Нейтрино — это фундаментальные частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие очень малой массой. Известно, что они взаимодействуют с другим веществом через слабое взаимодействие или гравитацию. Несмотря на то что эти частицы были предметом многочисленных исследований, процессы, посредством которых они приобретают массу, до сих пор не выяснены.
Одна из гипотез
Согласно одной из гипотез, массы нейтрино возникают из-за взаимодействия с ультралёгкой тёмной материей. Это тип тёмной материи, который, как предполагается, состоит из частиц или полей с чрезвычайно малой массой, менее 10 электронвольт (эВ).
Исследователи из Шанхайского университета Цзяо Тун и Университета Салерно недавно решили проверить эту гипотезу, сравнив данные, собранные в ходе эксперимента с жидкостным сцинтилляционным антинейтринным детектором в Камиока (KamLAND), с теоретическими предсказаниями.
Результаты исследования
Их выводы, [опубликованные](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/wyns-m4y5) в статье в журнале Physical Review Letters, свидетельствуют о том, что массы нейтрино, скорее всего, не имеют тёмного происхождения.
«Мотивация для этой работы возникла из одного из наиболее актуальных открытых вопросов в физике элементарных частиц: происхождения масс нейтрино», — рассказал Лука Визинелли, старший автор статьи, в интервью Phys.org.
Происхождение масс нейтрино
В отличие от других фермионов, в Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми, но эксперименты ясно показали, что они должны обладать крошечной массой, что продемонстрировано явлением нейтринных осцилляций. Поскольку массы нейтрино настолько малы, их происхождение, вероятно, связано с новой физикой, выходящей за рамки Стандартной модели, потенциально не связанной с механизмом Хиггса, который придаёт массу другим известным частицам.
В последние годы многие физики изучают возможность того, что массы нейтрино возникают из взаимодействия с так называемым «тёмным сектором», то есть с гипотетическими полями и силами, также связанными с тёмной материей или тёмной энергией. Визинелли и его коллеги Эндрю Чик и Хонг-И Чжан опирались на более ранние работы, чтобы дополнительно проверить эту гипотезу, используя сочетание теории и экспериментальных наблюдений.
«Мы разработали модель, в которой малость масс нейтрино является результатом их взаимодействия с тёмным сектором, а затем тщательно проверили, можно ли обнаружить такую связь, используя существующие нейтринные данные, включая эксперименты по нейтринным осцилляциям с короткими и длинными базами и измерения солнечных нейтрино», — сказал Визинелли. «Наши результаты показывают, что такое тёмное происхождение масс нейтрино не подтверждается текущими данными».
Выводы исследования
В целом результаты, полученные исследователями, позволяют предположить, что маловероятно, что массы нейтрино возникают из-за взаимодействия с тёмным сектором. С другой стороны, гораздо более вероятно, что они могут быть объяснены обычными явлениями физики элементарных частиц. Их исследование может направить будущие усилия, направленные на раскрытие происхождения масс нейтрино, сужая круг процессов, которые могли бы объяснить их появление.
«Для проверки нашей гипотезы мы разработали теоретическую модель, в которой нейтрино приобретают массу через взаимодействие с новыми частицами в тёмном секторе», — пояснил Визинелли. «В частности, мы рассмотрели случай, когда тёмная материя состоит из лёгких бозонных полей. Эти поля ведут себя как когерентные волны, колеблющиеся во времени, причём частота определяется массой бозона».
В рамках своего анализа исследователи также учли пространственные вариации поля тёмной материи. Другими словами, они учли тот факт, что тёмная материя будет иметь характерную длину колебаний, которая совпадает с расположением источников и детекторов в нейтринных экспериментах, а также с движением Земли в нашей галактике.
«Эти соображения приводят к модификации стандартных вероятностей нейтринных осцилляций», — сказал Визинелли. «Мы показываем, что такие изменения могут быть проверены с помощью данных современных нейтринных обсерваторий в диапазоне масс тёмной материи».
Исследование Визинелли и его коллег предоставляет проверяемую модель, связывающую происхождение масс нейтрино с взаимодействием с тёмным сектором. Этот сценарий можно ограничить с помощью систематического анализа текущих данных о солнечных и базовых нейтрино, а также тщательного моделирования астрофизических установок.
Сравнивая теоретические предсказания с наблюдениями за нейтрино в эксперименте KamLAND, исследователи показали, что массы нейтрино, скорее всего, возникают из обычных процессов физики элементарных частиц или других новых физических явлений, не связанных с тёмной материей. По мере появления новых данных о нейтрино Визинелли и его коллеги планируют использовать их для пересмотра своей модели и проверки новых теоретических предсказаний.
«Предстоящие результаты экспериментов JUNO и DUNE могут позволить нам искать тонкие временные вариации параметров нейтринных осцилляций по сравнению с тем, что ожидается при вакуумном решении для массы», — добавил Визинелли.
«Помимо нейтрино, мы также изучаем возможность применения подобных идей к другим квантовым системам. Например, атомные и ядерные системы, подобные тем, которые изучаются в атомных часах или прецизионных магнитометрах, также могут быть чувствительны к колебаниям, вызванным лёгкими бозонными частицами тёмной материи».