Механизм качелей (seesaw)

Механизм качелей (seesaw) — по-немецки Wippen-Mechanismus — это самая известная попытка объяснения того, что нейтрино хотя и обладают массой, но невероятно малой.

Загадка

KATRIN сдвинул массу сверху ниже 0,45 электронвольта; расстояния в осцилляциях дают нижнюю границу около 0,05.

Для сравнения: электрон весит 511 000 электронвольт. Стало быть, нейтрино по меньшей мере в миллион раз легче, предположительно намного больше.

Все остальные массы в Стандартной модели лежат в пределах нескольких порядков величины друг от друга. Нейтрино выпадают из этих рамок настолько, что простая случайность в качестве объяснения никого не удовлетворяет.

Идея качелей

Механизм предполагает, что наряду с известными левыми нейтрино существуют и правые. То, что они должны существовать, следует уже из массы — страница о спиральности объясняет почему.

Эти партнёры не участвовали бы ни в одной известной силе и были бы тем самым ещё незаметнее, чем обычные нейтрино.

Решающим является второе предположение: они очень тяжелы. Ни один известный принцип не ограничивает их массу сверху. Она могла бы лежать у 10¹⁴ гигаэлектронвольт — вблизи того масштаба, на котором силы природы могли бы быть объединены.

Математика смешивания масс приводит тогда к простому соотношению:

m_лёгкая ≈ m_D² / M_тяжёлая

Здесь m_D — обычная масса порядка величины других частиц, а M_тяжёлая — большая масса правого партнёра.

Образ качелей напрашивается сам собой: чем тяжелее одна сторона, тем легче другая. Крошечность массы нейтрино была бы не случайностью, а тенью чего-то очень тяжёлого.

Почему расчёт убеждает

Если подставить для m_D массу порядка величины топ-кварка, а для M_тяжёлая — масштаб объединения, то получаются массы нейтрино в области сотых долей электронвольта — ровно та область, на которую указывают измерения осцилляций.

То, что столь простая формула даёт верный порядок величины, без того чтобы приходилось подгонять параметры, считается сильным аргументом. Идея возникла в конце 1970-х годов независимо в нескольких группах, в том числе у Петера Минковского.

Связь с материей во Вселенной

У механизма есть второе, более далеко идущее следствие.

Тяжёлые правые нейтрино были бы майорановскими частицами — своими собственными античастицами. В ранней Вселенной они присутствовали бы в большом числе и распадались. Если эти распады идут для материи и антиматерии слегка по-разному, возникает избыток лептонов.

Его затем можно было бы преобразовать в избыток кварков — и тем самым в обычную материю. Эта мысль называется лептогенезом и была сформулирована в 1986 году Фукугитой и Янагидой.

Она объяснила бы, почему Вселенная состоит из материи, а не из ничего.

Как это можно проверить

Сами тяжёлые партнёры недостижимы. Ни один мыслимый ускоритель не приблизился бы к необходимым энергиям; не хватает десяти порядков величины.

Тем не менее механизм проверяем, пусть и косвенно. Если найти безнейтринный двойной бета-распад, то нейтрино является майорановской частицей — и механизм качелей становится намного вероятнее.

Если его не находят, вопрос остаётся открытым. Ненахождение не исключает механизм, а лишь определённые области параметров.

Другие исполнения

Наряду с основной формой существуют варианты, которые вместо тяжёлых нейтрино вводят другие тяжёлые частицы. Они приводят к похожим формулам и отчасти лучше проверяемы на ускорителях. Общей для всех является основная мысль: нечто очень тяжёлое делает нечто очень лёгкое.

Смежные понятия

Источники

  • P. Minkowski: μ → eγ at a rate of one out of 10⁹ muon decays?, Physics Letters B 67, 421 (1977).
  • M. Fukugita, T. Yanagida: Barygenesis without grand unification, Physics Letters B 174, 45 (1986).