李政道研究所青年学者葛韶锋博士提出中微子振荡的新物理效应

2019年5月29日，李政道研究所新引进的青年学者葛韶锋博士在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上、以“Scalar Nonstandard Interactions in Neutrino Oscillation”为题发表最新研究成果（Phys.Rev.Lett. 122 (2019) no.21, 211801），指出中微子可以有标量形式的非标准相互作用，并且会显著改变中微子振荡的形式。这对于中微子混合中狄拉克CP相角的测量具有重要意义。

中微子在传播的过程中会和物质发生相互作用，通过交换带电的W玻色子或中性的Z玻色子，获得一个有效的势能项。物质的密度越大，中微子感受到的物质势能越大，两者成正比。中微子振荡不仅能测量中微子的质量项（包括质量平方差、混合角、狄拉克CP相角），同时还能探测物质的密度。正是通过物质势对太阳中微子振荡的影响，我们对太阳内部的了解甚至远远超过对地球内部的了解。

除了粒子物理标准模型预言的相互作用，中微子是否还参加其他相互作用，是非常值得探索的问题。通常的研究都只考虑有额外的规范玻色子，与中微子以及其他的带电费米子有耦合，使得中微子能感受到额外的物质势能，影响到中微子振荡。这就是所谓的矢量形式的非标准相互作用，之前的研究都认为只有这一种形式的非标准相互作用。

葛韶锋博士的研究指出，除了矢量形式的非标准相互作用，中微子还可以具有标量形式的非标准相互作用。这可以由一个标量玻色子，通过耦合到中微子和其他带电费米子来实现。虽然之前也有零星的研究指出过这一可能性，但最后的结论是标量形式和矢量形式没有差别，从而只需要考虑矢量形式，他们的文章也很快便销声匿迹。葛韶锋博士重新深入研究了标量形式非标准相互作用的理论和唯象后果，发现两者完全不同。如下面公式所示，矢量形式的非标准相互作用体现为物质势能VNSI，而标量形式体现为对中微子质量矩阵M的修正MS。

图1：左图(a)是矢量形式的非标准相互作用对太阳中微子振荡概率Pee的影响；

右图(b)是标量形式的非标准相互作用对太阳中微子振荡概率Pee的影响。

这一差别的唯象后果是非常显著的。如上图所示，图1(a)是矢量形式的非标准相互作用对太阳中微子振荡概率Pee的影响，图1(b)是标量形式的情形。可以很明显地看到，矢量形式的非标准相互作用对标准相互作用(SI)的偏离主要出现在中微子能量Eν在1~10MeV这一处于能谱中间的位置，在低能区基本没有影响；而标量形式的非标准相互作用对标准相互作用的偏离在低能区尤其明显。矢量形式和标量形式是两种完全不同的非标准相互作用。Borexino太阳中微子实验2017年的最新数据倾向于有一个非零的标量形式非标准相互作用，ηee=-0.16。

图2：标量形式的非标准相互作用对(a)日本T2K实验以及(b)缪子(μ)静止衰变实验中微子振荡概率Pμe的影响

除此之外，这种新的标量形式非标准相互作用对于中微子狄拉克CP相角的测量有显著影响，如图2所示，加入标量形式的非标准相互作用之后，中微子振荡的概率Pμe会发生相当可观的改变，实验同时测量狄拉克CP相角和标量非标准相互作用，而无法区分它们各自的贡献。需要结合各种不同的中微子振荡实验，尤其是物质密度变化较大的实验，才能识别出是否有标量形式的非标准相互作用，从而和狄拉克CP相角区分开来，保证对狄拉克CP相角测量的准确性。

葛韶锋博士2012毕业于清华大学高能物理中心，曾获日本学术振兴会学者（JSPS Fellow），于2012~2014年在日本高能加速器机构（KEK），2014~2017年在德国海德堡马普所核物理研究所（MPIK），2017~2019年获日本东京大学卡弗里数理联携宇宙研究机构（Kavli IPMU）和美国加州大学伯克利分校联合聘请，从事中微子、暗物质、和对撞机物理的理论和唯象研究。由于在中微子领域的创新研究，于2017年获美国费米加速器国家实验室中微子物理中心学者奖，并于2018年暑假受邀访问费米实验室3个月，本研究就是在这一期间发展起来的。葛韶锋博士是文章的通讯作者,论文合作者是美国费米加速器国家实验室的杰出科学家(Distinguished Scientist)Stephen Parke博士。