Exotic lepton flavour violating processes in the field of nucleus
Authors: Παπούλιας Δημήτριος 
Published: September 2021

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής εντάσσεται στο χώρο επικάλυψης της πυρηνικής αστροφυσικής, της αστροσωματιδιακής φυσικής και των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Κύριος σκοπός της εργασίας αυτής είναι η διερεύνηση των ανοιχτών ερωτημάτων της σύγχρονης έρευνας της φυσικής των νετρίνων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη των εξωτικών διαδικασιών ουδετέρου-ρεύματος των νετρίνων που λαμβάνουν χώρα στο πεδίο των πυρήνων και των νουκλεονίων. Οι εν λόγω αντιδράσεις προβλέπονται από θεωρίες πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model, SM) των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων ενώ παράλληλα αναζητούνται από εξαιρετικής ευαισθησίας πειράματα που λειτουργούν ή σχεδιάστηκαν να λειτουργήσουν στα ανά τον κόσμο μεγάλα Ερευνητικά Κέντρα.Το ζήτημα των μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων (non-standard interactions, NSI) των νετρίνων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη έρευνα των διαδικασιών παραβίασης λεπτονικής γεύσης (lepton flavour violation, LFV) καθ' ότι το φαινόμενο των ταλαντώσεων των νετρίνων, με το οποίο έχει αποδειχθεί η εν λογω παραβίαση στον λεπτονικό τομέα ουδετέρων σωματίων, έχει τεθεί πλέον σε ισχυρές βάσεις. Οι ανωτέρω αντιδράσεις προβλέπεται επίσης ότι λαμβάνουν χώρα υπό τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν σε αστροφυσικό περιβάλλον (π.χ. συνθήκες έκρηξης Υπερκαινοφανούς αστέρα) επιβάλλοντας σημαντικές αλλαγές στα φαινόμενα εξέλιξης ενός Υπερκαινοφανούς κατάρρευσης καρδιάς (core collapse Supernova). Επιπρόσθετα, αναμένεται να παρατηρηθούν από επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές σύγχρονων εργαστηρίων όπως στο Oak Ridge National Lab (πείραμα COHERENT) καθώς και σε πειράματα νετρίνων πυρηνικών αντιδραστήρων ισχύος (πειράματα TEXONO, GEMMA, κλπ.). Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στη μελέτη της διανυσματικής συνιστώσας των NSI στη σκέδαση νετρίνων από πυρηνικούς ανιχνευτές σύγχρονων πειραμάτων υψηλής ευαισθησίας, η οποία οδηγεί σε παραβίαση της λεπτονικής γεύσης. Επιπλέον, καταδεικνύεται ότι η τανυστική συνιστώσα NSI των νετρίνων, συνεπάγεται την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών (ΕΜ) ιδιοτήτων των νετρίνων, οι οποίες μπορούν να συμβάλλουν στη διαλεύκανση της Dirac ή Majorana φύσης των νετρίνων. Σχετικά με τις ΕΜ ιδιότητες των νετρίνων, πραγματοποιείται εκτεταμένη μελέτη η οποία μέχρι τώρα έχει αναδείξει την σκέδαση νετρίνου-πυρήνα ως μία πολλά υποσχόμενη διαδικασία διερεύνησης της φυσικής πέρα από το SM.Αρχικά, στην παρούσα εργασία, αναπτύσσεται κατάλληλος φορμαλισμός στον οποίο οι σχετικοί τελεστές των NSI παραμετροποιούνται θεωρώντας φαινομενολογικές Λαγκραντζιανές αλληλεπιδράσεως επαφής τεσσάρων-φερμιονίων (four fermion contact interaction). Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής, λαμβάνεται υπόψη η εξάρτηση της ενεργού διατομής σκέδασης από τις ιδιότητες της πυρηνικής δομής στην οποία μεταβαίνουμε μέσω κατάλληλου μετασχηματισμού των σχετικών Λαγκραντζιανών από το επίπεδο των κουάρκς, στο πυρηνικό επίπεδο. Στους λεπτομερειακούς υπολογισμούς των ενεργών διατομών υιοθετείται η μέθοδος της πολυπολικής ανάπτυξης του πυρηνικού αδρονικού ρεύματος (μεθόδος Donnelly-Walecka). Επιπρόσθετα, τα διάφορα κανάλια αλληλεπίδρασης, διατήρησης ή παραβίασης της λεπτονικής γεύσης, των οποίων η ύπαρξη προβλέπεται στο πλαίσιο των NSI, μελετώνται μέσω αντίστοιχων υπολογισμών των πυρηνικών στοιχείων πίνακα που υπεισέρχονται στην ενεργό διατομή της υπό μελέτη αντίδρασης. Η συστηματική μελέτη των πτυχών της πυρηνικής δομής στις ανωτέρω διαδικασίες, επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την μέθοδο της προσέγγισης τυχαίας φάσης με ημι-σωμάτια (quasi-particle random phase approximation, QRPA). Συγκεκριμένα, στην περίπτωση του συναφούς καναλιού ελαστικής σκέδασης νετρίνου-πυρήνα (coherent elastic neutrino-nucleus scattering, CENNS), η βασική πυρηνική κατάσταση κατασκευάζεται μέσω της επαναληπτικής επίλυσης των εξισώσεων Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Κατά συνέπεια λαμβάνεται υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η ισχυρή αλληλεπίδραση ζεύγους δύο-νουκλεονίων το οποίο οδηγεί σε ενίσχυση της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Τέτοιου είδους υπολογισμοί, βασιζόμενοι στη λεπτομέρεια της πυρηνικής δομής, οδηγούν σε διαφορές έως και μίας τάξης μεγέθους των παρόντων αποτελεσμάτων σε σύγκριση με προηγούμενα στα οποία αγνοήθηκε πλήρως η εξάρτηση από τον πυρηνικό παράγοντα δομής.Από πειραματική έποψη, στην περίπτωση των συμβατικών και εξωτικών διαδικασιών νετρίνου-πυρήνα, η ακρίβεια των ληφθέντων ενεργών διατομών αξιοποιείται για τον υπολογισμό αντίστοιχων αναδιπλωμένων ενεργών διατομών, οι οποίες προσομοιάζουν το αναμενόμενο σήμα στους επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές. Επιπρόσθετα, στην παρούσα έρευνα πραγματοποιούνται ακριβείς υπολογισμοί σχετικοί με άλλες πολύ σημαντικές πειραματικές ποσότητες όπως, ο διαφορικός ρυθμός γεγονότων και ο ολικός αριθμός γεγονότων που αναμένεται να ανιχνευθούν σε πειράματα ανίχνευσης Υπερκαινοφανών νετρίνων, SNS νετρίνων καθώς και σε πειράματα νετρίνων αντιδραστήρων ισχύος (reactor neutrino experiments). Υπογραμμίζουμε ότι μετρήσεις τέτοιου είδους ενδέχεται να έχουν υψηλή ευαισθησία σε αλληλεπιδράσεις νετρίνου-κουάρκ ή ΕΜ φύσεως αλληλεπιδράσεις των νετρίνων (μαγνητική ροπή, μέση ακτίνα φορτίου, χιλιοστο-φορτίο) και κατά συνέπεια αναμένεται να θέσει αυστηρότερα όρια στις προαναφερθείσες εξωτικές ιδιότητες των νετρίνων σε σχέση με μελλοντικά πειράματα που θα διεξαχθούν στα neutrino factories. Στην κατεύθυνση αυτή, η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει υπολογισμούς οι οποίοι αναφέρονται σε διάφορα πυρηνικά συστήματα που καλύπτουν όλο το φάσμα του περιοδικού πίνακα ισοτόπων. Η επικείμενη λειτουργία εξαιρετικά ισχυρών δεσμών εργαστηριακών νετρίνων (στα SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, κλπ.), προϋποθέτει ότι, η ευαισθησία στην αναζήτηση νέας φυσικής θα αυξηθεί δραματικά και συνεπώς μέσω μετρήσεων της CENNS, πολλά ανοιχτά ζητήματα (όπως NSI νετρίνου, μαγνητική ροπή νετρίνου, η ύπαρξη sterile νετρίνο και άλλα) αναμένεται να διαλευκανθούν. Τα παρόντα αποτελέσματα, σε συνδυασμό με εκείνα που αναμένονται από τα πειράματα έρευνας της αντίδρασης μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο, αφενός θα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στον λεπτονικό τομέα και αφετέρου στον περιορισμό των ορίων των παραμέτρων των Λαγκραντζιανών διάφορων μοντέλων που προχωρούν πέρα από το SM.