения ширин рассматриваемых процессов получают резкое увеличение, что при условии существования майорановских нейтрино в таком диапазоне масс делает возможным экспериментальный поиск этих процессов уже сегодня.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.