Роль нейтрино в современной
физике
Нейтрино занимают особое место в фундаментальной физике, поскольку
они обладают крайне малой массой, участвуют только в слабом и
гравитационном взаимодействиях и проявляют уникальные квантовые
свойства, такие как осцилляции между ароматами. Их характеристики
выходят за рамки стандартной модели (СМ), которая не способна
естественным образом объяснить ненулевую массу нейтрино. Именно это
делает нейтрино важным полем для проверки расширенных теоретических
конструкций, включая теорию струн.
Теория струн и
необходимость включения нейтрино
Теория струн претендует на статус единой теории, объединяющей все
фундаментальные взаимодействия, включая гравитацию. В рамках этой теории
все частицы рассматриваются как различные моды вибрации одномерных
объектов — струн. Для воспроизведения фермионного спектра природы,
включая нейтрино, необходимо наличие суперсимметрии,
которая объединяет бозоны и фермионы в единый математический каркас.
В простых моделях СМ масса нейтрино может быть введена лишь
феноменологически. В теории струн же возникает естественный механизм
генерации масс за счёт:
- компактификации дополнительных измерений;
- наличия правых (стерильных) нейтрино в спектре
струнных возбуждений;
- эффекта механизма “see-saw” (качелей), который
встраивается в более широкую структуру струнных моделей.
Правые нейтрино и
стерильные состояния
Стандартная модель не содержит правых нейтрино, однако теория струн
практически неизбежно приводит к их появлению. Эти состояния, будучи
синглетами по всем известным калибровочным группам, взаимодействуют
исключительно через гравитацию и потенциально через новые
U(1)-симметрии, возникающие при компактификации.
Наличие правых нейтрино позволяет реализовать:
- механизм see-saw первого типа, где тяжёлые
стерильные нейтрино обуславливают малость масс активных нейтрино;
- возможность объяснения барионной асимметрии
Вселенной через лептогенез — процесс, в котором распады тяжёлых
стерильных нейтрино создают избыток лептонов, впоследствии
преобразующийся в избыток барионов.
Компактификация
и геометрия дополнительных измерений
Ключевым аспектом теории струн является необходимость существования
дополнительных измерений. Компактификация на многообразиях типа
Калаби–Яу или орбифолдах определяет спектр частиц и их взаимодействия.
Для нейтрино это означает:
- возможность появления эффективных операторов массы
Дирака или Майораны;
- геометрическая локализация полей нейтрино в определённых областях
дополнительного пространства, что определяет величину масс и матрицу
смешивания (матрицу Понтекорво–Маки–Накагавы–Сакаты, PMNS);
- возникновение аномально малых куплинг-констант, что согласуется с
наблюдаемой малостью масс нейтрино.
В некоторых моделях параметры нейтринных масс напрямую зависят от
топологии цикла, на котором «сидит» соответствующее поле в
дополнительном пространстве, что делает задачу расчёта масс и углов
смешивания задачей геометрии.
Нейтринные
осцилляции и струнные предсказания
Наблюдаемые осцилляции нейтрино свидетельствуют о нетривиальной
структуре матрицы PMNS. В струнных сценариях предсказывается широкий
спектр значений для углов смешивания и фаз CP-нарушения, причём
некоторые модели объясняют:
- почему углы смешивания в нейтринном секторе столь велики по
сравнению с кварковым сектором (матрица CKM);
- возможность существования дополнительных «стерильных» нейтрино с
массами в диапазоне от эВ до ТэВ, что может проявляться в будущих
экспериментах;
- наличие ненулевой мажорановской фазы, что имеет
прямое отношение к поиску безнейтринного двойного бета-распада.
Нейтрино,
суперсимметрия и струнные модели
Суперсимметрия (SUSY), являющаяся фундаментальной частью
суперструнных моделей, тесно связана с механизмами генерации масс
нейтрино. В суперсимметрическом расширении стандартной модели (MSSM) при
учёте правых нейтрино и дополнительных U(1)-симметрий возникает:
- естественный механизм подавления массы нейтрино через взаимодействие
с полями модулей компактификации;
- возможность связи масс нейтрино с масштабами размыкания
суперсимметрии;
- объяснение иерархий в структуре смешивания посредством флуктуаций
вакуумных ожиданий полей (VEV) в дополнительных измерениях.
Космологические следствия
Включение нейтрино в струнную теорию имеет последствия для
космологии:
- роль тяжёлых стерильных нейтрино в инфляционной
динамике и reheating-процессах;
- влияние на формирование тёмного вещества: лёгкие
стерильные нейтрино могут быть кандидатом в тёплое тёмное вещество;
- определение суммарной массы нейтрино в струнных сценариях, что
сказывается на космическом микроволновом фоне (CMB) и формировании
крупномасштабной структуры.
Экспериментальные
перспективы
Для проверки струнных гипотез о нейтрино важны несколько
направлений:
- поиски безнейтринного двойного бета-распада,
который подтвердит мажорановскую природу нейтрино;
- эксперименты по измерению угла δCP в нейтринных осцилляциях, что
даст ключ к пониманию CP-нарушения в лептонном секторе;
- поиски стерильных нейтрино в реакторных, ускорительных и
космологических данных;
- сравнение предсказанных струнными моделями соотношений между массами
и углами с экспериментальными данными.