Elektromagnetyczne własności neutrin Tadek Kozłowski IPJ Ograniczę się do własności statycznych (bez rozpadów i zachowania się w polach EM) Korzystałem z działu electromagnetic properties -249 publ. w neutrino unbound (Carlo Giunti)

W Modelu Standardowym (SM): neutrina nie mają mas neutrina nie mają ładunków Neutrina SM nie są ani cząstkami Diraca, ani Majorany są cząstkami Weila (1929) Neutrina SM nie oddziaływają z polem EM Oddziaływują tylko słabo

W Modelu Standardowym (SM): neutrina nie mają mas neutrina nie mają ładunków Neutrina SM nie są ani cząstkami Diraca, ani Majorany są cząstkami Weila (1929) Neutrina SM nie oddziaływają z polem EM Oddziaływują tylko słabo ALE:

Neutrina o masie niezerowej mogą oddz. z polem EM Sprzężenie może przejawiać się na różne sposoby

Oddziaływanie EM jest (cztero)prądem wektorowym gdzie jest operatorem (cztero-wektorem) działającym między spinorami Wartość oczekiwana

Uwzględniając: niezmienniczość wzgl. transformacji Lorentza Prąd EM się zachowuje jest hermitowski ogólna postać operatora O dla cząstki o spinie ½ zależy od czterech rzeczywistych (nie zespolonych) czynników kształtu (Form Factors) zależnych od q 2 – kwadratu przekazanego pędu opisujących sprzężenie z polem EM; (co jest słuszne dla wszelkich tworów o s = 1/2).

Ładunek Q Q(q 2 )A 0 (potencjał elektrostat.) Elektryczny moment (pole elektrostatyczne) dipolowy (d) Magnetyczny moment (pole magnetyczne) dipolowy Moment anapolowy a Wielkość energii oddziaływania (w przybliżeniu nierelatywistycznym) Form Factor (FF) + - S N

Przypomnienie – E jest wektorem (normalnym), B – wektory aksjalne (pseudowektory) Transf. P T C Cząstki DiracaCząstki Majorany Q 0 Q = 0 0 CP = 0 0 = 0 a 0 P Własności EM metodą odróżnienia Diraca od Majorany (naiwne!)

Wiemy, że mamy trzy (co najmniej) stany masowe neutrin, których kombinacja daje neutrina o określonym zapachu: (jak pole elektronów – efekt MSW!) gdzie U ij macierz mieszania MNS;

Uogólnienie na trzy (co najmniej) stany masowe na przykładzie momentów dipolowych: Moment magnetyczny elektryczny tensor pola EM i = j momenty diagonalne (diagonal moments) 3 i j momenty przejściowe (transitional moments) 4 (mogą być zespolone) – jak masy efektywne == 0dla Majorany

FF diagonalne dla q 2 = 0 określają statyczne własności neutrin, które w zasadzie można mierzyć w bezpośrednim oddziaływaniu z zewnętrznym polem EM. FF przejściowe mają duże znaczenie w rozpadach neutrin, produkcji neutrin w procesach EM, wpływu obecności materii i pól EM – słabo zbadane.

Pozostaje całkiem tajemniczym; ma znaczenie w obecności materii (wymaga istnienia prądu). Jednakże może dawać wkład w procesach rozpraszania podobnie jak skończony wymiarneutrina Moment anapolowy (Zeldovich, 1957) - ścisłe dla m = 0

Ważny (i wykryty) w fizyce jądrowej ( 137 Cs) – niesparowany proton na orbicie zewnętrznej. Demonstruje wkład sił słabych do oddz. jądrowych. Wymaga P, lecz w unifikacji elektro – słabej mamy:

Ładunek Q(q 2 ) W SM ładunek jest skwantowany i dla Q(0) = 0 Izospin słaby Hyperładunek Są modele, w których Y jest nieskwantowane – Diraca ma miliładunek Exp.: SN1987A Q < 3 * e neutralność ładunkowa neutronu Q < 3 * e Gell-Mann - Nishijima

Zależność ładunku od przekazu pędu q daje czyli tłumaczy się na skończony rozmiar obiektu. Dla neutrina proste obliczenia chmury wirtualnych leptonów i W daje wynik nieskończony (również dla a) i niejednoznaczny (zależny od transformacji cechowania potencjału EM)

Wkład poprawek radiacyjnych do rozpraszania daje się przetłumaczyć na skończony wymiar (kontrowersyjne) = 3.2 * cm 2 dla e = 1.7 * cm 2 dla Rozpraszanie + e + e jest czułe na tę wielkość Średni wynik wielu exp. (LAMPF, CHARM, OPAL etc.) (nie musi być dodatni!)

