Bedeutet unser Versäumnis, einen neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall zu entdecken, Probleme für den Wippenmechanismus?

Der Wippenmechanismus ist ein theoretisches Modell der Neutrinomassen, das den Nebennutzen hat, dass es (wohl) auf natürliche Weise erklärt, warum Neutrinos so viel leichter sind als die anderen massiven Teilchen des Standardmodells. Dabei werden schwere „sterile Neutrinos“ mit Majorana-Massen in der Größenordnung der GUT-Skala hinzugefügt. Der Wippenmechanismus sagt voraus, dass (für eine Leptongeneration) das geometrische Mittel der leichten und schweren Neutrinomassen "natürlich" in der Größenordnung der anderen Partikelmassen des Standardmodells liegen sollte (die Geschichte ist für mehrere Leptongenerationen ähnlich). Diese Vorhersage scheint experimentell plausibel zu sein, basierend auf den Schätzungen der (leichten) Neutrinomassen, die aus Neutrino-Oszillationen und anderen Beobachtungen stammen.

Der Wippenmechanismus sagt auch die Verletzung der Erhaltung der Gesamtleptonenzahl voraus. Es wird angenommen, dass die deutlichste experimentelle Signatur dieser Verletzung der Prozess des neutrinolosen doppelten Beta-Zerfalls ist. Viele Experimente haben versucht, NDBD nachzuweisen, aber bisher war keines erfolgreich (nach den Qualitäts- und Reproduzierbarkeitsstandards der Physikgemeinschaft).

  1. Welche Größenordnung hat die durch den Wippenmechanismus vorhergesagte quantitative Rate von NDBD (mit den sterilen Neutrino-Majorana-Massen auf der GUT-Skala)? (Ich weiß, dass es verschiedene Variationen des Wippmechanismus gibt, aber vermutlich stimmen sie alle innerhalb weniger Größenordnungen überein.)
  2. Was ist die Obergrenze für die NDBD-Rate, die nicht durch Experimente ausgeschlossen wurde?

Ich bin gespannt, wie sich diese beiden Werte vergleichen lassen. Welche dieser Aussagen ist die beste Zusammenfassung der aktuellen Situation?

A. Der Schaukelmechanismus (mit "natürlichen" Werten für die schweren Majorana-Massen) sagt NDBD-Raten voraus, die deutlich über unseren derzeitigen experimentellen Grenzen liegen. Der "natürliche" Wippenmechanismus ist in Schwierigkeiten.

B. Der Wippenmechanismus sagt NDBD-Raten voraus, die viel niedriger sind als die derzeitigen und vorhersehbaren experimentellen Nachweismöglichkeiten. Den „natürlichen“ Wippmechanismus werden wir, wenn überhaupt, noch viele Jahre lang nicht bestätigen oder ablehnen können.

C. Der Wippenmechanismus sagt NDBD-Raten voraus, die bei oder nur geringfügig unter unseren derzeitigen experimentellen Nachweismöglichkeiten liegen. Wir könnten es in naher Zukunft plausibel nachweisen. (Es sollte beachtet werden, dass Forschungsphysiker einen persönlichen Anreiz haben, die Wahrscheinlichkeit dieses Szenarios zu übertreiben.)

D. Der „natürliche“ Wippenmechanismus hat so viele Unbekannte und so viel Spielraum, dass er nicht einmal die NDBD-Rate auf wenige Größenordnungen festnageln kann. Die Theorie hat daher nicht viel Erklärungskraft und kann bestenfalls nur rückwirkende Erklärungen statt Vorhersagen liefern.

(Anmerkung: Die aktiven Neutrinomassen und damit die NDBD-Rate können beliebig tief gedrückt werden, indem man die sterilen Neutrinos ausreichend schwer macht. Aber das löst nicht das Problem der Neutrinomassenhierarchie; es verschiebt nur die Frage, warum die aktiven Neutrinos sind so leicht auf die Frage, warum die sterilen Neutrinos so schwer sind. Um die Natürlichkeit zu bewahren, müssen die Massen der sterilen Neutrinos auf der gleichen Skala liegen wie die andere große Energieskala im Standardmodell - die GUT-Skala.)

Pflichtlektüre . _ Ende von Abschnitt 2.1.
@CosmasZachos Es sieht also so aus, als wäre die Antwort D? Gibt es keinen besonderen Grund zu der Annahme, dass die Frage, ob Neutrinos Majorana-Massenterme haben, in absehbarer Zeit geklärt sein wird?
Ja, sieht aus wie D mit einem Schuss B... Der Mechanismus ist bisher ein pädagogisches Mittel, um das Denken in der Gemeinschaft zu organisieren. Seit seiner Gründung, wie bezeugt.

Antworten (1)

Die Antwort ist D, aber nicht wegen der Bosheit von irgendjemandem – es ist nur die Hand, die uns die Natur gegeben hat.

