Поиск тяжелых нейтрино

Тяжелые нейтрино — гипотетические фермионы, массы которых значительно превышают массы стандартных легких нейтрино. Они активно исследуются в контексте расширений Стандартной модели, включая правые нейтрино, стерильные нейтрино и различные модели с механизмом сёюэнного (see-saw) подавления массы. Их обнаружение имеет ключевое значение для понимания природы массы нейтрино, механизма генерации барионной асимметрии во Вселенной и возможной связи с темной материей.

Экспериментальные каналы поиска

  1. Распад тяжелых мезонов и лептонов

    • Мезоны D и B: Тяжелые нейтрино могут проявляться в редких лептонных распадах, например, B → ℓN, где N — тяжелое нейтрино. Последующее распадание N → ℓπ создаёт характерный сигнал с двумя разделёнными вершинами распада (displaced vertices), что облегчает фильтрацию фона.
    • Тау-лептоны: Аналогично, распады τ → πN могут быть чувствительны к массам N до нескольких ГэВ.

    Ключевой момент: наблюдение вершин распада на значительном расстоянии от основной точки взаимодействия является отличительным признаком тяжелого нейтрино с продолжительным временем жизни.

  2. Пучковые эксперименты и фиксированные мишени

    В экспериментах с интенсивными пучками протонов на плотных мишенях образуются большое количество мезонов, распадающихся на нейтрино. Наблюдение нестандартного числа лептонов или специфических событий с пропаданием энергии может указывать на существование тяжелых нейтрино.

    • Примеры экспериментов: SHiP (CERN), NA62, DUNE near detector.
    • Особенности: Для масс нейтрино до нескольких ГэВ наиболее эффективен поиск через распады D- и B-мезонов. Для более тяжелых нейтрино необходимы высокоэнергетические ускорители и большие статистики.

  3. Коллайдерные эксперименты

    • LHC и будущие коллайдеры: тяжелые нейтрино могут продуцироваться через распады W и Z-бозонов (W → ℓN, Z → νN).
    • Сигнатура: наличие “displaced vertex” или необычных лептонных комбинаций с большой импульсной асимметрией.
    • Особенности: чувствительность к нейтрино массой до сотен ГэВ; комбинированный анализ с теориями типа правого нейтрино и расширенной модели сёюэн позволяет ограничить параметры смешивания с активными нейтрино.

Ограничения на параметры тяжелых нейтрино

  • Масса нейтрино MN: текущие эксперименты чувствительны к диапазону от сотен МэВ до нескольких сотен ГэВ.
  • Смешивание с активными нейтрино UℓN: константы смешивания ограничены экспериментальными данными, обычно U2 ≲ 10−5 − 10−7 для масс порядка ГэВ.
  • Время жизни τN: влияет на расстояние до вершины распада; короткоживущие нейтрино дают сигналы, неразличимые от фоновых событий, слишком долгоживущие — уходят из детектора.

Методики анализа и фильтрации данных

  1. Поиск дискретных вершин распада — алгоритмы отслеживания треков с высокой точностью (pixel detector) позволяют отделить события тяжелого нейтрино от фоновых процессов.
  2. Идентификация лептонов и пи-мезонов — комбинированный анализ с использованием электромагнитных калориметров и хеджированных трекеров повышает точность определения сигнатуры распада.
  3. Использование временных корреляций — для нейтрино с длительным временем жизни сигнал может появляться с задержкой относительно основного пучка; такой эффект помогает снизить фон.

Теоретические модели и предсказания

  • Механизм сёюэн: правые тяжелые нейтрино вводятся для объяснения малой массы легких нейтрино; масса тяжелых нейтрино MN может достигать от нескольких ГэВ до 1015 ГэВ в зависимости от реализации.
  • Стерильные нейтрино: не взаимодействуют с W/Z напрямую, но смешиваются с активными нейтрино; могут наблюдаться в редких распадах или через эффекты на космологические наблюдения.
  • Модели с темной материей: некоторые варианты предполагают, что тяжелые нейтрино сами являются кандидатами на темную материю, особенно в диапазоне 1–1000 ГэВ с малым смешиванием.

Перспективы экспериментов

  • SHiP (CERN): специализируется на дальноживущих нейтрино в диапазоне 0.5–10 ГэВ.
  • DUNE Near Detector: сможет исследовать нейтрино до ~5 ГэВ через высокоинтенсивный пучок протонов.
  • LHC и FCC: поиск высокомассивных нейтрино с массами сотен ГэВ и более; ключевую роль играют распады W/Z с последующим анализом “displaced vertex”.

Ключевые выводы для практических исследований:

  • Основным методом поиска тяжелых нейтрино являются редкие распады мезонов и лептонов с выделением вершин распада.
  • Чувствительность экспериментов зависит как от массы нейтрино, так и от величины смешивания с активными нейтрино.
  • Будущие высокоинтенсивные и высокоэнергетические эксперименты позволят значительно расширить область поиска и установить более строгие ограничения на параметры тяжелых нейтрино.
Оглавление