Momenty dipolowe (MD) Moment Magnetyczny (MM) dla punktowych cząstek naładowanych: (dla m e i g =2 zwany magnetonem Bohra) jest jedną z najdokładniej zmierzonych wielkości. Dla e = 0 więc = 0 Dla najmniejszego rozszerzenia SM (masy niezerowe i neutrina prawoskrętne):

Dla Majorany (w zależności od faz CP dwu neutrin) Liczbowo Dla neutrin Diraca:

Przejściowe MD dużo mniejsze od diagonalnych (mechanizm GIM). Rozszerzenia SM mogą prowadzić do dużo większych wartości MD, jednakże w ich większości problemem jest fine tuning –jak uzyskać duży MD, trzymając masy poniżej granic doświadczalnych.

Czy zawsze MD masy neutrina? Nie – np. dla modeli L-R MD jest proporcjonalny do mas leptonów naładowanych (*sin kąta mieszania W L i W R ) Również supersymetria i extra wymiary przewidują MD bliskie obecnym granicom doświadczalnym. Granica prawie niezależna od modelu wynosi: Dla neutrin Majorany nie ma takiego ograniczenia - jeśli wykryje się, że neutrino ma efektywny moment dipolowy to oznacza, że jest na pewno neutrinem Majorany i odpowiada za to Nowa Fizyka

Jeśli posiada MM może nastąpić obrócenie spinu w polu mgt. (spin-flip) zmieniając lewoskrętne w prawoskrętne (anty ), które sa sterylne dla Diraca - alternatywne wyjaśnienie deficytu neutrin słonecznych. Wg SK strumień anty < 0.8%; KAMLAND < 0.028%. SK i KAMLAND zakończyło tę dyskusję pokazując deficyt neutrin bez silnych pól magnetycznych. Pozostaje jednak wkład do efektu MSW na Słońcu. Total solar + KAMLAND

Jak zmierzyć moment dipolowy neutrina? Wykorzystać rozpraszanie l + e l + e T – energia kinetyczna elektronu odrzutu

Widmo neutrin z typowego reaktora – 6 na rozszczepienie > dla < 2.35 keV dla keV

- destruktywna interferencja! Tak zwany moment magnetyczny neutrina - to efektywny moment dipolowy Dla jak masa efektywna rozpadu Dochodzi ewentualnie efekt MSW (mieszanie w materii) Za to dobra sygnatura doświadczalna: rozproszone elektrony kontynuują kierunek neutrin (sumowanie po stanach końcowych j - niekoherentne!)

Linia czerwona - BOREXINO Neutrina słoneczne (DK + JZ) tzw. neutrino magnetic moment

MiniBooNE zaobserwował między (15 – 100 MeV) 51 ev., z czego 15.3 ev. z e(?): Neutrina z akceleratora LSND DONUT

Pomiary przy reaktorach Ostatnie: MUNU – reaktor Bugey (2005) - Francja TEXONO – reaktory Kuo-Sheng (2006) - Taiwan GEMMA – Kalininskaya Elektr. Atomowa –Twer (Kalinin) Dubna (JINR) – Moskwa (ITEP) ( 2007) Efektywny moment może być inny niż dla słonecznych!

GEMMA Źródło – 3 GW th WPR w odl m od detektora Strumień - Detektor kg HPGe otoczony aktywną osłoną NaI, pasywną Pb+Cu i plastykowymi detektorami (weto mionowe) pod reaktorem N e = 4.0*10 26 Atom Ge ma 32 elektrony

Wynik ostatni (nieopublikowany) (9426 h ON, 2965 h OFF) (1 rok = 8760 h)

Oszacowania astrofizyczne - (brak nowych, pominięte przez PDG) - otrzymane ze spin-flip w medium, polu mgt.: - SN1987A - BBN - otrzymane z oszacowań schładzania gwiazd w procesie rozpadu plazmonów - otrzymane z oszacowania wpływu na opóźnienie zapłonu He w olbrzymach czerwonych Zależą od modelu astrofizycznego Zakładają określony model neutrina

Nowe pomysły ULEGe – Ultra low Energy Ge detektor – próg 100 – 200 eV (problem - rozpraszanie koherentne -jądro) Raczej należy pracować nad obniżeniem tła

Sferyczna TPC wypełniona trytem (NOSTOS) Promień 10 m (L osc = 13 m) – do precyzyjnego pomiaru 13 Pozwoli na pomiar poniżej

Pętla z drutu, przez którą przechodzi intensywna wiązka neutrin (spolaryzowanych) i indukuje sygnał poprzez moment magnetyczny - zbyt słaby sygnał dla obecnie realnych wiązek – ale??

RESUME: nie znamy wielkości parametrów kształtu neutrin w oddziaływaniach elektromagnetycznych; SM z rozszerzeniem na skończone masy przewiduje bardzo małe ich wielkości; nowa fizyka przewiduje wielkości bliskie obecnym granicom doświadczalnym. pomiary parametrów EM neutrin poszukiwaniem okna otwartego na nową fizykę; zaobserwowanie MD poniżej obecnych granic, lecz powyżej B będzie świadczyć,że neutrina są cząstkami Majorany.

Pure logical thinking cannot yield us any knowledge of the empirical world; all knowledge of reality starts from experience and ends in it. A. EinsteinA. Einstein (1933)