Die neutrinolose Double-Beta-Zerfallsrate ist proportional zu | M β β | 2 , Wo M β β ist die „effektive Majorana-Masse“, die wiederum von den Elementen der PMNS-Matrix abhängt. Hier ist eine Handlung von | M β β | als Funktion der Masse des leichtesten Neutrinos, aus einer kürzlich erschienenen Übersicht .

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Zu dieser Handlung gibt es ein paar Punkte zu beachten.

  • Der erwartete Parameterraum für den Vanilla-Wippenmechanismus wurde noch überhaupt nicht untersucht. Viele frühere Experimente waren Prototypen, die vergrößert werden sollten. Leider erklärt jedes Mal, wenn einer dieser Prototypen nichts sieht (was völlig mit unseren Erwartungen vereinbar ist), eine Flutwelle von Pressemitteilungen: „Experiment schließt Majorana-Massen aus!“ Dies ist ein allgemeines Muster für BSM-Experimente, das uns ahnungslos aussehen lässt – wenn Sie nur die Nachrichten lesen, würden Sie leicht den falschen Eindruck bekommen, dass wir WIMPs, Axionen und sterile Neutrinos jetzt schon hundertmal ausgeschlossen haben.
  • Hier gibt es keine Epizyklen. Das Diagramm zeigt nur die grundlegendsten Erwartungen an den einfachstmöglichen Wippenmechanismus, vorausgesetzt, dass schwere sterile Neutrinos mit Majorana-Massentermen existieren und vor 40 Jahren auf die gleiche Weise hätten gezeichnet werden können. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, ob das dritte Neutrino schwerer ("normal") oder leichter ("umgekehrt") als die anderen ist. Sie können natürlich Epizyklen hinzufügen, um das Experiment schwieriger zu machen, aber das musste niemand tun.
  • Die Experimente der nächsten Generation, die derzeit im Aufbau sind, haben ein klares physikalisches Ziel, Majorana-Massen für die umgekehrte Neutrino-Hierarchie zu untersuchen. Die Torpfosten haben sich nicht verschoben: Dasselbe Ziel ist seit Jahrzehnten dort und hätte damals mit mehr Mitteln untersucht werden können. (Tatsächlich gehen die Epizyklen in die andere Richtung: Die weniger empfindlichen Vorgängerexperimente könnten durch kompliziertere Modelle motiviert worden sein, wie zum Beispiel, alle drei Neutrinomassen hoch zu haben und einen Trick anzuwenden, um die resultierenden kosmologischen Einschränkungen zu umgehen. Wir untersuchen einfacher Modelle heute als vor einem Jahrzehnt.)
  • Die möglicherweise wahrscheinlichere "normale" Hierarchie kann leider destruktive Interferenzen nach sich ziehen | M β β | , drastisch senken. Auch hier handelt es sich nicht um den Trick eines Modellbauers – leider spielt sich das einfachste mögliche Szenario so ab.
Dies mag nur eine Spitzfindigkeit sein, aber ich würde die Situation, die Sie erklärt haben, nicht wirklich als Option D beschreiben, was darauf hinweisen wollte, dass der Schaukelmechanismus nicht erklären kann, ob wir nicht erwarten würden, NDBD bereits beobachtet zu haben unsere aktuellen Experimente. Ich würde sagen, dass Ihre Erklärung Option C für die invertierte Neutrino-Hierarchie und Option B für die normale Hierarchie entspricht.
Wenn ich Ihren Punkt 1 etwas redaktionell bearbeiten könnte: Ich denke, dass die Experimentatoren, die diese Experimente vorschlagen, entwerfen und bauen, einen Teil der Schuld mit den Journalisten teilen, weil sie einen irreführenden Eindruck von ihrem Versagen bei der Erkennung der BSM-Physik vermittelt haben. Sie beschreiben ihre zukünftigen Experimente normalerweise als "möglicherweise in der Lage, [einige BSM-Physik-Phänomene] zu erkennen", ohne eine (auch qualitative) Schätzung der Wahrscheinlichkeit des Erfolgs des Experiments zu übermitteln. Daher ist es für Nicht-Experten natürlich anzunehmen, dass es eine anständige theoretische Wahrscheinlichkeit gab, dass die Experimente ...
... entdeckte das Phänomen, wenn es tatsächlich in der Natur auftrat, und so verschiebt das Scheitern des Experiments tatsächlich die Bayes'sche Schätzung der Wahrscheinlichkeit der Existenz des Phänomens. Ich verstehe, dass es aus Sicht der Zuschussempfänger nicht gut aussieht, zu schreiben: "Es besteht eine kleine Chance, dass unser vorgeschlagenes Experiment X entdeckt, aber selbst wenn X tatsächlich existiert, werden wir es mit ziemlicher Sicherheit nicht entdecken." Aber ich denke, dass intellektuelle Ehrlichkeit erfordert, dass jeder experimentelle Vorschlag versucht, die Wahrscheinlichkeit der Größenordnung des Experiments zu bewerten und klar zu vermitteln ...
... das fragliche Phänomen anhand der natürlichsten theoretischen Modelle tatsächlich erkennen zu können.
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