¿Los neutrinos no se acoplan al campo de Higgs?

El mecanismo exacto de producción de masa de neutrino no se conoce. El principal problema es que las masas de los neutrinos son extremadamente pequeñas en comparación con todas las demás escalas de energía. Eso significa que cualquier interacción responsable de sus apariciones está altamente reprimida.

Los fermiones sin masa pueden ser descritos por los llamados espinores quirales, izquierdo o derecho. Eso corresponde a la helicidad izquierda/derecha (la proyección del espín sobre el momento de la partícula) de las partículas y la helicidad opuesta de las antipartículas. Es interesante que la interacción débil involucre solo a los espinores izquierdos. Cuando asumimos que los neutrinos no tienen masa, usamos solo un espinor quiral izquierdo$\nu_L$para describir cada tipo.

Sin embargo, para fermiones masivos, siempre puedes encontrar un marco de referencia donde se mueve en una dirección diferente. Por tanto, la helicidad del fermión masivo no es invariante. Esto está relacionado con el hecho de que para describir el fermión masivo se necesita obtener algún espinor de quiralidad opuesta. La forma más directa (conocida como la masa de Dirac ) que se realiza para los leptones y quarks cargados es mezclar dos espinores diferentes con quiralidades opuestas. Si asumimos que las masas de los neutrinos se realizan por el mismo mecanismo, deberíamos introducir un espinor extra$\nu_R$y acoplarlo a$\nu_L$usando el campo de Higgs con algún valor esperado de vacío$\langle v\rangle$. Entonces a las bajas energías que obtendríamos en el Lagrangiano,

$$\begin{equation} g\langle v\rangle \nu_R^\dagger\nu_L+g\nu_R^\dagger h \nu_L+\mathrm{h.c.} \end{equation}$$ El primer término corresponde a la masa del neutrino igual a $g\langle v\rangle$y el segundo describe su interacción con la partícula de Higgs $h$que está representado por el siguiente vértice del diagrama de Feynman.

La cuestión es que los neutrinos son muy ligeros en comparación con otros fermiones. Eso significa que la constante de acoplamiento$g$para los neutrinos debería ser extremadamente pequeño en comparación con, por ejemplo, el del electrón, lo que parece bastante extraño. Como$g$determina la constante de acoplamiento para la interacción de neutrinos con la partícula de Higgs, lo que significa que tales procesos están extremadamente suprimidos. Como los neutrinos son eléctricamente neutros y$W^\pm$,$Z^0$Los bosones interactúan solo con$\nu_L$el nuevo componente$\nu_R$no juega ningún papel en ningún otro proceso. Entonces tenemos que introducir un nuevo campo prácticamente invisible usando algunos valores extraños de parámetros.

La otra forma (la llamada masa de Majorana) utiliza el hecho de que las partículas y antipartículas provienen del mismo espinor quiral.$\chi$tiene quiralidades opuestas. Entonces la conjugación de carga$\chi^c$de ese espinor se comporta como el espinor de quiralidad opuesta y podemos usar$\nu_L^c$en vez de$\nu_R$. Debido a la interacción débil para hacer que una teoría sea autoconsistente, también debe acoplarlos al campo de Higgs de la siguiente manera:

$$\begin{equation} \frac{g}{\Lambda} (\nu_L^c)^\dagger h^2 \nu_L \end{equation}$$ Esto describe la interacción diferente con la partícula de Higgs representada por el siguiente vértice del diagrama de Feynman,

Ahora la constante de acoplamiento se vuelve dimensional caracterizada por una gran escala de energía$\Lambda$. Eso significa que nuestro modelo se vuelve no renormalizable , es decir, se romperá cuando nuestras energías se vuelvan comparables con$\Lambda$. Por lo tanto, agregar masa de Majorana a los neutrinos significa que tocamos una nueva física más fundamental. Sin embargo, esto puede explicar por qué esas masas son tan pequeñas: en esta hipótesis, en realidad son un eco débil de alguna nueva física a una escala de energía muy alta.

De hecho, puede obtener este neutrino de Majorana con un mecanismo llamado balancín muy simple que combina el mecanismo habitual de Higgs que involucra un nuevo componente$\nu_R$con unas masas de Majorana muy pesadas$M_R$por$\nu_R$(que se puede introducir de forma renormalizable ya que no interactúa con el$W^\pm$y$Z^0$). Es interesante que si$M_R$es comparable con la escala hipotética de Gran Unificación, mientras que la interacción con el campo de Higgs es casi tan fuerte como para los electrones, la masa resultante para los neutrinos ligeros tiene un orden cercano a las observaciones. Debido a que este mecanismo es tan simple y natural, esta es una hipótesis bastante popular.

Por supuesto, esas son las opciones más simples. Puede ser que los neutrinos no interactúen directamente con el Higgs y su papel lo desempeñen algunos campos desconocidos con propiedades similares pero una masa mucho mayor. Simplemente no lo sabemos todavía.

Para reducir esto a términos de ciencia popular, la quiralidad de un fermión cambia cada vez que interactúa con un bosón de Higgs. Más precisamente, las interacciones con el campo de Higgs se mezclan, por ejemplo, un electrón de mano izquierda y el antipositrón de mano derecha. Esta mezcla es lo que llamamos un electrón masivo. Hay una discusión mucho más detallada, pero bastante accesible aquí .

Pero no hay neutrino diestro, o al menos nunca hemos detectado uno. Eso significa que el neutrino (zurdo) no puede acoplarse al campo de Higgs.

Sabemos que los neutrinos tienen una masa, pero no sabemos el origen de esta masa. Si detectáramos un neutrino diestro, sabríamos que el neutrino podría acoplarse al Higgs y obtener su masa de esa manera. Si no existe ningún neutrino diestro, entonces la masa del neutrino debe derivarse de alguna otra fuente.

No hay acuerdo entre los físicos sobre el mecanismo de generación de masa de neutrinos.

Por ejemplo, no hay masa de neutrino en el modelo estándar (SM) , debido a la ambigüedad del mecanismo de Higgs (el electrón y el neutrino_e es el doblete SU(2), y después de romper la simetría espontánea, el primero recibe la masa,$m_e$, y el segundo permanece desacoplado.

El mecanismo de generación de masa de neutrinos es muy discutido hoy en diferentes teorías, como la extensión mínima de SM, y en teorías más complejas y exóticas.