Введение к работе
Актуальность проблемы. Последние два десятилетия отмече-ы интенсивными теоретическими исследованиями электрослабых процессов с изменением аромата, обусловленных феноменом смешивания фермнонов, как кварков, так и лсптонов. Заметим, что явление смешивания в лептонном секторе возможно при условии, что нейтрино массивны. Однако к настоящему моменту нет ни одного достоверного экспериментатьмого свидетельства в пользу смешивания лептоноп. Это естественно объясняется тем, что, в связи с недостаточно высокой точностью экспериментов по изучению процессов с участием нейтрино, спектр масс последних выглядит вырожденным (нейтрино проявляют себя как безмассовые частицы). Известно, что при вырожденном спектре масс нейтрино смешивание лептоиов становится чисто формальным и непаблюдаемо. Вместе с тем, отсутствие смешивания лсптонов в случае массивных нейтрино представляется неестественным и практически несовместимо с попытками какого-либо расширения стандартной модели. Отметим, что смешивание лептоиов само по себе, но-пидпмому, не является ныходом за рамки стандартной модели. Оно могло бы порождать ряд интересных физических явлений, интенсивно изучаемых в настоящее время:
-
радиационные распады заряженных лептоноп с нарушенном лептонного числа типа // —» су, /t —» 3<\ /і —» суу,
-
радиационные распады нейтрино f, —» :^->> i>,- —* »';")"),
-
осцилляции нейтрино.
Анализ эффектов смешивания лептоноп показывает, что они, в основном, обусловлены массивностью нейтрино. Физика массивного нейтрино выделяется в настоящее время ь бурно развивающееся
4 перспективное направление на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии. Достаточно упомянуть ичиестную проблему солнечных нейтрино и красивую возможность ее решения с помощью механизма резонансного усиления нейтринных осцилляции в веществе, которая показывает, что свойства массивного нейтрино чувствительны к среде, в которой оно распространяется. Обычно в качестве среды понимается вещество. Роль своеобразной среды играет, однако, и внешнее члехтромагни гное поле, которое также может существенно влиять как на свойства самого массивного нейтрино, так и на процессы его распада, и даже индуцирует новые, запрещенные в вакууме переходы типа г/; *-» i/j (г -ф- j).
Интересно отмстить, что внешнее электромагнитное поле может существенно влиять на процессы с изменением аромата (как минимум одпопетлечые и стандартной модели), значительно увеличивая их вероятности. D частности, н работах автора обнаружен эффект сильного (на много порядков) увеличения вероятности радиационного распада ультрареляпшистского нейтрино даже в относительно слабом, по сравнению с критическим, электромагнитном поле (электромагнитный катализ радиационного распада массивного нейтрино).
Устойчивый интерес к радиационным процессам с изменением аромата объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, все эти процессы, как минимум, одпопетлевые и, следовательно, служат своего рода тестом применимости теории электрослабых взаимодействии в высших порядках теории возмущений. Во-вторых, зги же процессы - один из инструментов изучения феномена смешивания фермнонов, природа которого неясна до сих нор. В третьих, они чувствительны к новой физике, например, в смысле возможности существования следующих поколений феомионов.
Цель работы состоит в теоретическом исследовании электрослабых процессов с изменением аромата в рамках стандартной модели. При этом радиационные распады мюона рассматриваются также и в модели с минимальной кварк-лептонной симметрией типа Патп-Салама, основанной на группе SU(4)v SU(2)l Gr, где лептопное число трактуется, как четвертый цвет. Подробно исследуется влияние внешнего электромагнитного поля на процессы радиационного распада массивного нейтрино. Научная новизна
Впервые получена амплитуда дважды радиационного процесса с изменением аромата типа /,/, —+ 7*7*) (* Ф j)> которая обладает большой общностью и может быть применена к самым разнообразным процессам с изменением аромата как кварков, так и лептонов, где фигурируют два фотона, каждый из которых может быть реальным или виртуальным. Вычисление проводилось в стандартной модели при единственном условии, что массы начального и конечного фермпонов много меньше массы W-бозона. Новизна работы состоит в том, что этот расчет охватывает весь спектр возможных двухфо-тонных распадов фермпонов, как верхних, так и нижних компонент нзоспиновых дублетов. Доказано, что вклад контрчленов в амплитуды неднагональпых по аромату процессов строго равен нулю.
