Эффект MSW
Эффект MSW объясняет, почему нейтрино ведут себя в веществе иначе, чем в вакууме. Он является разрешением проблемы солнечных нейтрино и назван по именам Михеева, Смирнова и Вольфенштейна.
Основная мысль
Нейтрино, проходящее сквозь вещество, постоянно встречает электроны, протоны и нейтроны. Взаимодействия редки — но даже без настоящего столкновения частица чувствует окружение, подобно тому как свет в стекле становится медленнее, не теряя отдельных фотонов.
Решающим является неравное обращение. Все три вида нейтрино могут рассеиваться на веществе через Z-бозон. Но только электронное нейтрино может дополнительно взаимодействовать с электронами через W-бозон — ведь лишь для него в обычном веществе есть подходящий партнёр.
Тем самым электронное нейтрино испытывает дополнительный потенциал. Оно движется, в известном смысле, сквозь другую среду, чем оба его собрата.
Линкольн Вольфенштейн описал этот эффект в 1978 году.
Резонанс
Станислав Михеев и Алексей Смирнов показали в 1985 году, что в звезде из этого следует нечто примечательное.
В ядре Солнца плотность чрезвычайно высока. На пути наружу она непрерывно убывает, пока нейтрино не выходит в вакуум. Где-то на этом пути оно проходит плотность, при которой дополнительный потенциал в точности уравновешивает разность масс.
В этом месте смешивание становится максимальным — превращение одного вида в другой идёт там наиболее действенно. Если переход происходит достаточно медленно, нейтрино следует за меняющимся окружением и покидает Солнце преимущественно как вид, отличный от того, каким оно возникло.
Почему это зависит от энергии
Здесь лежит тот пункт, на котором эффект удалось доказать.
Резонансная плотность зависит от энергии нейтрино. Высокоэнергичные нейтрино находят свой резонанс глубоко в ядре Солнца и сильно превращаются. Низкоэнергичные нейтрино вообще не достигают подходящей плотности — они просто осциллируют, как в вакууме.
Из этого следует предсказание, которое можно измерить:
| Область энергий | ожидаемое выживание в виде электронного нейтрино |
|---|---|
| ниже 1 МэВ, например pp-нейтрино | около 55 процентов, вакуумное поведение |
| выше 5 МэВ, например бор-8 | около 30 процентов, область MSW |
Именно эту картину и нашли эксперименты. Опыт Homestake с высоким порогом видел треть, GALLEX и SAGE с низким порогом — около 60 процентов. Borexino позднее измерил переходную область между ними и подтвердил предсказанную кривую.
Почему это столь убедительно
Ошибка в модели Солнца затронула бы все энергии равномерно. Простые вакуумные осцилляции тоже дали бы иную картину.
Эффект MSW предсказал форму зависимости от энергии до того, как она была измерена — и она совпала. Это самый сильный вид доказательства, какой знает физика.
Где он играет роль сегодня
Эффект давно уже не частный случай Солнца, а инструмент.
Порядок масс. При прохождении сквозь земную кору эффект действует по-разному в зависимости от того, какая масса нейтрино наибольшая. DUNE использует именно это на своей трассе длиной 1 300 километров, равно как и часть ORCA в KM3NeT с атмосферными нейтрино.
Сверхновые. В коллапсирующем ядре звезды царят плотности, при которых эффект перестраивает весь спектр нейтрино. При будущей сверхновой по нему можно было бы заключить о процессах внутри.
Смежные понятия
- Проблема солнечных нейтрино — разгаданная загадка
- Осцилляции нейтрино — процесс в вакууме
- Солнечные нейтрино — затронутые частицы
- Sudbury Neutrino Observatory — доказательство
Источники
- L. Wolfenstein: Neutrino oscillations in matter, Physical Review D 17, 2369 (1978).
- S. P. Mikheyev, A. Yu. Smirnov: Resonance amplification of oscillations in matter and spectroscopy of solar neutrinos, Soviet Journal of Nuclear Physics 42, 913 (1985).