Майорановские нейтрино и процессы с несохранением лептонного числа

На правах рукописиЖуридов Дмитрий ВладимировичМАЙОРАНОВСКИЕ НЕЙТРИНО И ПРОЦЕССЫС НЕСОХРАНЕНИЕМ ЛЕПТОННОГО ЧИСЛАСпециальность 01.04.02 — теоретическая физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 2006Работа выполнена на кафедре теоретической физики физическогофакультета Московского государственного университета имениМ.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор А.В. БорисовОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наукпрофессор П.А.

Эминов,кандидат физико-математических наукдоцент А.И. ТерновВедущая организация: Томский государственный университетЗащита состоится “ ”2006 г. вч. на заседанииДиссертационного совета К 501.001.17 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова (119992, г. Москва,).Ленинские горы, физический факультет МГУ, ауд.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ.Автореферат разослан “”Ученый секретарьДиссертационного совета К 501.001.17доктор физико-математических наукпрофессор2006.П.А. ПоляковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. Обнаруженные на рубеже XX иXXI веков осцилляции солнечных, атмосферных, реакторных иускорительных нейтрино, означают наличие масс у этих частици смешивания в лептонном секторе. Тем не менее, остаютсянеизвестными природа и абсолютный масштаб масс нейтрино.

Потипу масс нейтрино могут быть майорановскими или дираковскими.Свойства тех и других существенно различны. Например, майорановские фермионы, в отличие от дираковских, должны приводитьк процессам с изменением полного лептонного числа на величину,кратную двум. Последнее влечет за собой существенные эффекты,такие как лептогенезис, объясняющий барионную асимметриюВселенной. Что касается абсолютного масштаба масс нейтрино,то осцилляционные эксперименты к нему не чувствительны, а понеосцилляционным данным (космология; прецизионные измеренияспектров заряженных частиц, испускаемых вместе с нейтрино вслабых распадах) массы нейтрино на пять или более порядковвеличины меньше масс заряженных лептонов, что требует дополнительного объяснения.

Многие модели, естественно объясняющиестоль малые массы нейтрино, утверждают необходимое существование помимо легких, очень тяжелых нейтрино, чьи массы могутвозникнуть далеко за пределами Стандартной модели. Причем, вэтих моделях все нейтрино, в результате смешивания, оказываютсямайорановскими. Ответить на вопросы о природе и абсолютноммасштабе масс нейтрино позволит наблюдение обусловленныхпромежуточными майорановскими нейтрино процессов рожденияпар одинаково заряженных лептонов в глубоконеупругих лептон–протонных столкновениях или в безнейтринном двойном бетараспаде.

Кроме того, данные процессы чувствительны к физикеза пределами Стандартной модели, в частности, к параметрам:суперсимметричных теорий, моделей со скалярными частицами,взаимодействующими с парами кварков и лептонов, и теорийс правыми токами, связанными с лептокварками или правымизаряженными калибровочными бозонами.3Целью диссертационного исследования является изучениевозможных процессов с несохранением числа лептонов, обусловленным промежуточными легкими и тяжелыми майорановскиминейтрино, позволяющих определить тип и абсолютный масштабмасс нейтрино и чувствительных к параметрам различныхрасширений Стандартной модели.Научная новизна. В диссертационной работе впервые:• исследованы обусловленные тяжелыми майорановскими нейтрино процессы рождения дилептонов в лептон-протонныхстолкновениях: изучен эффект интерференции несколькихтяжелых нейтрино, определены возможности наблюдения процессов, проанализированы способы определения характеристиктяжелых майорановских нейтрино;• для общего лоренц-инвариантного лагранжиана полученораспределение по углу разлета электронов в безнейтринномдвойном бета-распаде, обусловленном легкими майорановскиминейтрино; расширения Стандартной модели классифицированны по характерному для них виду полученного распределения;определено ограничение на массу правого заряженного калибровочного бозона в зависимости от эффективной массы нейтринои коэффициента угловой корреляции электронов.Научная и практическая ценность работы.

Полученныерезультаты могут быть использованы в более обширных идетальных теоретических исследованиях процессов с несохранениемлептонного числа, обусловленным промежуточными майорановскими нейтрино, и в экспериментальных исследованиях: в работе надействующих и при проектировании будущих лептон-протонныхколлайдеров и установок по поиску безнейтринного двойного бетараспада.Результаты могут быть использованы на физическом факультетеМГУ, в НИИЯФ МГУ, ИТЭФ, ИЯИ, ОИЯИ, ФИАН.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: 11-й и 12-й международных Ломоносовских4конференциях по физике элементарных частиц (Москва), научных конференциях «Ломоносовские чтения» (Москва — 2003,2005), конференции «Ломоносов-2003» (Москва), научных сессияхконференциях секций ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальныхвзаимодействий» (Москва — 2002, 2004 и 2005 (два доклада)),международной летней школе им.

Гельмгольца «Физика тяжелыхкварков» (Дубна — 2005), а также на семинарах кафедрытеоретитеской физики физического факультета МГУ.Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,трех глав основного текста, включая шесть приложений, заключения и списка цитируемой литературы.

Объем диссертациисоставляет 102 страницу текста, набранного в издательской системеLATEX. Список цитируемой литературы включает 113 работ.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении (глава 1) обоснована актуальность исследуемойпроблемы, сформулированы цели исследования и описано построение диссертационной работы.В главе 2 изложены основные сведения о нейтрино. Проведеносопоставление свойств майорановских и дираковских нейтрино, вчастности, различие в их свойствах по отношению к симметрии,связанной с сохранением лептонного числа.В параграфе 1 дана краткая история предсказания и экспериментального открытия нейтрино, описаны основные черты Стандартноймодели, обосновано отсутствие масс у нейтрино и смешиваниялептонов в ее минимальном варианте. Здесь же обрисованы способыгенерации малых масс нейтрино в расширениях Стандартноймодели.Параграф 2 посвящен сравнительному описанию кинематики,квантования, электромагнитной структуры майорановских и дираковских нейтрино. Здесь также описано фазовое преобразование,5инвариантность по отношению к которому лагранжиана дираковских нейтрино, в отличие от майорановских, приводит к сохранениючисла лептонов.В параграфе 3 основные механизмы генерации масс нейтриноразобраны для одного поколения легких лептонов.

Вниманиеакцентировано на механизмах, дающих малые, по сравнению смассами заряженных лептонов, массы, по крайней мере, частинейтрино.Для наблюдаемой картины трех поколений легких лептоновв параграфе 4 рассмотрен переход от флейверного базисанейтрино к их массовому базису, подробно описан широкийкласс из рассмотренных в предыдущем параграфе механизмов —качельный, записан лагранжиан слабого взаимодействия лептоновс левыми и правыми заряженными W -бозонами, произведен подсчетпараметров смешивания для легких и тяжелых майорановскихнейтрино.Осцилляции нейтрино в вакууме рассмотрены в параграфе 5.В параграфе 6 объяснены причины нечувствительности современных нейтринных экспериментов к типу масс нейтрино,приведены возможные классы процессов, чувствительных к нему,а также представлены современные данные о массах нейтрино исовместимые с ними спектры масс легких нейтрино.Глава 3 посвящена исследованию процессов рождения дилептонов в глубоконеупругих позитрон-протонных и нейтрино-протонныхстолкновениях при участии промежуточных майорановских нейтрино.В параграфе 1 описана суть рассматриваемых процессов,поставлены цели и дана структура главы.В параграфе 2 рассказано об использованных в данной главеограничениях на параметры смешивания тяжелых майорановскихнейтрино (ТМН) и основных приближениях, также о рассматриваемой области параметров (включая массы нейтрино и полнуюэнергию процесса), для которой эффекты легких нейтрино висследуемых процессах малы, по сравнению с эффектами ТМН.Основные типы фоновых процессов описаны в параграфе 3.Параграф 4 посвящен расчету сечений исследуемых столкновений6для простейшего спектра масс ТМН, такого что основной вкладв амплитуды дает одно нейтрино.

В расчете учтены эффектыW -бозонов продольной и поперечной поляризаций и показано,что в рассматриваемой области больших масс нейтрино иполных энергий эффекты поперечно поляризованных W -бозоновмалы. Кроме того, в данном параграфе показана невозможностьнаблюдения рассматриваемых процессов на действующем (HERA)и проектируемом (VLHC) лептон-протонных коллайдерах длякритерия наблюдаемости — не менее одного события в год.

Найденыполная энергия и светимость установки, при которых регистрациявозможна, и определены пределы чувствительности установки сзаданными параметрами.В параграфе 5 дано обобщение результатов на случай болеесложного эффективно дублетного спектра масс ТМН, при которомсущественны эффекты двух нейтрино в амплитудах процессов.Изучен эффект интерференции нейтринных массовых состояний.Построена область в плоскости возможных значений масс двухТМН, доступная для наблюдения на установке с ранее заданнымипараметрами.В параграфе 6 описаны обобщения на варианты более сложныхспектров масс ТМН и показано, что в любом случае сечения не будутпревосходить сечений, учитывающих вклад только одного, наиболеелегкого ТМН.Исследование возможности определения масс, а также CP нарушающих фаз и углов матрицы смешивания ТМН представленов параграфе 7.

Здесь получено дифференциальное распределениепо наблюдаемым продольным быстротам конечных лептонов и ихпоперечному импульсу. Выяснено, что знание всех девяти независимых нейтринных параметров (случай эффективно дублетногоспектра), входящих в дифференциальные распределения шестивозможных процессов с различными парами конечных лептонов,позволит определить шесть норм элементов первых двух столбцови три разности CP -нарушающих фаз матрицы смешивания.В параграфе 8 обсуждены основные результаты главы.В приложения к главе 3 вынесены технические деталивычислений.7В главе 4 исследовано распределение по углу разлета электроновв безнейтринном двойном бета-распаде.В параграфе 1 после исторической справки разъяснены основныезадачи главы.Параграф 2 посвящен описанию используемого в расчетах наиболее общего лоренц-инвариантного эффективного лагранжиана, атакже сопоставлению его параметров с параметрами менее общихмоделей, рассматриваемых в литературе.Использованные в данной главе приближения пояснены впараграфе 3.В параграфе 4 распределение по углу разлета электроновв исследуемом распаде записано сначала для векторной частилагранжиана и проведено сопоставление с результатами другихавторов, затем записаны остальные вклады в распределение сучетом скалярной и тензорной частей лагранжиана.Эффекты нестандартных взаимодействий, имеющих место вразличных расширениях Стандартной модели, классифицированыв параграфе 5 по характерному для них виду исследуемогораспределения.