التسلسل الهرمي لكتلة النيوترينو

يُعدّ تسلسل كتل النيوترينو مسألةً مفتوحةً في فيزياء الجسيمات . النيوترينوات هي أخف الجسيمات المعروفة بكتلتها في النموذج القياسي . لا تستطيع القياسات التجريبية لتذبذبات النيوترينو تحديد سوى الفروقات بين كتل النيوترينو، وليس الكتل المطلقة نفسها. لذلك، يوجد ترتيبان محتملان يتوافقان مع البيانات الحالية: الترتيب الطبيعي (NO) والترتيب المعكوس (IO)، ويُطلق عليهما أيضًا التسلسل الهرمي الطبيعي (NH) والتسلسل الهرمي المعكوس (IH). ^{[ 1 ]} يُعدّ تحديد تسلسل الكتل موضوعًا بحثيًا نشطًا، حيث تُجرى حاليًا العديد من التجارب لدراسته.

توجد ثلاثة أنواع من النيوترينوات تُعرَّف بناءً على دورها في التفاعل الضعيف : نيوترينو الإلكترون${\displaystyle \nu _{e}}$نيوترينو الميون${\displaystyle \nu _{\mu }}$ونيوترينو تاو${\displaystyle \nu _{\tau }}$تُعرف هذه الحالات باسم حالات النكهة الذاتية. لا ترتبط أي من حالات النكهة هذه بكتلة مستقلة، بل هي مزيج ( تراكب كمي ) من حالات الكتلة الذاتية الثلاث. رياضياً، ترتبط حالات النكهة والكتلة الذاتية عبر...${\displaystyle 3\times 3}$المصفوفة الوحدوية، وتسمى مصفوفة PMNS ^{[ 2 ]} :

${\displaystyle {\begin{bmatrix}~\nu _{\mathrm {e} }\\~\nu _{\mu }\\~\nu _{\tau }~\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}~U_{\mathrm {e} 1}~&~U_{\mathrm {e} 2}~&~U_{\mathrm {e} 3}\\~U_{\mu 1}&~U_{\mu 2}~&~U_{\mu 3}\\~U_{\tau 1}~&~U_{\tau 2}~&~U_{\tau 3}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}~\nu _{1}\\~\nu _{2}\\~\nu _{3}~\end{بمصفوفة}}~}$

حيث تشير الأحرف اليونانية إلى النكهة، وتشير الأرقام العربية إلى حالات الكتلة. تنتشر النيوترينوات كحالات ذاتية للكتلة، لأنها الحالات ذات طاقة محددة، وبالتالي لها تطور زمني واضح . تعتمد التذبذبات بين حالات النكهة على طاقة النيوترينو، والمسافة التي قطعها، ومربع الفرق بين الحالات الذاتية للكتلة.${\displaystyle \Delta m^{2}}$[ ^{3 ]​}

بما أنه لا يمكن قياس سوى فروق الكتلة بين الحالات الذاتية لكتلة النيوترينو، فهناك ترتيبان محتملان:

• الترتيب العادي (لا) هو${\displaystyle \ m_{1}<m_{2}<m_{3}\ ,\ }$و

• الترتيب المعكوس (IO) هو${\displaystyle \ m_{3}<m_{1}<m_{2}~.}$

يتم التمييز بين الترتيبين من خلال موضع${\displaystyle \ m_{3}~.}$الفرق الأصغر في مربع الكتلة${\displaystyle \ \Delta m_{12}^{2}=m_{2}^{2}-m_{1}^{2}\ }$يستمد هذا من رصد تدفق النيوترينوات الشمسية، ومن المعروف أنه موجب. من ناحية أخرى، فإن الفرق الأكبر دلتا${\displaystyle \ \Delta m_{3\ell }^{2}=m_{3}^{2}-m_{\ell }^{2}\ }$(أين${\displaystyle \ \ell =2\ }$لـ NO و${\displaystyle \ \ell =1\ }$يُستمدّ (بالنسبة لـ IO) من تذبذبات النيوترينو الجوي الناتجة عن الأشعة الكونية . ^{[ 2 ]} حاليًا، يُفضّل NO على IO. ^{[ 3 ]}

وفقًا لأحدث تحليل عالمي (سبتمبر 2024) لقياس تذبذب النيوترينو بواسطة مشروع NuFIT ^{[ 4 ]} :

• ${\displaystyle \ \Delta m_{21}^{2}=7{.}49_{-0{.}19}^{+0{.}19}\times 10^{-5}\ \mathrm {eV} ^{2}\ ,}$

• ${\displaystyle \ \Delta m_{3\ell }^{2}=2.513_{-0{.}019}^{+0{.}021}\times 10^{-3}\ \mathrm {eV} ^{2}\ }$بالنسبة لـ NO، أو

• ${\displaystyle \ \Delta m_{3\ell }^{2}=-2{.}484_{-0{.}020}^{+0{.}020}\times 10^{-3}\ \mathrm {eV} ^{2}\ }$بالنسبة لـ IO.

تتضمن البيانات هنا نتائج النيوترينو الجوي من تجارب Super-Kamiokande و IceCube .

حتى لو تم حل مشكلة التسلسل الهرمي للكتلة، فإن المقياس المطلق للكتل نفسها سيظل غامضًا. ومع ذلك، يتم الحصول على حدود عليا ودنيا للكتل من تجارب اضمحلال بيتا ، والملاحظات الكونية، والعمليات المقترحة مثل اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو . ^{[ 3 ]} على سبيل المثال، توفر دراسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ومسح البنية واسعة النطاق في الكون حدًا أعلى لمجموع كتل النيوترينوات الثلاثة. ^{[ 2 ]}

لا يزال التسلسل الهرمي لكتلة النيوترينو يمثل مشكلة مفتوحة في فيزياء النيوترينو، إلى جانب مسألة ما إذا كانت فرميونات ديراك أو ماجورانا ، ^{[ 2 ]} ومرحلة انتهاك التناظر CP لمصفوفة خلط النيوترينو . ^{[ 5 ]}