Понятие стерильных нейтрино и мотивация их введения
Стерильные нейтрино — это гипотетические фермионы, обладающие нулевым электрическим зарядом, не участвующие ни в одном из взаимодействий Стандартной модели, кроме гравитационного и, потенциально, слабого взаимодействия через смешивание с активными нейтрино. Их называют «стерильными» потому, что они не взаимодействуют с переносчиками слабого взаимодействия — W и Z бозонами. В отличие от активных нейтрино (νe, νμ, ντ), стерильные нейтрино не входят в SU(2)L изоспиновый дублет и являются синглетами по отношению ко всем калибровочным группам Стандартной модели.
Основная мотивация для введения стерильных нейтрино заключается в следующем:
Свойства и квантовые числа
Стерильные нейтрино не обладают калибровочными зарядами. Они являются правыми (νR) спинорными полями, с возможным введением масс Дирака и/или Майораны. В общем случае, лагранжиан, включающий стерильные нейтрино, может содержать следующие члены:
Здесь L — лептонный дублет, H̃ — сопряжённое хиггсовское поле, yν — юкавский константа, MR — масштаб массы стерильного нейтрино.
Механизм see-saw и малость масс нейтрино
Наиболее естественное объяснение малости массы активных нейтрино возникает в так называемом механизме «качелей» (see-saw mechanism). В его простейшем (тип I) варианте предполагается наличие тяжёлых стерильных нейтрино с массами MR ≫ v, где v ∼ 246 ГэВ — вакуумное ожидание хиггсовского поля.
После спонтанного нарушения симметрии, смешивание с тяжёлыми стерильными нейтрино приводит к эффективной массе активных нейтрино:
mν ≃ −mDTMR−1mD,
где mD = yνv — дираковская масса. Таким образом, при MR ∼ 1014 ГэВ, можно получить mν ∼ 0.1 эВ, что согласуется с данными осцилляционных экспериментов.
Стерильные нейтрино в осцилляционных экспериментах
Наличие лёгких стерильных нейтрино с массами порядка 1 эВ может проявляться в виде аномалий в нейтринных осцилляциях, наблюдаемых в короткобазовых экспериментах. Это приводит к необходимости расширения стандартной трёхнейтринной схемы до так называемой схемы 3+1 (или 3+N).
При этом матрица смешивания становится 4×4, и появляются новые элементы Ue4, Uμ4, …, которые характеризуют степень участия стерильного состояния в flavor-комбинациях. Вероятность осцилляции, например νμ → νe, в короткобазовом приближении с одним стерильным нейтрино имеет форму:
$$ P_{\nu_\mu \rightarrow \nu_e} \approx 4 |U_{\mu 4}|^2 |U_{e4}|^2 \sin^2 \left( \frac{\Delta m_{41}^2 L}{4E} \right), $$
где Δm412 = m42 − m12 ∼ эВ2. Такие осцилляции рассматривались в экспериментах LSND, MiniBooNE, NEOS, DANSS, STEREO и других.
Космологические ограничения
Существование стерильных нейтрино влияет на космологические параметры:
Эффективное число нейтринных степеней свободы Neff: стерильные нейтрино могут повышать Neff выше стандартного значения 3.046, что измеряется по анизотропии космического микроволнового фона (CMB).
Суммарная масса нейтрино ∑mν: влияние на крупномасштабную структуру и CMB позволяет наложить верхние ограничения на массу стерильных состояний, особенно при термальном равновесии в ранней Вселенной.
В случае лёгких стерильных нейтрино (~1 эВ), космологические данные, особенно Planck, указывают на отсутствие полноценно термального стерильного компонента, или требуют особых условий его неравновесного производства.
Стерильные нейтрино как кандидаты на тёмную материю
Вариант стерильного нейтрино с массой в диапазоне кэВ (так называемые «теплые тёмные нейтрино») является перспективным кандидатом на тёмную материю. Такие нейтрино могут быть произведены в ранней Вселенной через механизмы:
Такие нейтрино нестабильны и могут распадаться по каналу νs → νa + γ, что может приводить к появлению рентгеновской линии. Поиск такой линии ведётся в астрофизических наблюдениях, в частности, обсуждаемая линия на энергии 3.5 кэВ в галактических скоплениях может быть интерпретирована как возможный след стерильного нейтрино с массой около 7 кэВ.
Экспериментальные поиски стерильных нейтрино
Поиски стерильных нейтрино ведутся по нескольким направлениям:
Стерильные нейтрино в расширениях Стандартной модели
В ряде расширений Стандартной модели стерильные нейтрино возникают естественным образом. Примеры включают:
Роль в лептогенезе
Стерильные нейтрино с массами порядка 109 − 1013 ГэВ могут распадаться с нарушением CP-симметрии и порождать лептонную асимметрию в ранней Вселенной. Эта асимметрия затем преобразуется в барионную через сферические аномалии, согласно механизму Сахарова. Такой сценарий возможен в контексте see-saw моделей и является одним из наиболее правдоподобных объяснений барионной асимметрии.
Теоретические ограничения и допустимые параметры
Масса и степень смешивания стерильных нейтрино ограничены одновременно экспериментальными, астрофизическими и космологическими данными. Наиболее исследуемые диапазоны включают:
Границы параметрического пространства (ms, θ), где ms — масса стерильного нейтрино, θ — угол смешивания с активными состояниями, активно уточняются новыми измерениями и наблюдениями.