Gli autori di uno studio pubblicato su Revisione fisica D hanno dimostrato che la diffusione coerente dei neutrini con i nuclei fornisce un nuovo modo per misurare i raggi di carica dei neutrini. Questa interazione è stata prevista teoricamente più di 40 anni fa, ma la difficoltà di misurare il piccolissimo rinculo nucleare ha inibito la sua osservazione sperimentale fino al 2017 dall'esperimento COHERENT.
Utilizzando i dati COHERENT, gli autori di questo articolo sono stati in grado di porre limiti ai raggi di carica dei neutrini, e, per la prima volta, limiti sui raggi di carica di transizione dei neutrini, che sono quantità oltre il modello standard della fisica delle particelle.
I neutrini sono ampiamente ritenuti particelle neutre, ma in realtà, potrebbero avere una carica elettrica molto piccola, ed è molto probabile che abbiano raggi di carica. Infatti, nel modello standard, i neutrini hanno raggi di carica molto piccoli dell'ordine di 10 −33 centimetri quadrati.
Fino ad ora, i raggi di carica dei neutrini sono stati ricercati in esperimenti di diffusione elastica di neutrini-elettroni. Per piccoli trasferimenti di energia, sia la sezione d'urto del modello standard che l'effetto dei raggi di carica del neutrino nel caso di diffusione elastica neutrino-elettrone risultano essere minori di un fattore dell'ordine della massa nucleare diviso per la massa dell'elettrone rispetto al caso di coerente scattering elastico del nucleo del neutrino. Perciò, in termini di raccolta dati, esperimenti di diffusione di neutrini-nuclei elastici coerenti hanno un potenziale maggiore per studiare i raggi di carica dei neutrini rispetto alle misurazioni della diffusione di neutrini-elettroni.
Nella teoria fondamentale delle interazioni dei neutrini elettromagnetici, i raggi di carica dei neutrini sono definiti per neutrini massicci. Però, gli effetti delle oscillazioni del neutrino possono essere trascurati per esperimenti con una breve distanza tra la sorgente del neutrino e il rivelatore, come nella configurazione dell'esperimento COHERENT. In questo caso, il raggio di carica effettivo di un neutrino aromatico è rilevante, dove "sapore" significa elettrone, neutrini muonici o tau. Poiché nel limite ultrarelativistico, il fattore di forma della carica conserva l'elicità del neutrino come interazioni deboli del modello standard, il contributo del raggio di carica del neutrino alla diffusione elastica dei neutrini con una particella carica si aggiunge coerentemente alle interazioni deboli del modello standard e può essere espresso attraverso lo spostamento dell'angolo di mescolamento debole, noto anche come angolo di Weinberg.
Questa prescrizione tiene conto dei contributi alle interazioni dei neutrini dei raggi di carica dei tre neutrini di sapore. Questi sono gli unici raggi di carica che esistono nel modello standard, perché i numeri leptonici di generazione si conservano. Però, nelle teorie oltre il modello standard, i neutrini possono avere raggi di carica di transizione che cambiano il sapore del neutrino. Per esempio, nelle teorie dei neutrini massicci, i raggi di carica sono definiti nella base di massa dei neutrini che si propagano fisicamente, cosicché anche se la matrice dei raggi di carica dei neutrini è diagonale nella base di massa, i raggi di carica di transizione sono generati dalla miscelazione, un fenomeno quantomeccanico che implica che un neutrino creato con un numero di famiglia di leptoni specifico può essere successivamente misurato per avere un numero di famiglia di leptoni diverso.
Gli autori hanno ottenuto limiti sui raggi di carica diagonali e sui raggi di carica di transizione dalle analisi dello spettro energetico COHERENT integrato nel tempo e dai dati COHERENT dipendenti dal tempo, tenendo conto dell'incertezza delle distribuzioni dei neutroni nel cesio e nello iodio (il materiale bersaglio di l'esperimento), parametrizzato dai corrispondenti raggi quadrati medi della radice nucleare. Gli autori hanno dimostrato che l'informazione temporale dei dati COHERENT limita gli intervalli consentiti dei raggi di carica, soprattutto quello dei neutrini muonici che si sono rivelati nell'intervallo −8×10 −32 a 11×10 −32 centimetri quadrati con un livello di confidenza del 90%.
Questi risultati mostrano prospettive promettenti per gli esperimenti di diffusione di neutrini-nuclei attuali e futuri.
