Исследования в области физики нейтрино начиная с конца XX века показали, что нейтрино не являются безмассовыми частицами, как это предполагалось в Стандартной модели. Наблюдение осцилляций нейтрино — переходов между различными лептонными ароматами (электронным, мюонным и тау-нейтрино) — однозначно указывает на то, что массы собственных состояний нейтрино различны и конечны.
Экспериментально измеряются не абсолютные значения масс, а разности квадратов масс:
Δm212 ≈ 7.4 × 10−5 эВ2, |Δm312| ≈ 2.5 × 10−3 эВ2.
Таким образом, существует четкое различие в масштабе: «солнечная» разность масс намного меньше «атмосферной». Это указывает на наличие иерархии масс нейтрино, но не раскрывает, какая именно конфигурация масс реализуется в природе.
Существует два принципиально возможных варианта расположения масс собственных состояний нейтрино:
Нормальная иерархия (NH, Normal Hierarchy)
m1 < m2 ≪ m3,
где два лёгких состояния разделены солнечной разностью масс, а третье — существенно тяжелее. Этот сценарий близок по структуре к иерархии масс заряженных лептонов и кварков.
Инвертированная иерархия (IH, Inverted Hierarchy)
m3 ≪ m1 < m2,
где два более тяжёлых состояния близки по массе, а третье оказывается сильно легче.
Квазидегеративный спектр (QD, Quasi-Degenerate)
$$ m_1 \approx m_2 \approx m_3 \gg \sqrt{\Delta m^2_{31}}, $$
где все массы велики по сравнению с наблюдаемыми разностями. Такой сценарий не запрещён экспериментами, но он сильно ограничен космологическими данными.
Проблема иерархии заключается в том, что существующие эксперименты точно определяют разности масс, но не могут напрямую указать, какая из масс больше. Для её решения разработаны несколько стратегий:
Атмосферные и длиннобазовые эксперименты (например, NOvA, T2K, DUNE, Hyper-Kamiokande). Основаны на изучении осцилляций нейтрино на больших расстояниях с учётом матерных эффектов (эффекта Михеева–Смирнова–Вольфенштейна, MSW). Прохождение нейтрино через материю Земли по-разному изменяет вероятность переходов для нормальной и инвертированной иерархии.
Космологические наблюдения. Массы нейтрино вносят вклад в космический микроволновый фон и формирование крупномасштабной структуры. Современные данные ограничивают сумму масс нейтрино величиной
∑mν < 0.12 эВ (95% CL).
Это уже исключает часть сценариев с квазидегеративным спектром.
Прямые измерения массы нейтрино. Эксперимент KATRIN изучает спектр бета-распада трития и накладывает верхний предел на эффективную электронную массу нейтрино:
mβ < 0.8 эВ.
Поиск безнейтринного двойного бета-распада. Если нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдение этого процесса позволит получить информацию о порядке масс. Эффективная майорановская масса чувствительна к иерархии и может исключить IH в случае ненаблюдения распада в ближайших поколениях экспериментов.
Выяснение структуры масс нейтрино имеет фундаментальное значение для физики за пределами Стандартной модели:
Связь с механизмом происхождения массы нейтрино. В рамках механизма «смещения типа I» (seesaw mechanism) нейтрино получают малые массы за счёт смешивания с тяжёлыми стерильными нейтрино. Конкретная структура иерархии зависит от деталей матрицы Дирака и майорановской массы.
Симметрии и текстуры матриц масс. Наблюдаемая структура может указывать на наличие скрытых flavor-симметрий (например, μ–τ-симметрия), которые объясняют близость углов смешивания к определённым значениям.
Космологическая барионная асимметрия. Механизм лептогенеза, который связывает асимметрию материи и антиматерии с распадом тяжёлых нейтрино, чувствителен к структуре масс и иерархии.
Большинство глобальных анализов осцилляционных данных указывают на предпочтение нормальной иерархии с уровнем достоверности около 2 − 3σ, однако однозначного экспериментального подтверждения пока нет. Будущие проекты DUNE и Hyper-Kamiokande призваны дать окончательный ответ на этот вопрос.