Нестандартные взаимодействия нейтрино

Нестандартные взаимодействия нейтрино (Non-Standard Interactions, NSI) представляют собой гипотетические процессы, которые выходят за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц. Они могут существенно влиять на осцилляции нейтрино, их прохождение через вещества и взаимодействие с материей в экспериментах с ускорителями. Изучение NSI является важным направлением современной физики высоких энергий, так как позволяет проверять теории, дополняющие Стандартную модель.

Математическая формулировка NSI

В общем случае взаимодействие нейтрино с фермионами среды описывается лагранжианом вида:

$$ \mathcal{L}_{\text{NSI}} = -2\sqrt{2} G_F \sum_{f,P} \varepsilon_{\alpha\beta}^{fP} (\bar{\nu}_\alpha \gamma^\mu P_L \nu_\beta)(\bar{f} \gamma_\mu P f), $$

где:

G_F — постоянная Ферми,
ε_αβ^fP — параметры нестандартных взаимодействий,
f — фермион среды (электрон, кварк),
P = P_L, P_R — проекционные операторы на левую или правую хиральность,
индексы α, β = e, μ, τ обозначают типы нейтрино.

Ключевой особенностью является то, что NSI могут нарушать универсальность взаимодействий нейтрино, а также вносить новые фазы CP, что отражается на осцилляциях.

Классификация нестандартных взаимодействий

1. NSI с фермионами материи (NC-тип) Эти взаимодействия проявляются при прохождении нейтрино через плотную среду. Они изменяют эффективный потенциал Вольфа–Салама:

$$ V_{\alpha\beta}^{\text{NSI}} = \sqrt{2} G_F \sum_{f} N_f \varepsilon_{\alpha\beta}^{fV}, $$

где N_f — число фермионов f в среде, а ε_αβ^fV = ε_αβ^fL + ε_αβ^fR.

2. NSI с участием заряженных токов (CC-тип) Эти взаимодействия изменяют каналы рождения и детектирования нейтрино, например:

в распаде мезонов M → lν,
при рассеянии на нуклонах.

Они могут вносить поправки в вероятности детектирования нейтрино разных флейворов.

3. Фазовые и CP-нарушающие NSI Нестандартные взаимодействия могут включать комплексные параметры ε_αβ, что ведет к новым источникам CP-нарушения, влияющим на осцилляции и, потенциально, на асимметрию материи и антиматерии в ранней Вселенной.

Влияние NSI на осцилляции нейтрино

При учёте NSI матрица Гамильтона для осцилляций в среде приобретает дополнительный член:

$$ H = \frac{1}{2E} U \text{diag}(0, \Delta m^2_{21}, \Delta m^2_{31}) U^\dagger + V_{\text{mat}} + V_{\text{NSI}}, $$

где $V_{\text{NSI}} = \sqrt{2} G_F N_e \varepsilon_{\alpha\beta}$.

Следствия:

Модификация резонансного эффекта Майкельсона–Смирнова–Вольфа (MSW).
Возможные фальшивые сигналы CP-нарушения.
Изменение спектров событий в детекторах, особенно для длинных базовых линий.

Эти эффекты особенно значимы для экспериментов с атмосферными и солнечными нейтрино, а также для дальнобазовых проектов типа DUNE и Hyper-Kamiokande.

Экспериментальные ограничения

Современные эксперименты накладывают жёсткие ограничения на величины параметров NSI:

Параметр ε_αβ	Верхний предел
ε_ee	∼ 0.1
ε_eμ	∼ 0.03
ε_eτ	∼ 0.3
ε_μτ	∼ 0.01
ε_ττ	∼ 0.3

Эти ограничения получены из комбинации данных:

осцилляций атмосферных и солнечных нейтрино,
экспериментов с реакторными и ускорительными нейтрино,
рассеяния нейтрино на электронах и нуклонах.

Перспективы исследования NSI

Дальнобазовые эксперименты Увеличение чувствительности к параметрам NSI за счёт точного измерения осцилляционных вероятностей и CP-фаз.
Нейтрино от сверхновых и космических источников Измерение спектров нейтрино высокой энергии позволит выявить потенциальные нестандартные эффекты на больших расстояниях и плотностях среды.
Совмещение с лабораторными экспериментами Эксперименты типа COHERENT и будущие эксперименты по когерентному рассеянию нейтрино на ядрах могут ограничивать CC-тип NSI и устанавливать модельные ограничения на новые взаимодействия.

Нестандартные взаимодействия нейтрино представляют собой многообещающий инструмент для проверки границ Стандартной модели и поиска следов физики за её пределами. Их влияние на осцилляции, прохождение через плотную материю и детектирование делает NSI ключевым объектом изучения в современном физическом экспериментах с нейтрино.