Исследован процесс распада мюона с несохранением лептонного числа в модели с минимальной кварк-лептонной симметрией SU(-i)v SU(2)i Gr. Показано, что в рассматриваемой модели имеет место нехарактерная для стандартной модели иерархия вероятностей распадов Г(// —» сеё) Э> Г(// —» cjj) 2> Г(/і —« с'7). Существующие ограничения на массу лептоквпрка и элементы матрицы смешивания (из ширины ц — е-коннерсн» на ядрах и космологической оценки для распада тг — vw) позволяют установить верхние
границы для относительной вероятности распада у. —» Є77 "а уровне 10_1Т и Дія распада /і -+ ееё на уровне 10-14.
Показано, что общая амплитуда нейтринного процесса і/,-7* -» i/j7* (вообще говоря, г ф j) позиоляот, п частности, получить первые члены разложения по внешнему полю амплитуд радиационного распада нейтрино У; — Vj 7 н безрадиационного перехода у; — i/j во внешнем элерстромагкитном поле произвольной конфигурации. Для этого достаточно произвести замену тензора электромагнитного поля одного или обоях фогонои на тензор внешнего злектромагнктного ноля.
В рамках кваркового подхода исследован процесс редкого распада К\ —» /О*- к получена разумная оценка массы t- кварка пц
ш, = 13б:ГэВ.
Произведен подробный расчет и анализ вероятности радиационного распада массивного нейтрино во внешнем -алектромапштном поле различных конфигураций . Обнаружен -эффект сильного (на много порядков) увеличения вероятности радиационного распада уль-трарелятивистского нейтрино даже в относительно слабом электромагнитном поле (электромагнитный катализ радиационного распада массивного нейтрино). Предсказано существование новых радиационных нейтринных переходов в поле монохроматической волны, запрещенных в вакууме законом сохранения энергии-импульса, например, расщепление фотона на пару нейтрино-антинейтрино.
Показано, что в случае существования четвертого поколения тяжелых фермионов, смешивающихся с первыми тремя поколениями, имеет место явление неортогональности феноменологических нейтрино, которое является общим следствием условий ортогональности, нормировки и полноты системы состояний четырех нейтральных лептоиов. Причем, если смешиваются не безмассовые (но лег-
кие) нейтрино, то вместе с неортогоналыюстыо имеет место явление осцилляции феноменологических нейтрино.
Практическая ценность работы. Большинство результатов, полученных в работах, вошедших в диссертацию, доступно экспериментальной проверке либо уже и настоящее время, либо в ближайшем будущем.
Анализ процесса тормозного излучения нейтрино показал, что он характеризуется наличием четкого сигнала - излучением одиночного жесткого ")-кванта без какого-либо сопровождения. Такой сигнал возможен также при когерентном излучении 7-кванта нуклонами ядра (ГерштеМн, Комаченко, Хлопов, 1981), однако обсуждаемый процесс характеризуется более узким угловым распределением -)-квантов, 6 < qm/E„ рмесго в < у(]/Е„.
Используя экспериментальные результаты измерений относительной вероятности распада Br(K'l —. д+/-<~) группы КЕК, в рамках стандартной модели получена разумная оценка массы /-кварка. Вместе с тем следует отметить, что в экспериментах группы BNL Е791 получено следующее значение относительной вероятности (среднее за 1990-1994 гг.):
Br{Kl - )і*,Г) = (6.8G ± 0.37) Ю-9
с центральнымм значением, близким к унитарному пределу. Если принять его во внимание, то не останется места вкладу тяжелого 1-кнарка, чго указывает \\л необходимость новых более точных измерений Вг(К\ — /* + /Г). Вг(К\ —' >)). Если результаты этой группы подтвердятся более ючиыми измерениями, з то может быть сигналом новой физики за рамками стандартной модели.
Обнаруженный чффект зіекіромагпитної о катализа радиационного распада нейтрино может представлять большой интерес для астрофизики и космологии ранней Вселенной. Имеется в виду, пре-
жде всего, интенсивное магнитное поле, "вмороженное" в вещество взрывающейся сверхновой звезды, которое может существенно влиять на динамику нейтринных процессов. Первичные магнитные поля, "вмороженные" в космологическую плазму,' могли также иметь напряженности порядка швингеровского значения и более на некоторых этапах эволюции ранней Вселенной, и при этом время жизни массивного нейтрнно в таких полях уменьшается до значений порядка секунды, что могло бы снять космологическое ограничение на массу нейтрино.
Усиление процесса радиационного распада нейтрино во внешнем поле дает дает дополнительный источник информации об углах смешивания лептонов, практически не скореллированный с нейтринным спектром масс, а именно, радиационный распад нейтрино высоких энергий do внешнем электромагнитном поле. Таким достаточно интенсивным полем может быть, например, кулоновское поле ядра. При этом в результате радиационного распада нейтрино в веществе должен наблюдаться продукт распада - 7-квант с энергией 7 ~ „, летящий строго в направлении нейтринного потока.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Дважды радиационные процессы с изменением аромата /, —> /j-77 (»' ф j) усилены по сравнению с однорадиационнымп /, —> /j7 при наличии виртуального заряженного фермиоиа в петле.
-
В модели с минимальной кварк-лептошюй симметрией S[/(4)y SU(2)iGr имеет место нехарактерная для стандартной модели иерархия вероятностей распадов Г(р. — ееё) > Г(ц — Є77) ~> Г(/і->е7).
-
Анализ редких распадов- К\ —> /<+/і~, 77. е+е~7, М+/'~7 ь
9 кварковом подходе позволяет получить разумную оценку массы t—кварка.
-
Анализ амплитуды комптоноподобного взаимодействия нейтрино с виртуальными фотонами />,7* —> vp* показал, что процесс тормозпого излучения при рассеянии нейтрино на ядре характеризуется наличием четкого сигнала - одиночного жесткого 7-кванта без какого-либо сопровождения с узким угловым распределением. Такой сигнал позволяет отличить этот процесс в эксперименте от когерентного излучения 7-кванта нуклонами ядра.
-
Имеет место эффект гигантского усиления радиационного распада массивного нейтрино постоянным внешним электромагнитным полем (электромагнитный катализ).
-
В электромагнитном поле монохроматической волны индуцируются новые переходы типа у —* V{9j , запрещенные в вакууме.
-
Радиационный распад массивного нейтрино в кулоновском поле ядра может служить дополнительным источником информации об углах смешивания лептонов, практически не зависящим от спектра масс нейтрино.
-
Существование четвертого поколения фундаментальных ферми-онов с тяжелым нейтральным лептоном приводит, при наличии смешивания, к эффекту неортогональности феноменологических нейтрино.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Научных конференциях Отделения ядерной физики АН России по фундаментальным взаимодействиям элементарных частиц (Москва, ИТЭФ-МИФИ-ФИАН, 1972-1994 гг.), на
Международном симпозиуме по слабым и электромагнитным взаимодействиям в ядрах (WEIN-92, Дубна, 1992 г.), на XIII Международной конференции "Частицы и ядра" (PANIC-XIII, Perugia, Italy, 1993), на VIII Международном семинаре "Кварки-94" (Владимир, 1994 г.), на V конференции по физике элементарных частиц и ядер (St.Petersburg, Florida, USA, 1994), на III Международной конференции по новейшим достижениям в феноменологии элементарных частиц (Trieste, Italy, 1994). Автор систематически докладывал результаты исследований на научных семинарах ИТЭФ, ИФВЭ, ПИЯФ, ИЯИ, МГУ.
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 25 печатных работах.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 199 страниц. Диссертация содержит 2 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 226 наименований.
