научная статья по теме УПРУГОЕ E-РАССЕЯНИЕ КАК ИСТОЧНИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ МЮОННОГО НЕЙТРИНО Физика

Текст научной статьи на тему «УПРУГОЕ E-РАССЕЯНИЕ КАК ИСТОЧНИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ МЮОННОГО НЕЙТРИНО»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 12, с. 1802-1804

УДК 539.124.17

УПРУГОЕ v.e-РАССЕЯНИЕ

КАК ИСТОЧНИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ МЮОННОГО НЕИТРИНО

© 2007 г. Ю. И. Романов

Московский государственный университет дизайна и технологии E-mail: mgalp.msk@ru.net

Обсуждается возможность определения верхней границы массы мюонного нейтрино упругого V|e-рассеяния.

реакции

К информации о массе мюонного (мю) нейтрино приводит изучение двухчастичного распада п-мезона (п|2). В системе отсчета, где пион покоится, полная энергия мюона имеет фиксированное значение:

E =

2 2 2 m п + m - - m^

2 Шп

(1)

а разность между его кинетическими энергиями в случае испускания безмассовых и массивных нейтрино определяется выражением

mv

Д Tu = т-- •

- 2Шп

(2)

mv

= л/ШП + ml-2mnJpl+ ml •

(3)

29.79 МэВ, возникающих при распаде остановившихся п+-мезонов.

В результате столкновения с нейтрино покоящийся электрон приобретает кинетическую энергию

T =

22 2pvme cos а

(Ev + me )2 - p2cos2 а

(4)

Согласно (1), масса мю-нейтрино связана с массами заряженных частиц и импульсом мюона, единственной величиной, измеряемой в эксперименте, соотношением

Приняты обозначения: и рх - полная энергия и модуль импульса нейтрино, а - угол вылета электрона, те - его масса.

Согласно (4), разность между максимальными, отвечающими а = 0°, значениями кинетической энергии при рассеянии безмассовых и массивных нейтрино

дТ = 2_2( Ev + me) 2_

ДТ max mv 2

(2 Ev + me)[ me( 2 Ev + me) + mv]

при Ev > me, mv принимает вид

В настоящее время для ее верхней границы принято значение т^, < 0.17 МэВ. Развитие экспериментальной базы позволит ответить на вопрос, можно ли ожидать значительного улучшения точности измерения в ходе изучения п |2-распада [1].

Сами п|2-распадные нейтрино "могут принять участие" в измерении массы. В [2] начато обсуждение возможности ее определения в реакции упругого v||le-рассеяния с использованием формируемых на мезонных фабриках моноэнергетических пучков нейтральных лептонов с энергией

д t„

mv 2me

(5)

(5a)

Сравнение (5 а) с (2) (тп/те ~ 273) позволяет воспринимать v||le-рассеяние как чувствительной, более предпочтительный, чем п 2-распад, инструмент исследования массы мю-нейтрино. Она связана с кинетической энергией конечного электрона соотношением

mv =

>

E2v(T + 2me) cos2а - T(Ev + me)2

(T + 2me) cos а

(6)

Анализируя сечения рассеяния нейтрального лептона, испускаемого при п^-распаде, на электроне, рассматриваем положительный мюон не только как античастицу, но и, в соответствии с модельными представлениями [3-5] о леп-тонном заряде, как частицу и допускаем п^-распад по двум схемам: п+ ^ |+ + V! и п+ ^ |+ + ^^ .

а через максимальное значение последней выражается формулой

mv

= Ev

.-I.+m

2me

(7)

2

2

а

V-

1802

УПРУГОЕ v^e-РАССЕЯНИЕ КАК ИСТОЧНИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ

1803

При Tmax > 2me

m.

2 meEv\ E

- 1

(7a)

da 1 r 2 ^ . 2/r, m2

= — [gbEv + gR (Ev - T) -dTao p2

- meT + m 2)]

(8)

довольно плоские. С увеличением энергии (антинейтрино они "спрямляются" и выглядят похожими на однородный (V—4)-спектр при Vee-рассея-

нии. В (8) и ниже, согласно БМ, gL = -2 + зт20ж, gR =

= зт20ж для V|e-рассеяния, gL ^ gR для V^ е-рассея-ния, а0 = (2G2me)/л.

Угловые распределения

й<5

dcos aa0

= 4fi(Ev,a){g2LEl + gR(f2(Ev, a))2-

- gLgR( f3(Ev, a) + m2)},

fi (Ev, a) =

(Ev + me) me cos a

2 2 2 2' [(Ev + me) - pvcos a]

(9)

f2(Ev, a) =

Ev (Ev + m e) 2 - ( Ev + 2 m e)pi co s2 a (Ev + me)2 - plcos2 a

f з(Ev, a) =

2 2 2 2pvme cos a

(Ev + me)2 - plcos2a

Tmax, МэВ

Точность измерения кинетической энергии (импульса) электрона отдачи есть решающее условие определения верхней границы т^,. Отметим, что, например, при "улавливании" мю-ней-трино с массами 0.16 и 0.01 МэВ, обладающими полной энергией 1(10) МэВ, максимальные кинетические энергии электрона определяются соответственно значениями 0.761 и 0.796 МэВ (9.725 и 9.751 МэВ), т.е. различаются всего лишь сотыми долями. Для п|2-распадных нейтрино зависимость Ттах от т^ представлена на рисунке.

