نوسان های نوترینوی شبه دیراک

ولین ره یافت ها برای فهم این ذره به سال هایی باز می گردد که پائولی، حضور ذره ای بدون بار و با جرمی کوچک تر از الکترون را در هسته یِ ماده پیش نهاد داد. این پیش نهاد فقط برای حل معمایی بود که در فیزیک هسته ای بسیاری از اصول فیزیک ِکوانتومی، حتی پایستگیِ انرژی را به چالش کشیده بود. با پیدا شدن سر و کلّه یِ نوترون از میان آزمایش های هوشمندانه یِ چادویک مسئله حل شد. اما فرمی این ذره پیش نهادیِ کوچک را با نام نوترینو در آستین خود نگه داشت. پس از در نظر گرفتن مدل استانداردی برای خورشید و فرآیندهای هم جوشی هسته ای معلوم شد که خورشید باید یک تولید کننده یِ بزرگ نوترینوهای الکترونی باشد. پس آشکارسازی نوترینوها می-توانست مُهر تاییدی بر مدل خورشیدی بزند. آشکارسازی می بایست توسط برهم کنش ضعیف صورت گیرد، یعنی یکی از چهار نیروی بنیادی فیزیک که نوترینوها خود را توسطِ آن ظاهر می کنند. یکی از دشواری های موضوع نوترینو همین برهم کنش ضعیف است که آزمایش هایِ آشکارسازی را تا عدم امکان پیش می برد. در بزرگ ترین آشکارسازها فقط تعداد محدودی از نوترینوها در مدت زمان یک ماه آشکارسازی می شوند. اولین فرآیندهایِ آشکارسازی مقدار نوترینوها را بسیار کم تر از مقدار پیش بینی شده نشان دادند (حدود یک سوم). این داده ها به عنوان خطای آزمایش در نظرگرفته شدند. با پیشرفت تکنیک ها در مقادیر به دست آمده تغییر بزرگی ایجاد نشد و این مسئله تحت عنوان «معمای نوترینوی خورشیدی» وارد فیزیک ذرات بنیادی شد. چندی بعد با کشف ذره یِ میوئون حدس هایی برای وجود نوترینویی با طعم میوئونی ارائه شد. این کشف جرقه هایی از تغییر طعم نوترینو را پیش روی دانشمندان قرار داد. سومین نوع نوترینو پای قرن بیست و یکم را هم به میان کشید. مجموع نوترینوهایِ خورشیدی آشکارسازی شده بر روی زمین شامل الکترونی، میوئونی و تاو برابر مقادیر پیش نهادی مدل استاندارد خورشیدی است، و این موضوع شاهدی بر نوسان طعمی نوترینو می-باشد. نوترینو هنگام انتشار چه در خلا و چه در ماده طعمش عوض می شود و با احتمال گذار قابل محاسبه ای در دیگر حالت های طعمی آشکارسازی می شود. به عبارت دیگر نوترینوهای خورشید که غالب جمعیت آن ها الکترونی است بر روی زمین می تواند در دیگر حالت های طعمی آشکارسازی شوند. با توجه با آزمایش های دهه یِ شصت معلوم شده بود که نوترینوهایی که در برهم کنش های ضعیف شرکت می کنند همه گی دارای دست وارگی چپ هستند. این موضوع باعث شد که در مدل استاندارد، نوترینوها ذراتی چپ-دست معرفی شود که نتیجه یِ مستقیم آن جرم صفر نوترینوها است. با وجود نوسان نوترینوها ثابت می کند که این ذرات دارای جرم هستند و دلیل نوسان آن ها ویژه حالت های جرمی است که لزوما منطبق بر ویژه حالت های طعمی نیستند. نوترینوها با ویژه حالت های طعمی آشکارسازی می شوند اما با ویژه حالت های جرمی منتشر می گردند. این موضوع باعث به وجود آمدن مدل استاندارد جدید شد که در آن نوترینوها ذراتی جرم دار با هر دو نوعِ دست وارگی تعریف می شوند. نوترینوهای راست-دست به غیر از میدان هیگز هیچ گونه برهم کنشی با جهان پیرامون خود ندارد به همین دلیل نوترینوهای راست-دست را نوترینوهای استریل می نامند. با توجه به استریل بودن این نوترینوها تاکنون هیچ حدی بر روی تعداد آن ها نیست. آمیختگی نه تنها می تواند بین حالت های جرمی عادی بل که نوترینوهای استریل و فعال نیز می تواند صورت گیرد. در فصل بعد خلاصه ای از مدل استاندارد بیان می شود. در این بخش بیش تر به قسمت هایی از مدل استاندارد پرداخته ایم که به نوترینو ارتباط جدی پیدا می کنند. عمل گر تصویرگر دست وارگی در این فصل معرفی می شود و توسطِ آن معادله یِ اولر-لاگرانژ را تجزیه می کنیم. اثر ذراتی که شامل دو نوع دست وارگی هستند در این فصل مشخص می شود. در فصل سوم به تاریخچه یِ ذره یِ نوترینو می پردازیم. هم چنین تاریخ آشکارسازی ها و توافق و یا شکست نظریه با آشکارسازی ها بیان می شود. آشکارسازهای متفاوتی با ویژگی های خاص داده های بیشتری پیرامون نوسان نوترینو به دست آورده اند که خلاصه ای از دست آوردهای آن ها در این فصل گنجانده شده است. در فصل چهار فیزیکِ آمیختگیِ نوترینو بیان می شود. ابتدا نوسان نوترینو در خلا که ناشی از انتشار نوترینو با ویژه حالت های جرمی است سپس نوسان نوترینو در ماده که شامل برهم کنش نوترینو با جریان خنثی در ماده است بررسی می شود. نوترینوهای خورشیدی آشکارسازی شده بر روی زمین شامل هر دو نوع تغییر طعم هستند. در انتهای این فصل نوترینوهای استریل را وارد مدل می کنیم. در حالت کلی همیلتنی جدید باعث آمیختگی میان نوترینوهای فعال و استریل می شود. مدل الاکلنگی یکی از سناریوهای معروف برای حل معمای نوترینو با در نظر گرفتن نوترینوهای استریل است. در فصل پنج به طور خاص مدل نوسان نوترینوی شبه-دیراک را مورد بررسی قرار می دهیم. این مدل در دو حالت خاص مورد بررسی قرار می گیرد. در حالتِ اول دو نوترینوی فعال و یک نوترینوی استریل را در نظر می گیریم. در این بخش ویژه مقادیر جرمی توسط نرم افزار های مرسوم به دست آمده اند و رسم شدند. حالت دوم شامل دو نوترینوی فعال و دو نوترینوی استریل است. توسط مقداردهیِ محاسباتی، ویژه مقادیر به دست آمده اند که جدولی از آن ها تهیه کردیم. در سرتاسر این فصل سعی داریم مقادیر به دست آمده را با حدودی که توسط آشکارسازی ها بر روی پارامترهای نوسان قرار داده شده است مورد مقایسه قرار دهیم.