Когерентное рассеяние нейтрино на ядрах

Основные представления

Когерентное рассеяние нейтрино на ядрах (CEνNS, от англ. Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering) является фундаментальным процессом слабого взаимодействия, предсказанным в рамках Стандартной модели в 1974 году, но экспериментально зафиксированным лишь спустя более сорока лет. Данный процесс происходит при низкоэнергетических нейтрино, когда длина волны де Бройля нейтрино сравнима или превышает размер ядра, что приводит к когерентному сложению амплитуд взаимодействия со всеми нуклонами ядра.

В отличие от неупругих взаимодействий, где энергия нейтрино передается в виде возбуждения или разрушения структуры ядра, когерентное рассеяние является упругим: ядро в конечном состоянии сохраняет внутреннюю структуру, а энергия передается только в виде отдачи всего ядра как целого объекта.

Условия когерентности

Для когерентного рассеяния выполняется ключевое условие:

qR ≪ 1,

где q — переданный импульс, а R — радиус ядра.

Так как радиус ядра порядка нескольких фемтометров, когерентность достигается при энергиях нейтрино до нескольких десятков МэВ. В этой области взаимодействие усиливается за счет вклада всех нуклонов.

  • При малых энергиях (Eν < 50 МэВ): взаимодействие остается когерентным.
  • При больших энергиях: процесс теряет когерентность, так как волновые функции отдельных нуклонов начинают интерферировать деструктивно.

Сечение взаимодействия

Сечение когерентного рассеяния нейтрино на ядрах в первом приближении описывается формулой:

$$ \frac{d\sigma}{dT} = \frac{G_F^2}{4\pi} Q_W^2 M \left(1 - \frac{MT}{2E_\nu^2}\right) F^2(q^2), $$

где

  • GF — константа Ферми,
  • QW = N − (1 − 4sin2θW)Z — слабый заряд ядра, зависящий от числа протонов Z и нейтронов N,
  • M — масса ядра,
  • T — энергия отдачи ядра,
  • Eν — энергия падающего нейтрино,
  • F(q2) — форма-фактор ядра, описывающий отклонения от идеальной когерентности.

Из выражения следует, что сечение пропорционально квадрату числа нейтронов (N2). Это объясняется тем, что вклад протонов сильно подавлен за счет малого значения фактора 1 − 4sin2θW, так как sin2θW ≈ 0.23. Таким образом, нейтроны определяют основную величину сечения.

Энергия отдачи ядра

В отличие от процессов на отдельных нуклонах, энергия отдачи ядра в случае когерентного рассеяния крайне мала:

$$ T_{\text{max}} \approx \frac{2E_\nu^2}{M}. $$

Для нейтрино с энергией порядка 10 МэВ и ядра массой порядка 100 ГеВ энергия отдачи составляет всего несколько кэВ. Именно это обстоятельство делает экспериментальное наблюдение процесса крайне трудным: детекторы должны обладать сверхнизкими порогами регистрации.

Экспериментальные аспекты

Первое экспериментальное подтверждение CEνNS было получено коллаборацией COHERENT в 2017 году на ускорителе Spallation Neutron Source (SNS, Ок-Ридж, США). В качестве детектора использовался сцинтиллятор на основе CsI[Na], обладающий высокой световыходностью и низким порогом регистрации.

Особенности экспериментов:

  • необходим источник нейтрино с энергией до нескольких десятков МэВ (реакторы, пульсирующие источники на ускорителях, Солнце);
  • требуются криогенные детекторы или сцинтилляторы с низкими шумами;
  • необходимо подавление фона, связанного с космическими лучами и радиоактивностью.

Физическое значение процесса

Изучение когерентного рассеяния имеет важное значение для фундаментальной и прикладной физики:

  1. Проверка Стандартной модели. CEνNS является строго предсказанным процессом, и измерение его сечения позволяет проверять значения слабого угла Вайнберга при низких энергиях.

  2. Поиск новой физики. Возможные отклонения от предсказаний могут указывать на наличие новых взаимодействий — нейтральных токов с новыми бозонами (например, Z′), магнитного момента нейтрино или стерильных нейтрино.

  3. Астрофизика и космология. Когерентное рассеяние играет значительную роль в динамике сверхновых. В плотных средах потоки нейтрино взаимодействуют с ядрами, оказывая влияние на механизм взрыва и образование тяжелых элементов.

  4. Прикладные задачи. CEνNS может быть использовано для разработки компактных детекторов нейтрино в целях мониторинга ядерных реакторов и контроля за нераспространением ядерного оружия.

Теоретические уточнения

При анализе необходимо учитывать поправки:

  • Форма-фактор ядра F(q2), который подавляет сечение при больших переданных импульсах.
  • Электромагнитные эффекты — возможный вклад магнитного момента нейтрино.
  • Новые взаимодействия — контактные операторы вне рамок Стандартной модели.

Точные вычисления требуют привлечения ядерных моделей и учета корреляций нуклонов.

Оглавление