"Дираковские массы нейтрино вполне укладываются в рамки стандартной модели" [6]. Обобщим "стандартные" дифференциальные и полные сечения v|e- и V ^ е-рассеяний на случай учета массы мю-нейтрино [7]. Спектры электронов отдачи

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

mv, МэВ

Зависимость максимальной кинетической энергии электрона отдачи от массы мю-нейтрино с полной энергией 29.79 МэВ.

a = a0i gL-

2m E2

me (2 Ev + me) + mv

■ +

3 p.

E3-V

2

meEv

23 mv( Ev + 2 me)

me( 2 Ev + me) + m

v У J

(10)

gLgR

2me [m2eEl ■

m (2 meEv + m2)]

[ me (2 Ev

22 me) + mv]

подобно (У-Л)-сечениям vee- и v e e-рассеяний, характеризуются монотонным ростом с увеличением энергии падающего (анти)нейтрино.

Оценки (с sin20w = 0.23) отношений

К =

( CS)mv? 0 - ( CS)mv = |

(CS)

mv ф 0

имеют пик в направлении импульса начального нейтрального лептона и убывают (при высоких энергиях резко) с ростом угла вылета электрона.

Полные сечения

где символ CS (cross section) определяет daqe/dT, daqe/dcos a и aqe(q = v, v), показывают, что влияние массы мю-нейтрино на сечения может проявиться в области малых энергий начального нейтрального лептона. Например, при Ev = 0.4 и 1.0 МэВ, mv = = 0.1 МэВ и соответствующих значениях Tmax отношение K для энергетического спектра электронов при v^e-рассеянии равно 7.8 • 102 и 1.5 • 102, а для их углового распределения -1.3 • 10-2 и 1.1 • 10-2. Но при mv = 0.01 МэВ и тех же энергиях нейтрино значения K меньше приведенных на два порядка.

Слагаемые в сечениях (8)-(10), пропорциональные gLgR, в пределе Eq > me стремятся к нулю. Иллюстрируя "зануление" интерференции левых и правых спиральных состояний, оценим вклад слагаемого gg в электронный спектр (8) в виде его отношения (Кинт) к сумме слагаемых, пропорциональ-

2

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 12 2007

8*

1804

РОМАНОВ

Значения кинетической энергии электрона в зависимости от массы нейтрино и угла вылета электрона

МэВ алаб, град ^^"'''■••••v. 0 0.05 0.10 0.16

0 29.538 29.534 29.527 29.511

2 28.499 28.496 28.489 28.475

4 25.770 25.768 25.762 25.750

6 22.203 22.201 22.198 22.189

8 18.570 18.569 18.566 18.560

10 15.307 15.306 15.304 15.300

2 2

ных gL и gR . Если, например, Еч = 40 МэВ, то Кинт монотонно уменьшается от 1.1 • 10-2 (у^е) и 1.5 • 10-2 (,це) при Ттах = 39.75 МэВ до 3.1 • 106 МэВ при Т= = 0. Однако в области малой энергии начального нейтрального лептона эффект интерференции может оказаться заметным. Для V ^ е-расстояния, например, при Е = 0.4 МэВ (Ттах = 0.244 МэВ) Кинт = = 0.76 (т, = 0) и 0.73 (т, = 0.1 МэВ), если 8т20„ = = 0.23. Предсказывается слабое влияние значения "электрослабого угла смешивания": Кинт = 0.84 (т, = = 0) и 0.79 (т, = 0.1 МэВ), если = 0.21. Кинт не зависит от массы нейтрино уже при Е, = 1 МэВ, принимая для 8Ш20Ж = 0.23 и 0.21 значения соответственно 0.45 и 0.52.

К сожалению, на "стандартном" уровне сечения (8)-(10) при Ед > 1 МэВ на сегменте [0; 0.16] МэВ нечувствительны к массе мю-нейтрино. Оценивая их в случае рассеяния лц2-распадных нейтральных лептонов, отметим, что значению Е„ = 29.79 МэВ

> ' у

соответствуют с, е /с0 = 2.69 и с, е /с0 = 2.3,

йс^е /(аТС0) и йс, е /(аТС0) определяются первоначальными (а = 0°, Т = 29.54 МэВ) значениями 0.07 и 0.05 и с уменьшением кинетической энергии электрона изменяются слабо, достигая предельного, определяемого комбинацией констант g2L + + g2R ~ 0.13 при Т ^ 0.

Приходится связывать надежды на понижение верхней границы массы мю-нейтрино на основе ,це-рассеяния с измерениями кинетической энергии электрона. Так как ее зависимость от массы нейтрино (см. таблицу, в которой значения кинетической энергии представлены на пересечении строк и столбцов) утрачивается уже при достижении а значений, близких к 6°, следует регистрировать электроны, вылетающие под малыми углами по отношению к направлению пучка падающих нейтрино.

Выражаю глубокую благодарность Т.А. Пахо-мовой за помощь в обработке результатов расчетов на ЭВМ и в подготовке рукописи к печати.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Boehm F., Vogel P. // Annu. Rev. Nucl. and Part. Sci.

1984. V. 34. P. 125. 3. Chen H.H. et al. // Phys. Lett. B. 1975. V. 59. P. 274.

3. Зельдович Я.Б. // Докл. АН СССР. 1952. Т. 86. С. 505.

4. Konopinski E, Mahmond H. // Phys. Rev. 1953. V. 92. P. 1045.

5. Романов Ю.И. // Изв. вузов. Физика. 1971. № 12. С. 30.

6. Окунь Л.Б. // ЯФ. 2005. Т. 68. № 3. С. 550.

7. Романов Ю.И. Токовые механизмы слабого взаимодействия нейтральных и заряженных лептонов. Гл. IV. М.: Изд-во МГУДТ, 2005.

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 12 2007

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком