中微子振荡的发现确定了活性中微子质量的存在。因为在粒子物理标准模型的框架中，无法给出中微子质量的合理解释，所有需要引入超越标准模型的新物理。其中“跷跷板”机制是大家公认的最自然的方案之一，通过引入大质量的惰性中微子，可以很自然地解释实验上观测到的活性中微子的微小质量，并且也可以解决标准模型不能解决的相关问题，比如正反物质不对称以及暗物质的存在等问题。通过与标准模型中的γ光子、W和Z等电弱玻色子的耦合，惰性中微子可以在对撞机上直接产生（图1），也可以通过大型强子对撞机（LHC）上大量产生的轻介子衰变产生（图2）。

图1. 惰性中微子在正负电子对撞机以及大型强子对撞机上直接产生过程的费曼图。

图2. 惰性中微子通过LHC上产生的轻介子衰变产生的费曼图。

近日，公司张宇副教授及其合作者对活性-惰性中微子跃迁磁矩进行了系统且较为全面的理论研究，并结合了目前的实验数据以及未来的实验计划，详细讨论了相关的对撞机实验对于活性-惰性中微子跃迁磁矩的敏感度，为惰性中微子的探测提供了精确的理论支持。具体地，张宇副教授及其合作者针对BESIII、Belle II和STCF等高亮度正负电子对撞机实验，LEP和CEPC等高能量正负电子对撞机实验，以及大型强子对撞机LHC等各类粒子对撞机实验的具体特点和优势进行了系统探索，给出了这些实验在参数空间中的敏感区域，并取得了一系列重要进展。研究发现，LHC相关的升级实验可以在活性-惰性中微子跃迁磁矩的测量中发挥着特有的优势（图3左）；对于我国计划建造的CEPC对撞机，更是可以将现有的实验限制提升两个数量级（图3右）。

图3. 活性-惰性中微子跃迁磁矩的实验限制。

相关成果分别以“Probing the dipole portal to heavy neutral leptons via meson decays at the high-luminosity LHC”和“Probing active-sterile neutrino transition magnetic moments at LEP and CEPC“为题发表在《Physical Review D》上，以“Testing neutrino dipole portal by long-lived particle detectors at the LHC”为题发表在《European Physical Journal C》，以及“Neutrino dipole portal at electron colliders“为题发表在《Physics Letters B》上。在这四项工作中，张宇副教授均以第一作者或者通讯作者身份做出了重要的贡献。研究工作得到了999策略白菜手机论坛人才引进条件建设经费、999策略白菜手机论坛中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、江苏省双创人才项目以及安徽省科技厅重点项目等资助。

张宇/图、文  高伟清/审核

文章链接：

https://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/PhysRevD.108.115009

https://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/PhysRevD.107.095031

https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-023-11751-0

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2022.137116