Магнитный момент нейтрино

Исследования на физическом факультете и в филиале МГУ в Сарове

Присуждение Нобелевской премии в 2015 году руководителю Нейтринной обсерватории в Садбери Артуру Макдональду (Канада) и руководителю эксперимента Гипер-Камиоканде Такааки Каджите (Япония) за открытие осцилляций нейтрино доказывает, что масса нейтрино отлична от нуля.

Как хорошо известно, эффект смешивания и осцилляций нейтрино был предсказан в 1957 году Бруно Максимовичем Понтекорво, который с 1966 по 1986 год заведовал кафедрой физики элементарных частиц на физическом факультете МГУ.

Одним из фундаментальных следствий ненулевой массы нейтрино является наличие у нейтрино ненулевых электромагнитных свойств, которые не укладываются в Стандартную модель взаимодействия частиц. По этой причине изучение электромагнитных свойств нейтрино отрывает окно в новую физику.

Проблема электромагнитных свойств нейтрино является ключевым вопросом исследований, которые ведутся научной группой по физике нейтрино на физическом факультете Московского университета на протяжении многих лет. В том же 2015 году руководителем группы в соавторстве с итальянским физиком Карло Джунти опубликована подробная обзорная статья [1] по данной проблеме в одном из самых высокорейтинговых журналов. К настоящему моменту данная статья имеет более 400 цитирований.

Научной группой по физике нейтрино внесен заметный вклад в исследования электромагнитных свойств частицы. Так, в статье [2] развита теория рассеяния нейтрино на мишени. Это позволило обосновать правильность интерпретации результатов эксперимента ГЕММА по рассеянию реакторных антинейтрино на мишени (который проводится на Калининской атомной станции учеными из ОИЯИ и РНЦ «Курчатовский институт») и подтвердить приоритет российских ученых в получении лучшего мирового ограничения сверху на величину магнитного момента: здесь ?B — магнетон Бора.

В работе [3] на основе развития теории рассеяний реакторных нейтрино и использования данных эксперимента ГЕММА получено новое рекордное реакторное ограничение на миллизаряд нейтрино:

На основе результатов развития теории рассеяния с учетом эффектов смешивания нейтрино [4] в работе [5] впервые получены ограничения на недиагональные зарядовые радиусы нейтрино. Указанные выше результаты (ограничения на магнитный момент, миллизаряд и зарядовые радиусы нейтрино) как важные характеристики электромагнитных свойств нейтрино включены в таблицы основных свойств частиц в «Обзорах по физике элементарных частиц», которые ежегодно публикует Международная коллаборация по свойствам элементарных частиц (ParticleDataGroupCollaboration). Последний из таких обзоров опубликован в прошлом году [6].

Прошедший 2022 год ознаменовался началом реализации масштабного проекта по изучению электромагнитных свойств нейтрино, главной целью которого является проведение впервые регистрации когерентного упругого рассеяния нейтрино на атомах и получение новых рекордных ограничений на магнитный момент нейтрино (или измерение указанной величины). Проект реализуется в рамках направления № 8 «Физика изотопов водорода» (руководители — О.А. Москалев и А.А. Юхимчук, РФЯЦ-ВНИИЭФ) по утвержденной научной программе Национального центра физики и математики в городе Сарове при самом активном участии научной группы по физике нейтрино физического факультета Московского университета.

Фактическая подготовка проекта началась с обращения А.А. Юхимчука осенью 2021 года к А.И. Студеникину провести впервые в мире измерения когерентного упругого рассеяния антинейтрино от тритиевого источника на атомах (CoherentElasticNeutrino-AtomScattering, CEvAS) жидкогелиевого детекторав создаваемом Национальном центре физики и математики. Разработка идеи и обоснование возможности такого эксперимента изложены в статье [7].

Главной целью реализуемого проекта является изучение электромагнитных свойств нейтрино с беспрецедентной точностью и, в частности, получение нового рекордного ограничения сверху на величину магнитного момента нейтрино, превосходящего примерно на два порядка существующие в настоящее время ограниченая на эту характеристику нейтрино.

Важной особенностью рассеяния тритиевых антинейтрино на жидкогелиевой мишени заключается в том, что вследствие «экранировки» ядра электронной оболочкой атома гелия происходит взаимная компенсация амплитуд рассеяния нейтрино на ядре и электронах оболочки. Это приводит к резкому подавлению вклада Стандартной модели в сечение рассеяния нейтрино на атоме практически до нуля (красная

пунктирная линия на рисунке, иллюстрирующем зависимость различных вкладов в сечение рассеяние от энергии отдачи).

