КОРОНАВИРУС ФИЗИКЕ НЕЙТРИНО НЕ ПОМЕХА

(к защите студентами бакалаврских работ по физике нейтрино)

Рабочее совещание научной группы по физике нейтрино (до объявления карантина на физическом факультете)

Несмотря на известные ограничения, связанные с коронавирусом, и переформатирование всей работы в МГУ, образовательные и научно-исследовательские программы на физическом факультете реализуются в полном масштабе. На недавно состоявшем заседании Государственной экзаменационной комиссии три студента кафедры теоретической физики — Ума Абдуллаева, Василий Боков (научный руководитель — профессор кафедры теоретической физики А.И. Студеникин) и Георгий Донченко (руководитель — профессор кафедры физики атомного ядра и квантовой теории столкновений К.А. Кузаков) — представили и успешно защитили свои квалификационные бакалаврские работы. В апреле Василий, Георгий и Ума стали победителями Универсиады и теперь получили право продолжить обучение в магистратуре физического факультета на кафедре теоретической физики.

Несмотря на то, что все три студента лишь относительно недавно (чуть более полутора лет тому назад) влились в состав научной группы по физике нейтрино, вошедшие в бакалаврские работы результаты являются новыми и представляют значительный интерес для развития физики нейтрино.

В работе Умы Абдуллаевой развивается теория осцилляций нейтрино при условии распространения частицы во внешнем магнитном поле и произвольно движущейся среде. В отличие от одной из последних работ научной группы по данной теме (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), которая явилась основой магистерской диссертации выпускника физического факультета П.Пустошного и в которой рассматривался случай дираковских нейтрино, в своей дипломной работе Ума рассмотрела случай майорановских нейтрино и пришла к важному выводу, что изучая осцилляции нейтрино с учетом действия указанных внешних условий можно сформулировать четкий критерий, позволяющий отличить дираковское от майорановского нейтрино. Отметим, что проблема природы нейтрино — является ли частица дираковского или майорановского типа — относится к трем наиболее важным фундаментальным проблемам современной физики нейтрино.

Работа Георгия Донченко выполнена в рамках важного направления исследований, которые проводятся в группе по физике нейтрино – развитие теории рассеяния нейтрино на мишени.

Научная группа уже имеет ряд важных результатов в данном направлении. Так, в серии работ К.А. Кузакова и А.И. Студеникина, опубликованных в международных высокорейтинговых журналах (в том числе: K. Kouzakov, A. Studenikin, Magnetic neutrino scattering on atomic electrons revisited, Phys. Lett. B 696 (2011) 252), был внесен существенный вклад в теорию рассеяния нейтрино на электронах, что позволило подтвердить приоритет российского эксперимента ГЕММА (совместный проект ОИЯИ и НИЦ Курчатовский институт — ИТЭФ) на получение мирового рекордного ограничения сверху на такую важную электромагнитную характеристику нейтрино, как магнитный момент частицы. Во многом благодаря результатам К.А. Кузакова и А.И. Студеникина указанное ограничение на магнитный момент нейтрино, полученное из анализа данных эксперимента ГЕММА, уже на протяжении ряда лет регулярно включается в сводную таблицу основных свойств элементарных частиц, которая содержится в «Обзоре по физике элементарных частиц» (его ежегодно публикует Международная коллаборация по физике элементарных частиц — International Collaboration «Particle Data Group»).

У нейтринной научной группы имеется и другой важный результат по рассеянию нейтрино на электронах. В работе [A. Studenikin, New bounds on neutrino electric millicharge from limits on neutrino magnetic moment, Europhys. Lett. 107 (2014) 21001] впервые учтен вклад рассеяния нейтрино на электронах от возможного ненулевого миллизаряда нейтрино. В указанной работе выполнен анализ данных эксперимента ГЕММА по рассеянию нейтрино и получено мировое наиболее жесткое ограничение сверху на миллизаряд нейтрино. Данный результат также, начиная с 2016 года, включается Международной коллаборацией по физике элементарных частиц в таблицу основных свойств элементарных частиц.

