Welche experimentelle Messung könnte verwendet werden, um zu zeigen, dass ein Neutrino ein Majorana- und kein Dirac-Teilchen ist?

Lassen Sie uns zunächst einige Terminologie klären: Die übliche Aussage „Majorana-Fermionen sind ihre eigenen Antiteilchen“ ist richtig, aber verwirrend, weil die Wörter, die wir normalerweise verwenden, um Neutrinos zu beschreiben, für Dirac-Fermionen gemacht sind.

Wenn Neutrinos überhaupt keine Masse hätten, gäbe es zwei unabhängige Arten von Neutrinos: ein linkshändiges und ein rechtshändiges Neutrino. Diese Partikel können durch die Reaktionen unterschieden werden, an denen sie teilnehmen. Zum Beispiel in$\beta$Beim Zerfall kommen nur rechtshändige Neutrinos heraus, während sie hineinkommen$\beta^+$Beim Zerfall kommen nur linkshändige Neutrinos heraus.

Wenn Neutrinos Dirac sind, wird das obige „rechtshändige Neutrino“ als Antineutrino interpretiert, und so nennen wir es im Standardmodell, z. B. sagen wir, dass Antineutrinos darin produziert werden$\beta$Verfall.

Wenn Neutrinos Majorana sind, bedeutet dies, dass das obige „rechtshändige Neutrino“ kein Antiteilchen ist. Das bedeutet nicht , dass die linkshändigen und rechtshändigen Neutrinos dasselbe sind, da sie an unterschiedlichen Reaktionen beteiligt sind. Ein Majorana-Massenterm würde es Neutrinos jedoch ermöglichen, zwischen dem linkshändigen und dem rechtshändigen Zustand zu oszillieren.

Daher können wir beweisen, dass das Neutrino Majorana ist, indem wir beobachten, wie sich ein linkshändiges Neutrino in ein rechtshändiges Neutrino verwandelt; oder in der Dirac-Sprache ein Neutrino, das "sich in ein Antineutrino verwandelt". Im Prinzip könnte also jedes der folgenden Experimente funktionieren:

• Richten Sie einen Neutrinostrahl auf ein Ziel und suchen Sie nach einer Reaktion, die nur von einem Antineutrino verursacht werden kann.
• Richten Sie zwei Neutrinostrahlen aufeinander und suchen Sie nach Paarvernichtung (nur möglich, wenn einige Neutrinos zu Antineutrinos werden).

Diese Experimente sind nicht durchführbar, da Neutrinos nicht viel interagieren und es schwierig ist, den Hintergrund zu entfernen. Ein größeres Problem ist, dass sich Neutrinos sehr nahe bewegen$c$, und erfahren daher viel Zeitdilatation; das heißt, der Übergang zwischen Neutrinos und Antineutrinos ist sehr langsam.

Der eigentliche experimentelle Aufbau besteht darin, zu versuchen, den neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall nachzuweisen , oder '$0\nu \beta \beta$'. Dies ist der Prozess, bei dem zwei Beta-Zerfälle gleichzeitig stattfinden, wodurch zwei Antineutrinos entstehen, und dann verwandelt sich ein Antineutrino in ein Neutrino und das Paar vernichtet sich.

Es ist leicht zu sagen, ob$0\nu\beta\beta$eingetreten, weil am Ende der Reaktion keine Neutrinos mehr Energie abtransportieren würden. Dann erwarten Sie, dass zwei Elektronen Rücken an Rücken mit fast genau gleicher Energie herauskommen$E/2$, Wo$E$ist die freigesetzte Energie, die eine sehr scharfe Erhebung im Querschnitt ergibt. Aus technischen Gründen$0\nu \beta\beta$ist auch kinematisch begünstigt$2\nu\beta\beta$um einen Faktor von$10^6$, wodurch es leichter zu erkennen ist.

Ich werde nur versuchen, hinzuzufügen, was Knzhou über das erste mögliche Experiment gesagt hat, um festzustellen, ob Neutrinos Majorana-Teilchen oder Dirac sind.

Stellen Sie sich also eine Situation vor, in der ein Myon-Neutrino in der Mitte eines Raums mit Spin-Down ruht. Stellen Sie sich vor, es gibt zwei Ziele, eines ist das obere Ziel (über dem Neutrino) und eines das untere Ziel (unter dem Neutrino). Angenommen, das Neutrino wird nach oben beschleunigt und trifft auf das Ziel und kann ein Myonteilchen erzeugen (weil die beschleunigte Aufwärtsrichtung also ein linkshändiges Teilchen impliziert ein Neutrinoteilchen). Betrachten Sie nun die andere Situation, in der das nach unten beschleunigte Teilchen auf das Ziel trifft und ein Myon erzeugt Antiteilchen bedeutet dies, dass Neutrino ein Majorana-Teilchen ist (da RH-Neutrino in der Natur nicht beobachtet wurde, sollte es also ein RH-Anti-Neutrino sein, was zu einem Myon-Antiteilchen führt) und wenn Neutrino ein Dirac-Teilchen ist, ist Myon-Anti- Partikel werden auf diese Weise nicht produziert.