Гонка за CP-нарушением в лептонном секторе продолжается

Понедельник, 14 октября 2019

Нейтринный сектор Стандартной модели (СМ) продолжает привлекать внимание физиков. Наиболее актуальная проблема экспериментальной физики нейтрино сейчас состоит в поиске нарушения CP-четности в осцилляциях этих частиц. Недавно новый результат представил эксперимент T2K: впервые установлено ограничения (на уровне 3σ) для значений CP-нарушающей фазы матрицы нейтринного смешивания.

На сегодняшний день одной из самых актуальных задач нейтринной физики является поиск отличий нейтрино от антинейтрино. Для этого физики исследуют осцилляции этих слабовзаимодействующих частиц (превращения нейтрино ↔ антинейтрино). Интенсивность этих процессов определяется массами нейтрино, а также элементами матрицы нейтринного смешивания (матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты или ПМНС-матрица). В состав ПМНС-матрицы входят девять комплексных элементов, однако, все их можно свести к четырем вещественным числам – углам поворота (θ12, θ23, θ13 и δCP). Углы θ описывают интенсивность осцилляций, а фаза δCP отвечает за мнимую часть элементов ПМНС-матрицы. Сила CP-нарушения определяется так называемым инвариантом Ярлског, который зависит от θ12, θ23, θ13 и δCP. Если подставить в выражение для этого инварианта значения углов θ, то он сведется к выражению JCP = 0.033×sin(δCP). Таким образом, если δCP отлично от нуля или от π, то вероятности осцилляций для нейтрино и антинейтрино различны, а значит и в нейтринном секторе СМ происходит CP-нарушение.

Поиск CP-нарушения в нейтринном секторе ведут эксперименты с пучками мюонных нейтрино T2K и NOvA. О том, как они устроены, мы уже писали в наших заметках. Эти эксперименты изучают процессы: νμ → νμ, анти-νμ → анти-νμ, νμ → νe и анти-νμ → анти-νe.

Недавно эксперимент T2K направил в печать новую экспериментальную работу, посвященную поиску CP-нарушения в лептонном секторе СМ. Дальним детектором для T2K является большой водный детектор Super-Kamiokande. Он регистрирует излучение Вавилова-Черенкова от электронов и мюонов, родившихся в результате взаимодействия нейтрино с веществом детектора. Типичный отклик детектора на появление электрона и мюона показан на рисунке 1. Отклик на электроны, гораздо более «шумный» чем на мюоны. Это позволяет построить классификатор экспериментальных событий, разделяющий появление электронные и мюонные события.

Обработав экспериментальные данные, набранные в ходе сеансов 2009-18 гг., физики построили доверительные области для параметров матрицы нейтринного смешивания. Примечательно, что впервые ученым удалось исключить некоторые области параметра δCP на уровне доверительной вероятности, соответствующему трём стандартным отклонениям нормального распределения (см. рисунок 2).

Напомним, что в экспериментах с пучками мюонных (анти)нейтрино проводятся измерения не только элементов ПМНС-матрицы, но также и разницы квадратов масс – Δm2ij = m2i  m2j массовых состояний. На сегодняшний день более-менее точно известны углы Δm213 и Δm212, а также абсолютные значения величин |Δm213| и |Δm223|. Знаки Δm213 и Δm223, а также фаза δCP, пока не определены. Существует две гипотезы, которые называют нормальная (прямая) и инвертированная (обратная) иерархии. Важно отметить, что результат T2K исключает некоторые значения δCP (изображенные на рисунке 2) для обоих вариантов. В своей статье экспериментаторы указывают, что в предположении нормальной иерархии масс, нейтрино данные описываются лучше, чем в предположении инвертированной.

Следующая важная задача – объединить результата T2K с результатами NOvA. Пока что речь идет лишь об исключении некоторых областей δCP (для случаев прямой и обратной иерархий), однако, уже сейчас можно утверждать, что в ближайшие годы иерархия масс и значение δCP будут надежно установлены.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт