Les auteurs d'une étude publiée dans Examen physique D ont montré que la diffusion cohérente des neutrinos avec les noyaux offre une nouvelle façon de mesurer les rayons de charge des neutrinos. Cette interaction a été théoriquement prédite il y a plus de 40 ans, mais la difficulté de mesurer le très faible recul nucléaire a inhibé son observation expérimentale jusqu'en 2017 par l'expérience COHERENT.
En utilisant les données COHERENT, les auteurs de cet article ont pu mettre des bornes sur les rayons de charge des neutrinos, et, pour la première fois, bornes sur les rayons de charge de transition des neutrinos, qui sont des quantités au-delà du modèle standard de la physique des particules.
Les neutrinos sont généralement considérés comme des particules neutres, mais en réalité, ils pourraient avoir une très faible charge électrique, et il est très probable qu'ils aient des rayons de charge. En effet, dans le modèle standard, les neutrinos ont de très petits rayons de charge de l'ordre de 10 −33 centimètres carrés.
Jusqu'à maintenant, les rayons de charge des neutrinos ont été recherchés dans des expériences de diffusion élastique des neutrinos aux électrons. Pour un petit transfert d'énergie, à la fois la section efficace du modèle standard et l'effet des rayons de charge des neutrinos dans le cas de la diffusion élastique des neutrinos-électrons s'avèrent être plus petits d'un facteur de l'ordre de la masse nucléaire divisée par la masse de l'électron par rapport au cas de la diffusion élastique du noyau des neutrinos. Par conséquent, en termes de collecte de données, les expériences de diffusion élastique cohérente neutrino-noyau ont un plus grand potentiel pour étudier les rayons de charge des neutrinos que les mesures de la diffusion neutrino-électron.
Dans la théorie fondamentale des interactions électromagnétiques des neutrinos, les rayons de charge des neutrinos sont définis pour les neutrinos massifs. Cependant, les effets des oscillations des neutrinos peuvent être négligés pour les expériences avec une courte distance entre la source de neutrinos et le détecteur, comme dans le montage de l'expérience COHERENT. Dans ce cas, le rayon de charge effectif d'un neutrino d'arôme est pertinent, où "saveur" signifie électron, les neutrinos du muon ou du tau. Puisque dans la limite ultra-relativiste, le facteur de forme de charge conserve l'hélicité des neutrinos comme modèle standard d'interactions faibles, la contribution du rayon de charge des neutrinos à la diffusion élastique des neutrinos avec une particule chargée s'ajoute de manière cohérente aux interactions faibles du modèle standard et peut être exprimée par le décalage de l'angle de mélange faible, également connu sous le nom d'angle de Weinberg.
Cette prescription prend en compte les contributions aux interactions de neutrinos des rayons de charge des trois neutrinos de saveur. Ce sont les seuls rayons de charge qui existent dans le modèle standard, car les nombres de leptons de génération sont conservés. Cependant, dans les théories au-delà du modèle standard, les neutrinos peuvent avoir des rayons de charge de transition qui modifient la saveur des neutrinos. Par exemple, dans les théories des neutrinos massifs, les rayons de charge sont définis dans la base de masse des neutrinos se propageant physiquement, de sorte que même si la matrice des rayons de charge des neutrinos est diagonale dans la base de masse, les rayons de charge de transition sont générés par le mélange, un phénomène de mécanique quantique qui implique qu'un neutrino créé avec un numéro de famille de leptons spécifique peut plus tard être mesuré pour avoir un numéro de famille de leptons différent.
Les auteurs ont obtenu des limites sur les rayons de charge diagonaux et sur les rayons de charge de transition à partir d'analyses du spectre d'énergie COHERENT intégré dans le temps et des données COHERENT dépendantes du temps en tenant compte de l'incertitude des distributions de neutrons dans le césium et l'iode (le matériau cible de l'expérience), paramétré par les rayons quadratiques moyens nucléaires correspondants. Les auteurs ont montré que l'information temporelle des données COHERENT restreint les plages autorisées des rayons de charge, en particulier celui des neutrinos du muon qui s'est avéré être de l'ordre de -8×10 −32 à 11×10 −32 centimètres carrés à un niveau de confiance de 90 %.
Ces résultats montrent des perspectives prometteuses pour les expériences actuelles et à venir de diffusion des neutrinos au noyau.
