Студент 6-го курса — соавтор статьи, опубликованной в журнале Physical Review D

К 15-летию явления спиновых осцилляций нейтрино в поперечном потоке вещества

Студент второго года магистратуры кафедры теоретической физики Павел Пустошный, обучающийся по программе «Физика нейтрино», совместно с научным руководителем А.И. Студеникиным, опубликовал статью в высоко рейтинговом журнале Physical Review D

P.Pustoshny, A.Studenikin, “Neutrino spin and spin-flavor oscillations in transversal matter currents with standard and nonstandard interactions”,

Phys. Rev. D 98 (2018) 113009, 14 pp

Статья посвящена развитию теории явления спиновых осцилляций нейтрино, возникающих при движении частицы в потоке вещества при условии, что вещество движется в поперечном направлении относительно распространения нейтрино. Данное явление было предсказано почти 15 лет тому назад в работе

A. Studenikin, “Neutrinos in electromagnetic fields and moving media”,

Phys. At. Nucl. 67 (2004) 993–1002

(англоязычная версия журнала Ядерная физика). До этой работы считалось, что спиновые осцилляции нейтрино (изменение по гармоническому закону соотношения числа релятивистских нейтрино с двумя противоположными направлениями спина) могут возникать только за счет взаимодействия ненулевого магнитного момента нейтрино с поперечным магнитным полем. В указанной работе было впервые показано, что спиновые осцилляции нейтрино могут возникать (была посчитана их вероятность) не только за счет взаимодействия магнитного момента частицы с магнитным полем, но и за счет слабых взаимодействий нейтрино с частицами вещества при условии, что вещество движется в поперечном направлении, то есть при нулевом значении магнитного момента и/или в отсутствие магнитного поля.

На протяжении почти десяти лет предсказанное явление не вызывало особого интереса в литературе. Однако ситуация в последние четыре года существенно изменилась. Эффект спиновых осцилляций нейтрино в поперечно движущемся веществе привлек внимание сразу трех групп исследователей, работающих под руководством авторитетных ученых из Германии (проф. Георг Раффельт), США (проф. Джордж Фуллер) и Франции (проф. Кристина Фольпе). В опубликованных работах ученых указанных трех групп указанный эффект рассматривается в приложении к проблеме генерации потоков релятивистских нейтрино в астрофизических условиях, в том числе при взрыве сверхновых звезд.

Работа, в которой участвовал Павел Пустошный, опубликованная в декабрьском номере журнала Physical Review D в 2018 году, посвящена развитию квантовой теории спиновых осцилляций нейтрино в поперечно движущейся среде. При этом также рассматриваются и эффекты взаимодействия магнитного момента нейтрино с произвольно ориентированным магнитным полем. Впервые рассмотрены спиновые осцилляции нейтрино с одновременным изменением флейвора (типа) нейтрино — так называемые спин-флейворные осцилляции нейтрино произвольно движущемся веществе (то есть, при наличие как поперечного, так и продольного движения среды) и в магнитном поле.

Проведение столь полного рассмотрения позволило также изучить явления резонансного усиления спиновых и спин-флейфорных осцилляций нейтрино в движущейся среде и магнитном поле. Под резонансом в данном случае понимается увеличение амплитуды осцилляций нейтрино до максимального значения (равного единице) при соответствующих наборах параметров, характеризующих нейтрино (массы, энергии и углы смешивания), магнитное поле (напряженность и направление поля) и среду (плотность, скорость и направление движения).

В проведенном исследовании помимо стандартных взаимодействий нейтрино с частицами движущейся среды также рассматривался гипотетический случай, когда нейтрино участвует в так называемых «нестандартных взаимодействиях» (non-standard interactions). Напомним, что изучение «нестандартных взаимодействиях» в настоящее время является одним из популярных направлений исследований в рамках физики за пределами Стандартной модели.

Теория спиновых и спин-флейворных осцилляций в поперечно движущейся среде является одним из важных достижений (наряду с предсказанием спинового света нейтрино и квантованием энергии нейтрино во вращающейся среде) группы по теории физики нейтрино, которая работает почти четверть века на физическом факультете МГУ.

Результаты исследований докладывались на наиболее престижных международных конференциях последних лет, в том числе на: 1) 39th International Conference on High Energy Physics (Seoul, Korea, 2018), 2) 28th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (Heidelberg, Germany, 2018), 3) 20th International Seminar on High Energy Physics «Quarks-2018» (Valday, 2018), 4) European Physics Society Conference on High Energy Physics (Venice, Italy, 2017), 5) 15th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (Sudbury, Canada, 2017).

Результаты опубликованной работы составят основу магистерской диссертации Павла Пустошного, а далее, как мы надеемся, войдут в его кандидатскую диссертацию.

Александр Студеникин, профессор кафедры теоретической физики, полномочный представитель МГУ в международном нейтринном проекте ДЖУНО (JUNO), член Научного совета РАН

«Физика нейтрино и нейтринная астрофизика»