С использованием разработанного [K. Kouzakov, A. Studenikin. Electromagnetic properties of massive neutrinos in low-energy elastic neutrino-electron scattering, Phys.Rev.D 95 (2017) 055013] теоретического аппарата авторами совместно с итальянскими и китайскими коллегами был выполнен анализ [M.Cadeddu, C.Giunti, K. Kouzakov, Y.F.Li, A. Studenikin, Y.Y. Zhang, Neutrino charge radii from COHERENT elastic neutrino-nucleus scattering, Phys.Rev.D 98 (2018) 113010] данных недавнего пионерского эксперимента COHERENT (США) по когерентному упругому рассеянию нейтрино на ядре и впервые были получены ограничения на такие параметры новой физики, как переходные зарядовые радиусы нейтрино. Важность полученных ограничений отмечена выбором редакцией журнала Physical Review D соответствующей работы авторов в качестве одной из лучших за 2018 год, а также включение ограничения в последнее обновление (за 2019 год) «Обзора по физике элементарных частиц».

Возвращаясь к бакалаврской работе Георгия Донченко, следует особо отметить то, что Георгий, развивая идеи одной из последних работ К.А. Кузакова и А.И. Студеникина и соавторов [K. Kouzakov, A. Studenikin etal, Potentialities of a low-energy detector based on He-4 evaporation to observe atomic effects in coherent neutrino scattering and physics perspectives, Phys.Rev.D 100 (2019) 073014] построил теорию рассеяния нейтрино на конденсированной системе в режиме малой передачи энергии, и при этом впервые учел эффекты коллективных возбуждений в мишени. В дальнейшем, как считают члены нейтринной группы, на основе полученных результатов можно будет предложить новую схему эксперимента по рассеянию нейтрино, которая будет способна кардинальным образом повысить чувствительность к электромагнитным характеристикам нейтрино. Напомним, что проблема электромагнитных свойств нейтрино является также одной из трех открытых в настоящее время фундаментальных проблем физики нейтрино. Об этом наглядно свидетельствует публикация большой обзорной статьи в одном из наиболее высоко рейтинговых международных журналах [C. Guinti, A. Studenikin, Neutrino electromagnetic interactions: A window to new physics, Rev. Mod. Phys. 87 (2015) 531–591], на которую к настоящему моменту уже имеется более 200 ссылок в статьях других авторов.

Третья бакалаврская работа, выполненная студентом Василием Боковым, посвящена построению теории осцилляций нейтрино в экстремальных условиях сверхновых звезд. Детектирование потоков нейтрино от сверхновых входит в качестве одного из главных вопросов в исследовательские программы готовящихся в настоящее время новых масштабных нейтринных проектов, таких как ДЖУНО (JUNO, Китай) и Гипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande, Япония). Укажем на то, что по решению руководства Московского университета члены нейтринной группы являются представителями МГУ в составе двух указанных международных нейтринных мегасайенс проектов.

В своей бакалаврской работе Василий Боков впервые построил формализм, позволяющий одновременно учитывать коллективные осцилляций нейтрино от сверхновых (то есть, осцилляции с учетом «самодействия» нейтрино в потоке) и эффекты квантовой декогеренции нейтрино. Развитый формализм следует использовать для предсказания спектра нейтрино, который будет наблюдаться в экспериментах.

По результатам дипломных работ Умы Абдуллаевой, Василия Бокова и Георгия Донченко в настоящее время готовится несколько статей для опубликования в международных журналах из первого квартиля. Материалы бакалаврских работ включены в доклады и в ближайшее время будут доложены на двух крупнейших международных конференциях по физике высоких энергий и физике нейтрино:

1) 40th International Conference on High Energy Physics (Prague, Czech Republic, July 2020, online conference), 2) 29th International Conference on

Neutrino Physics and Astrophysics (Chicago, USA, June 2020, online conference).

Александр Студеникин, профессор кафедры теоретической физики, полномочный представитель МГУ в международных нейтринных проектах ДЖУНО и Гипер-Камиоканде, член Научного совета РАН «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика»