Koppeln Neutrinos nicht an das Higgs-Feld?

Der genaue Mechanismus zur Erzeugung von Neutrinomasse ist nicht bekannt. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Neutrinomassen im Vergleich zu allen anderen Energieskalen extrem klein sind. Das bedeutet, dass jede Interaktion, die für ihr Erscheinen verantwortlich ist, stark unterdrückt wird.

Die masselosen Fermionen können durch die sogenannten chiralen Spinoren links oder rechts beschrieben werden. Das entspricht der Links/Rechts-Helizität (der Projektion des Spins auf den Teilchenimpuls) der Teilchen und der entgegengesetzten Helizität der Antiteilchen. Interessanterweise betrifft die schwache Wechselwirkung nur die linken Spinoren. Als wir annahmen, dass Neutrinos masselos sind, verwendeten wir nur einen linken chiralen Spinor$\nu_L$um jede Sorte zu beschreiben.

Für massives Fermion finden Sie jedoch immer einen Referenzrahmen, in dem es sich in die andere Richtung bewegt. Daher ist die Helizität des massiven Fermions nicht invariant. Dies hängt damit zusammen, dass man zur Beschreibung des massiven Fermions einen Spinor mit entgegengesetzter Chiralität benötigt. Der einfachste Weg (bekannt als Dirac-Masse ), der für geladene Leptonen und Quarks realisiert wird, besteht darin, zwei verschiedene Spinoren mit entgegengesetzten Chiralitäten zu mischen. Wenn wir davon ausgehen, dass Neutrinomassen durch denselben Mechanismus realisiert werden, sollten wir zusätzlichen Spinor einführen$\nu_R$und koppeln Sie es an$\nu_L$Verwenden des Higgs-Feldes mit einem gewissen Vakuum-Erwartungswert$\langle v\rangle$. Dann würden wir bei den niedrigen Energien im Lagrange erhalten,

$$\begin{equation} g\langle v\rangle \nu_R^\dagger\nu_L+g\nu_R^\dagger h \nu_L+\mathrm{h.c.} \end{equation}$$ Der erste Term entspricht der Masse des Neutrinos gleich $g\langle v\rangle$und der zweite beschreibt seine Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen $h$was durch den folgenden Scheitelpunkt des Feynman-Diagramms dargestellt wird.

Das Problem ist, dass die Neutrinos im Vergleich zu anderen Fermionen sehr leicht sind. Das bedeutet, dass die Kopplungskonstante$g$für Neutrinos sollte extrem winzig sein im Vergleich zu zB dem für das Elektron, was ziemlich seltsam erscheint. Wie$g$bestimmt die Kopplungskonstante für die Neutrino-Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen, was bedeutet, dass solche Prozesse extrem unterdrückt werden. Da die Neutrinos elektrisch neutral sind und$W^\pm$,$Z^0$Bosonen interagieren nur mit$\nu_L$das neue Bauteil$\nu_R$spielt in keinem anderen Prozess eine Rolle. Wir müssen also ein praktisch unsichtbares neues Feld mit einigen seltsamen Parameterwerten einführen.

Der andere Weg (sogenannte Majorana-Masse) nutzt die Tatsache, dass Teilchen und Antiteilchen vom gleichen chiralen Spinor stammen$\chi$hat entgegengesetzte Chiralitäten. Also die Ladungskonjugation$\chi^c$dieser Spinor verhält sich wie der Spinor der entgegengesetzten Chiralität und wir können verwenden$\nu_L^c$Anstatt von$\nu_R$. Wegen der schwachen Wechselwirkung, um eine Theorie widerspruchsfrei zu machen, müssen Sie sie auch auf folgende Weise an das Higgs-Feld koppeln:

$$\begin{equation} \frac{g}{\Lambda} (\nu_L^c)^\dagger h^2 \nu_L \end{equation}$$ Dies beschreibt die unterschiedliche Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen, dargestellt durch den folgenden Scheitelpunkt des Feynman-Diagramms:

Nun wird die Kopplungskonstante dimensional, gekennzeichnet durch eine große Energieskala$\Lambda$. Das bedeutet, dass unser Modell nicht renormierbar wird, dh es wird gebrochen, wenn unsere Energien vergleichbar werden mit$\Lambda$. Daher bedeutet das Hinzufügen von Majorana-Masse zu Neutrinos, dass wir eine grundlegendere neue Physik berühren. Dies kann jedoch erklären, warum diese Massen so winzig sind – in dieser Hypothese sind sie tatsächlich ein schwaches Echo einer neuen Physik auf sehr hoher Energieskala.

Sie können dieses Majorana-Neutrino tatsächlich mit einem sehr einfachen sogenannten Wippenmechanismus erhalten, der den üblichen Higgs-Mechanismus mit einer neuen Komponente kombiniert$\nu_R$mit einer sehr schweren Majorana-Masse$M_R$zum$\nu_R$(Das kann auf renormalisierbare Weise eingeführt werden, da es nicht mit dem interagiert$W^\pm$und$Z^0$). Es ist interessant, wenn$M_R$vergleichbar mit der angenommenen Skala der Großen Vereinigung, während die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld fast so stark ist wie für die Elektronen, hat die resultierende Masse für die leichten Neutrinos eine Größenordnung nahe den Beobachtungen. Da dieser Mechanismus so einfach und natürlich ist, ist dies eine ziemlich populäre Hypothese.

Das sind natürlich die einfachsten Möglichkeiten. Es kann sein, dass Neutrinos überhaupt nicht direkt mit Higgs interagieren und seine Rolle von einigen unbekannten Feldern mit ähnlichen Eigenschaften, aber viel höherer Masse gespielt wird. Wir wissen es einfach noch nicht.

Um es auf populärwissenschaftliche Begriffe zu reduzieren: Die Chiralität eines Fermions ändert sich jedes Mal, wenn es mit einem Higgs-Boson interagiert. Genauer gesagt verwechseln Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld zB ein linkshändiges Elektron und das rechtshändige Antipositron. Diese Mischung nennen wir ein massives Elektron. Es gibt eine viel detailliertere, aber immer noch ziemlich zugängliche Diskussion darüber hier .

Aber es gibt kein rechtshändiges Neutrino, oder zumindest haben wir noch nie eines entdeckt. Das bedeutet, dass das (linkshändige) Neutrino nicht an das Higgs-Feld koppeln kann.

Wir wissen, dass Neutrinos eine Masse haben, aber wir kennen den Ursprung dieser Masse nicht. Wenn wir ein rechtshändiges Neutrino entdecken würden, wüssten wir, dass das Neutrino an das Higgs koppeln und so seine Masse erhalten könnte. Wenn kein rechtshändiges Neutrino existiert, muss die Neutrinomasse aus einer anderen Quelle abgeleitet werden.

Zwischen den Physikern besteht keine Einigung über den Mechanismus der Neutrinomassenerzeugung.

Zum Beispiel gibt es im Standardmodell (SM) keine Neutrinomasse , wegen der Mehrdeutigkeit des Higgs-Mechanismus (Elektron und Neutrino_e ist SU(2)-Dublett, und nach spontaner Symmetriebrechung erhält das erste die Masse,$m_e$, und der zweite bleibt entkoppelt.

Der Mechanismus der Neutrinomassenerzeugung wird heute in verschiedenen Theorien, wie der minimalen Ausdehnung von SM, und in komplexeren und exotischeren Theorien viel diskutiert.