引力场中的质量中微子振荡

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中微子是基本粒子家族中重要且具有特色的成员之一,是唯一只参与弱相互作用的粒子,它在理论物理学及天体物理学中都占有着十分重要的地位。 泡利提出中微子假说之后,人们进行了一系列捕获中微子的实验。现在这些实验都用无可辩驳的事实证明了中微子是客观存在的基本粒子,同时也促使人们从多方面对中微子进行深入的研究。其中中微子的质量问题和中微子振荡现象是研究的热门课题。在费米弱作用理论乃至弱电统一理论中,都是把中微子当作无静止质量的粒子来处理的。用这样的理论来计算各种物理过程中的结果,都与实验符合得很好。另一方面,如果中微子质量不为零,则可很自然地解释某些现象(如宇宙中的热暗物质问题,太阳中微子丢失问题等)。于是一些理论也试图赋予中微子以质量,同时人们也在用不同的方法来测量和计算中微子的质量。虽然随着实验技术的飞速发展,实验测量到的中微子质量上限值不断下降,但目前各种实验还未精确确定中微子的质量值。 另外,早在1958年,Pontecorvo就指出,如果中微子质量不为零,则不同种类的中微子之间可能会相互转化,即产生中微子振荡现象。由中微子振荡的量子力学可知,在探测点发现一种中微子转化为另一种中微子的振荡几率与混合角、中微子束的平均能量、中微子产生源一探测器间的距离以及两种中微子的质量平方差有关。本文在此基础上主要讨论中微子振荡的干涉相因子以及中微子振荡中的CP破坏效应。因此,本文的结构安排如下: 在第一章的引言中,介绍了中微子的发现、中微子的质量、以及中微子的混合和振荡现象,然后在此基础上,用量子力学的语言描述了中微子的振荡。 在第二章中,介绍了平直时空中的中微子振荡,得到了中微子振荡的干涉相因子。并且指出此因子与中微子束的平均能量、两种中微子质量平方差以及中微子产生点到探测点间的距离有关。 在第三章中,借助于短程线,讨论了爱因斯坦引力理论下的质量中微子振荡。首先利用标准方法讨论了Schwarzschild时空中中微子振荡干涉的相因子,然后用同样的方法分别讨论了Reissner-Nordstr(o)m(R-N)场和Kerr场中的干涉相因子。由结果可知,虽然R-N场源的电荷和Kerr场源旋转的角动量的存在会对相因子的表示结果有贡献,但与Schwarzschild场中的情况相比,此贡献对相因子的增加很小。本章最后,本文给出了Robertson-Walker(R-W)场中中微子振荡的干涉相因子。 在第四和第五章中,分别在Brans-Dicke(B-D)引力理论和有挠引力理论中的静态球对称时空中计算了中微子振荡的干涉相因子。在B-D引力理论框架下得到对干涉相因子明显的贡献,这可以作为一个B-D理论有效性的检验公式。而在有挠引力理论下得出的对真空相因子的修正在某些条件下比广义相对论对相因子的修正要大一些,但前者依然很小。因此中微子振荡实验不能提供一个证据来判断哪一个引力理论更好,广义相对论或是其它引力理论。 在第六章中,介绍了电荷共轭(C)与宇称(P)联合操作对称性的破坏(CP破坏)。接着给出了直接CP破坏的理论研究和实验验证,CP破坏机制和新的CP破坏源。然后在此基础上,讨论了中微子振荡中的CP破坏效应,从中得出:在2味中微子振荡中,混合矩阵是实的,不存在CP破坏;但在3味中微子振荡中,由于混合矩阵不是实的,这直接导致CP对称性的破坏。
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