2014: Электромагнитные свойства нейтрино: новый нейтринный механизм генерации вращения пульсаров и новые ограничения на миллизаряд нейтрино

Научная группа проф. Александра Студеникина (кафедра теоретической физики, физический факультет МГУ) по теории нейтрино выполнила в 2014 г. цикл исследований электромагнитных свойств нейтрино, в результате которого: (i) предсказан новый «нейтринный механизм вращения звезд», Neutrino Star Turning mechanism; (ii) внесён существенный вклад в развитие теории рассеяния нейтрино на атомах мишени; (iii) получено новое ограничение на миллизаряд нейтрино.

Открытие в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН в 2012 году хиггсовского бозона и присуждение в 2013 г. Нобелевской премии П.Хиггсу и Ф.Энглеру за формулировку основных положений теоретической модели взаимодействия частиц, в рамках которой и было предсказано существование хиггсовского бозона, триумфально венчает целую эпоху в фундаментальной физике элементарных частиц, связанную со становлением и окончательным подтверждением правильности современной, так называемой, Стандартной модели взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время естественно возникает вопрос о дальнейшем развитии наших представлений об устройстве микромира. Есть ли физика за пределами Стандартной модели? Что дальше?

Прямой путь к поиску ответа на поставленные вопросы открывает нейтрино – единственная из известных в настоящее время частиц, которая уже сейчас демонстрирует свойства, выходящие за пределы Стандартной модели, надёжно подтверждённые в экспериментах. В рамках Стандартной модели нейтрино является безмассовой частицей, участвующей только в слабых взаимодействиях. Однако экспериментальное подтверждение нейтринных осцилляций доказывает факт наличия у нейтрино массы и существования смешивания нейтрино, что требует обобщения Стандартной модели.

В различных теоретических моделях, выходящих за пределы Стандартной модели, нейтрино может приобретать нетривиальные электромагнитные свойства за счёт квантовых петлевых эффектов. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных характеристик нейтрино являются эффективным способом поиска новых фундаментальных теорий взаимодействия за пределами Стандартной модели. Электромагнитные взаимодействия нейтрино могут иметь важные феноменологические следствия для нейтринных взаимодействий в плотных астрофизических средах, в которых присутствуют сильные магнитные поля. Наиболее полное рассмотрение электромагнитных свойств нейтрино и с обсуждением соответствующих экспериментов и феноменологических приложений в астрофизике дано в обзорной статье, недавно опубликованной руководителем группы в соавторстве с коллегами из национального института ядерной физики (Италия): C.Broggini, C.Giunti, A.Studenikin, Adv. High Energy Phys. 47, 459526 (2012).

Возглавляемая проф. Александром Студеникиным группа по теории нейтрино (в состав которой в настоящее время входят 12 студентов, аспирантов и сотрудников физического факультета, а также МФТИ, ИЯИ РАН и ОИЯИ) на протяжении многих лет ведёт систематические исследования электромагнитных свойств нейтрино и взаимодействий нейтрино в условиях плотных сред и сильных электромагнитных полей. Ряд новых важных результатов, полученных научной группой, опубликованы в 2014 году в высокорейтинговых журналах:

1. Предсказан новый механизм изменения скорости вращения звезд (в частности, пульсаров), названный «нейтринный механизм вращения звёзд» («Neutrino Star Turning» mechanism); предсказано, что действие именно этого механизма может приводить к наблюдаемым (но причина которых до сих пор была непонятна) сбоям угловой скорости вращения пульсаров, так называемым «глитчам»; на этой основе получено новое, самое строгое в настоящее время, астрофизическое ограничение на электрический миллизаряд нейтрино qν, существование которого предсказывается широким классом теоретических моделей за пределами Стандартной теории электрослабых взаимодействий верхнее астрофизическое ограничение на миллизаряд нейтрино qν < 1.3*10-19e0 (e0 – абсолютное значение заряда электрона) [A.Studenikin, I.Tokarev, Nucl. Phys. B 396, 884 (2014)]; данное ограничение является на три порядка по величине более сильным, чем ограничение на миллизаряд, которое приводится Международной коллаборацией по свойствам элементарных частиц в выпускаемом сводном Обзоре по физике элементарных частиц, содержащем данные об основных характеристиках элементарных частиц и их взаимодействий.
2. Разработана теория рассеяния нейтрино на атомах мишени, которая позволила опровергнуть имеющиеся в литературе утверждения о том, что при учёте эффектов связи электронов в атомах мишени происходит чудовищное увеличения (на три порядка по величине) электромагнитного вклада в сечение рассеяния нейтрино [K.Kouzakov, A.Studenikin, Adv. High Energy Phys. 2014, 569409 (2014)]. Этот результат играет ключевую роль для правильного анализа данных экспериментов российской коллаборации ГЕММА по измерению сечения рассеяния реакторных антинейтрино на мишени на Калининской атомной станции и подтвердить приоритет российского эксперимента на лучшее в мире ограничение на величину магнитного момента нейтрино.
3. Предложен и реализован новый способ получения ограничения на миллизаряд нейтрино на основе анализа экспериментальных данных по рассеянию реакторных антинейтрино на мишени в российском эксперименте ГЕММА (Калининская атомная станция), получено новое ограничение на миллизаряд нейтрино [A. Studenikin, Eur. Phys. Lett. 107, 21001 (2014)].