Впервые процесс упругого рассеяния нейтрино на атоме был теоретически рассмотрен в работе [8]. В рамках (V, A)-теории слабого взаимодействия ими было показано, что при энергиях нейтрино <~ 10 кэВ существует область когерентно-оптических нейтринных явлений, где основную роль играют процессы упругого рассеяния нейтрино на атоме в целом. Действительно, при указанных энергиях дебройлевская длина волны нейтрино сравнима или даже превышает атомный радиус Ratom. Это обстоятельство дает возможность реализовывать режим когерентного упругого рассеяния qRatom<< 1, где q = | q ? | — величина переданного трехмерного импульса, в достаточно широком диапазоне нейтринных углов рассеяния. На практике нейтрино требуемых энергий можно получить от тритиевого источника: электронные антинейтрино, рождающиеся в процессе бета-распада трития, имеют непрерывный спектр энергий от 0 до 18.6 кэВ со средним значением 12.9 кэВ. В более поздних работах других авторов в рамках Стандартной модели слабого взаимодействия было предсказано, что для определенных значений атомного номера и массового числа в упругом рассеянии электронного (анти)нейтрино на атоме должно наблюдаться полное экранирование слабого заряда атомного ядра электронным облаком атома. Полная экранировка реализуется при определенном значении энергии отдачи атома, которая не зависит от энергии нейтрино. В случае атома 4He эта энергия равна 9 мэВ, что открывает возможность поиска эффектов физики за пределами Стандартной модели, которые могли бы давать ненулевой вклад при энергиях отдачи около 9 мэВ.

В этой связи особый интерес представляет анализ чувствительности процесса CEvAS к электромагнитным свойствам нейтрино (а именно магнитного момента), существование которых предсказывается уже в минимальном расширении Стандартной модели с правыми массивными дираковскими нейтрино. На первом этапе реализации проекта [9] будет использоваться титан-тритиевый TiT2 источник с начальной активностью 10 МКи (соответствует

1 кг трития). В дальнейшем возможно увеличение массы тритиевого источника антинейтрино до 4 кг. Схема эксперимента представлена на рисунке.

Для оценки чувствительности экспериментальной схемы ис-пользуется критерий хи-квадрат:

,

где N = NSM + N?v. То есть, предполагается, что отклонение общего числа CEvAS событий от значения, предсказываемого Стандартной моделью, вызвано магнитным моментом нейтрино. Результаты численных расчетов величины ? x2 = x2 – x2min

как функции магнитного момента нейтрино ?? в случае 5 лет набора данных приведены на рисунке. Таким образом, предсказываемая чувствительность эксперимента к величине магнитного момента находится в пределах примерно от 4 до 2 единиц на 10-13?B (при 90 % уровне достоверности) в зависимости от массы тритиевого источника антинейтрино.

В настоящее время в работе по реализации проекта [9] при поддержке госбюджета и Росатома участвуют ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», МГУ имени М.В. Ломоносова, НГТУ имени Р.Е. Алексеева, ННГУ имени Н.И. Лобачевского, ФГУП «ПО «Маяк», Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Институт физики микроструктур РАН, Институт ядерных исследований РАН и Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ). От Московского университета наряду с тремя сотрудниками участвуют семь аспирантов и студентов магистратуры физического факультета.

В 2022 году в рамках работы по проекту группой по физике нейтрино под руководством А.И. Студеникина (в состав группы входят профессор К.А. Кузаков, научный сотрудник К.Л. Станкевич, аспиранты Ф.М. Лазарев, А.А. Личкунов, А.Р. Попов, И.С. Степанцов, В.В. Шахов, студенты магистратуры М.М. Вялков, Н.М. Долганов, А.А. Пуртова и др., а также иностранные коллеги) были подготовлены и представлены доклады на двух крупнейших международных конференциях (XLI International Conference on High Energy Physics, Italy и XXX International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, Korea) и на 14-й Международной школе по физике нейтрино и астрофизике в Сарове. Восемь статей по вопросам электромагнитных свойств нейтрино и теории рассеяния нейтрино на мишени, непосредственно связанные с темой проекта, находятся в печати.

[1] C.Giunti, A.Studenikin, «Neutrino electromagnetic interactions: A window to new physics», Reviews of Modern Physics 87 (2015) 531-561.

[2] K.Kouzakov, A.Studenikin, «Theory of neutrino-atom collisions: The history, present status and BSM physics», Adv. High Energy Phys. 2014 (2014) 569409 (16 p.)

[3] A.Studenikin, «New bounds on neutrino electric millicharge from limits on neutrino magnetic moment», Europhys. Lett. 107 (2014) 21001 (5 p.).

[4] K.Kouzakov, A.Studenikin, «Electromagnetic properties of massive neutrinos in low-energy elastic neutrino-electron scattering», Phys. Rev. D 95 (2017) 055013 (9 p.).

[5] K.Kouzakov, A.Studenikin et.al, «Neutrino charge radii from COHERENT elastic neutrino-nucleus scattering», Phys. Rev. D 98 (2018) 113010 (11 p.).

[6] Review of Particle Physics 2022 (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022).

[7] K.Kouzakov, A.Studenikin et. al, «Potentialities of a low-energy detector based on He-4 evaporation to observe atomic effects in coherent neutrino scattering and physics perspectives», Phys. Rev. D 100 (2019) 073014 (9 p.).

[8] Ю.В.Гапонов, В.Н.Тихонов, «Упругое рассеяние низкоэнергетических нейтрино на атомных системах», Ядерная физика 26 (1977) 594-600.

[9] M.Cadeddu, G.Donchenko, F.Dordei, C.Giunti, K.Kouzakov, B.Lubsandorzhiev, A.Studenikin, V.Tro?mov, M.Vyalkov and A.Yukhimchuk, «A proposal for experiment with high-intensity tritium neutrino source in Sarov: The search for coherent elastic neutrino-atom scattering and neutrino magnetic moment», PoS (ICHEP2022) 591, e-Print: 2302.05307 [hep-ph] Feb 10, 2023.

А.И. Студеникин, профессор кафедры теоретической физики