Матрица PMNS

Матрица PMNS — это математическая форма осцилляций нейтрино. Она описывает, как три вида нейтрино, которые порождают и измеряют, связаны с тремя состояниями, обладающими определённой массой.

Её название отсылает к Понтекорво, Маки, Накагаве и Саката.

Два способа описать нейтрино

Суть дела — в различении, к которому поначалу нужно привыкнуть.

Когда бета-распад порождает нейтрино, возникает электронное нейтрино — определённое тем, что оно появляется вместе с электроном. Это состояние слабого взаимодействия.

Если частица затем движется сквозь пространство, определяющим является не это состояние, а масса. А состояния с определённой массой — не те же самые, что состояния с определённым видом.

Электронное нейтрино, таким образом, не отдельное массовое состояние, а суперпозиция трёх. Эти три движутся с немного разной скоростью, выходят из такта — и при следующей регистрации та же самая суперпозиция может явиться как мюонное или тау-нейтрино.

Матрица PMNS — это таблица, которая пересчитывает оба описания одно в другое.

Что в ней заложено

Такой пересчёт 3×3 можно описать четырьмя числами: тремя углами смешивания и одной фазой.

Нулевой угол означал бы: нет смешивания, нет осцилляций. Чем больше угол, тем полнее один вид переходит в другой.

Сравнение, которое занимает физиков

Для кварков существует соответствующая таблица, матрица CKM. И её углы малы — наибольший составляет около 13 градусов, остальные ниже. Кварки, стало быть, смешиваются лишь слабо.

У нейтрино всё наоборот: два из трёх углов велики, один из них близок к 45 градусам, что соответствует максимальному смешиванию.

Почему обе семьи частиц ведут себя столь по-разному, не знает никто. Это один из открытых основных вопросов Стандартной модели — и одна из причин, по которым физика нейтрино считается самым многообещающим местом для неожиданностей.

Последнее открытое число

Параметр δ_CP решает, ведут ли себя нейтрино и антинейтрино по-разному.

Если бы он был равен нулю или 180 градусам, они вели бы себя одинаково. Любое другое значение означает асимметрию — и тем самым возможный вклад в объяснение того, почему Вселенная состоит из материи, а не из ничего.

T2K в 2020 году исключил большую часть области значений и обнаружил, что данные лучше всего согласуются с заметным различием. Для решения этого не хватает; для него строятся Hyper-Kamiokande и DUNE.

Чего матрица не говорит

Две вещи остаются за её пределами.

Сами массы. Осцилляции дают только разности квадратов масс, никогда абсолютные значения. Для этого нужны KATRIN или космология.

Порядок. Какое из массовых состояний самое тяжёлое, неизвестно. Решить это должен JUNO.

Если бы нейтрино были к тому же майорановскими частицами, добавились бы ещё две фазы, которые проявлялись бы только в безнейтринном двойном бета-распаде.

Смежные понятия

• Осцилляции нейтрино — описываемый процесс
• Бруно Понтекорво — буква P в названии
• Эффект MSW — смешивание в веществе
• Масса нейтрино

Источники

• Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata: Remarks on the Unified Model of Elementary Particles, Progress of Theoretical Physics 28, 870 (1962).
• Particle Data Group: Review of Particle Physics, раздел Neutrino Mixing.