Стерильные нейтрино: теоретические основы и астрофизические аспекты
Стандартная модель физики элементарных частиц включает три типа (или “аромата”) нейтрино: электронное (νₑ), мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), каждое из которых связано со своим лептоном. Эти нейтрино взаимодействуют исключительно посредством слабого взаимодействия и гравитации. Однако, в различных экспериментах по осцилляциям нейтрино, включая LSND, MiniBooNE и исследования аномалий реакторных и солнечных потоков, наблюдаются отклонения от трехнейтринной картины. Для объяснения этих аномалий теоретически вводятся дополнительные нейтрино, называемые стерильными нейтрино.
Стерильные нейтрино — это гипотетические фермионы, которые не участвуют в стандартном слабом взаимодействии, а взаимодействуют с обычными (активными) нейтрино только через смешивание. Их называют “стерильными”, поскольку они не имеют зарядов по калибровочным группам SU(2)×U(1), и потому не обнаруживаются обычными средствами, основанными на слабом взаимодействии.
Пусть имеется N нейтрино, из которых na = 3 — активные, а остальные ns = N − 3 — стерильные. Тогда матрица смешивания U (обобщение матрицы Понтекорво–Макиява–Накаяги, PMNS) будет размером N × N, и волновая функция состояния будет суперпозицией всех массовых состояний:
$$ |\nu_\alpha\rangle = \sum_{i=1}^{N} U_{\alpha i} |\nu_i\rangle,\quad \alpha = e, \mu, \tau, s_1, \ldots $$
В этом расширенном пространстве возможно возникновение новых осцилляционных частот, зависящих от новых разностей квадратов масс Δm2 ∼ 1 эВ2, существенно отличающихся от тех, что наблюдаются в стандартной модели. Именно такие высокочастотные осцилляции и предполагается фиксировать в экспериментах.
Смешивание активных и стерильных нейтрино приводит к вероятности перехода, например, вида:
$$ P(\nu_\mu \rightarrow \nu_e) \approx 4|U_{\mu 4}|^2|U_{e4}|^2\sin^2\left(\frac{\Delta m^2_{41} L}{4E}\right), $$
где Δm412 — разность квадратов масс между четвёртым (стерильным) и первым (активным) массовым состоянием, L — расстояние, а E — энергия нейтрино.
Стерильные нейтрино существенно влияют на космологические параметры, особенно в эпоху рекомбинации и нуклеосинтеза. Их наличие может быть зафиксировано через эффективное число нейтрино Neff, определяющее плотность энергии релятивистских частиц во Вселенной. В Стандартной космологической модели Neff ≈ 3.046, но при наличии дополнительного стерильного состояния ожидается увеличение:
Neff = 3.046 + ΔNeff, ΔNeff ∼ 1
Последние данные CMB (Planck, ACT, SPT) ограничивают возможное значение ΔNeff, указывая на то, что полностью термализированные стерильные нейтрино маловероятны, если они имеют массы порядка эВ. Тем не менее, неполностью термализированные, а также тяжёлые (кев-диапазон) стерильные нейтрино пока не исключаются.
Особый интерес вызывают тяжёлые стерильные нейтрино с массами в диапазоне 1–100 кэВ. Они рассматриваются как теплая тёмная материя (Warm Dark Matter, WDM), обладающая достаточно малой скоростью, чтобы формировать крупномасштабную структуру, но способная подавлять формирование малых галактик — в отличие от холодной тёмной материи (CDM).
Ключевые параметры таких кандидатов:
Рентгеновские телескопы, такие как XMM-Newton и Chandra, активно ищут моноэнергетические линии от распада таких частиц. Особенно обсуждаемым был сигнал на 3.5 кэВ, возможно связанный с распадом стерильного нейтрино массой около 7 кэВ. Однако интерпретация остаётся спорной.
Стерильные нейтрино потенциально могут играть значимую роль в следующих астрофизических сценариях:
Внутри сверхновой нейтрино играют критическую роль в передаче энергии. Введение стерильных нейтрино может изменить охлаждение ядра и эффективность взрыва, поскольку стерильные компоненты уносят энергию, не взаимодействуя повторно с веществом:
Механизмы формирования остатков зависят от распределения энергии и момента импульса. Смешивание активных нейтрино с массивными стерильными может привести к анизотропному выбросу, что потенциально объясняет импульс (kick) нейтронных звёзд.
Некоторые расширения модели (например, νMSM — минимальная модель с добавлением стерильных нейтрино) позволяют объяснить происхождение барионной асимметрии Вселенной через лейптогенез, в котором стерильные нейтрино участвуют в CP-нарушающих распадах.
Поиск стерильных нейтрино ведётся по нескольким направлениям:
Существуют различные теоретические рамки, в которых стерильные нейтрино вписываются естественно:
Стерильные нейтрино остаются одним из важнейших и наиболее обсуждаемых направлений современной астрофизики и физики частиц, находящимся на стыке экспериментальных аномалий, теоретических моделей и космологических наблюдений.