[论文解读] Hypothesis about semi-weak interaction and experiments with solar neutrinos

L. M. Slad|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 33被引用 3

一句话总结

本文提出一种由无质量赝标量玻色子介导的半弱相互作用，导致太阳中的电子中微子经历约10次与核子的碰撞，改变其手征性并修改其能谱。该模型与实验数据在 $^{37}$Cl、$^{71}$Ga、弹性散射和氘核分解过程中的观测太阳中微子通量高度一致，提供了一种不依赖中微子振荡的替代方案，仅包含一个自由参数。

ABSTRACT

A new concept is proposed to solve the solar neutrino problem, that is based on a hypothesis about the existence of semi-weak interaction of electron neutrinos with nucleons mediated by massless pseudoscalar bosons. Owing to about 10 collisions of a solar neutrino with nucleons of the Sun, the fluxes of left- and right-handed solar neutrinos at the Earth surface are approximately equal, and their spectrum is changed in comparison with the one at the production moment. The postulated model with one free parameter provides a good agreement between the calculated and experimental characteristics of the processes with solar neutrinos: ${}^{37}{ m Cl} ightarrow {}^{37}{ m Ar}$, ${}^{71}{ m Ga} ightarrow {}^{71}{ m Ge}$, $ν_{e} e^{-} ightarrow ν_{e} e^{-}$, and $ν_{e}D ightarrow e^{-}pp$.

研究动机与目标

• 通过提出一种新的相互作用机制，解决标准太阳模型预测与实验观测之间的差异，以解决太阳中微子问题。
• 为多个太阳中微子实验（包括 $^{37}$Cl、$^{71}$Ga、弹性散射和氘核分解）提供统一的解释，且不依赖中微子振荡。
• 证明实验中观测到的通量和能量依赖性可通过太阳非均匀介质中中微子的半弱相互作用散射来解释。
• 利用太阳内部观测到的中微子通量和碰撞统计，量化所提出相互作用的耦合强度。

提出的方法

• 提出一种由无质量赝标量玻色子介导的半弱相互作用，使电子中微子与核子耦合，其耦合常数乘积为 $ g_{\nu_e ps}g_{N ps}/4\pi = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-5} $。
• 将中微子在太阳中的传播建模为持续时间较短的布朗运动，每个中微子经历约10次碰撞，导致其手征性在左手态与右手态之间翻转。
• 假设中微子-核子散射的总截面与能量无关，从而在不同能量下保持碰撞次数不变。
• 利用每次碰撞的能量损失与 $ \Delta\omega/\omega \simeq \omega/M $ 成正比，导致中微子在离开太阳时能谱变软。
• 通过积分修改后的中微子能谱，计算不同过程的有效通量，同时考虑能量依赖的截面。
• 将理论预测的 $^{37}$Cl、$^{71}$Ga、$\nu_e e^-$ 和 $\nu_e D$ 过程的反应速率与实验数据进行比较，以验证该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过单一相互作用机制（无需中微子振荡）解释在 $^{37}$Cl、$^{71}$Ga、弹性散射和氘核分解中观测到的太阳中微子通量？
• RQ2 太阳中重复的中微子-核子碰撞对中微子能谱和手征性分布有何影响？
• RQ3 不同过程的截面能量依赖性如何与修改后的中微子能谱相互作用，从而重现实验反应速率？
• RQ4 为匹配观测到的太阳中微子数据，新半弱相互作用所需的耦合强度是多少？
• RQ5 为何当前基于振荡的模型无法对所有太阳中微子过程速率提供统一且参数化的计算？

主要发现

• 该模型在 $^{37}$Cl → $^{37}$Ar、$^{71}$Ga → $^{71}$Ge、$\nu_e e^-$ 散射和 $\nu_e D \to e^- pp$ 过程中，理论预测与实验数据高度一致。
• 太阳中微子-核子碰撞的有效次数估计约为10次，与观测到的能谱软化现象一致。
• 耦合常数乘积 $ g_{\nu_e ps}g_{N ps}/4\pi $ 确定为 $ (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-5} $，远小于电磁或弱相互作用的耦合常数。
• 每次碰撞的能量损失与 $ \omega/M $ 成正比，导致离开太阳的中微子总能量减少约0.3%，处于标准太阳模型理论不确定度范围内。
• 该模型可解释 $^{8}$B 中微子过程之间有效通量差异的原因，这是由于截面能量依赖性与修改后的中微子能谱共同作用所致。
• 该假设具有高度稳健性，偶然一致的概率可忽略不计，为中微子振荡提供了一种逻辑一致的替代解释。