5 Нейтринная астрофизика Л. А. Кузьмичев ниияф мгу



страница1/8
Дата04.05.2016
Размер0.6 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8


Глава 1.

5

Нейтринная астрофизика

Л.А.Кузьмичев

НИИЯФ МГУ

Абстракт Обзор посвящен современному состоянию нейтринной астрофизики. Кратко изложены вопросы физики нейтрино. Рассмотрены источники в широком диапазоне энергий ( от 10-5 эВ до 1020 эВ). Подробно описаны результаты по исследованию солнечных нейтрино и атмосферных нейтрино, приведшие к фундаментальному открытию в физике нейтрино  осцилляциям нейтрино. Приведен обзор существующих и проектируемых нейтринных телескопов.

Ключевые слова Нейтрино, источники нейтрино, нейтринные телескопы.

1. ВВЕДЕНИЕ


Обзор посвящен бурно развивающемуся в настоящее время разделу астрофизики – нейтринной астрофизике. Нейтрино, благодаря слабому взаимодействию с веществом, может выходить из объектов не прозрачных для других видов излучения и, следовательно, может дать важную информацию о процессах внутри них. Кратко сформулируем основные направления исследований в области нейтринной астрофизики, проводимые в настоящее время:

1. Исследование внутреннего строения Солнца.

2. Исследование гравитационного коллапса массивных звезд.

3. Поиск нейтрино от объектов, в которых, по–видимому, происходит ускорение космических лучей, таких как бинарные звездные системы, туманности, образовавшиеся после взрыва сверхновых звезд, ядра активных галактик, источники –всплесков.

4. Поиск темной материи с помощью нейтрино.

5.Исследование нейтринных осцилляций, использующее в качестве источника атмосферные нейтрино или солнечные нейтрино .

6. Поиск нейтрино из недр Земли (геонейтрино).

7. Исследование темпа формирования массивных звезд в ранние эпохи по диффузному потоку нейтрино от всех гравитационных коллапсов



О содержании обзора. Во втором параграфе приводится необходимое для дальнейшего изложения краткое введение в теорию слабого взаимодействия. В третьем параграфе дается общий обзор основных источников нейтрино в природе: от реликтовых нейтрино с энергией эВ до космологических нейтрино с энергией эВ. Солнечные нейтрино, атмосферные нейтрино и космические нейтрино высоких и сверхвысоких энергий дополнительно рассматриваются в параграфах 4, 6 и 7. Для представления о масштабах экспериментальных работ в нейтринной астрофизике в пятом параграфе приводится обзор существующих и проектируемых нейтринных телескопов. В восьмом, завершающем параграфе обзора приводится подход к поиску темной материи, основанный на поиске нейтрино из центра Земли и Солнца. Список литературы далеко не полон. Приведены только наиболее известные оригинальные работы и обзоры.

2. СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И СВОЙСТВА НЕЙТРИНО: КРАТКОЕ ВВЕДЕНИЕ


Существование нейтрино как элементарной частицы с очень малой массой, спином 1/2 и электрическим зарядом равным нулю было предложено В.Паули в 1930 году для объяснения энергетического спектра электронов при радиоактивных  - распадах ядер. Согласно Паули энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде, уносится электроном или позитроном (e+) и нейтрино или антинейтрино ( ):
A1  A2 + e +  (2.1)
Первая теория, использующая гипотезу Паули о нейтрино, была создана Э.Ферми в 1934 году, практически сразу после открытия нейтрона Д.Чадвиком. Ферми принадлежит сам термин "нейтрино" – в переводе с итальянского маленький нейтрон, "нейтрончик". В теории Ферми вводится новое короткодействующее (радиус взаимодействия много меньше размеров ядра) взаимодействие, названное впоследствии слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие вызывает превращение нейтрона в протон ( или протона в нейтрон, что возможно для протонов внутри ядра) с одновременным рождением электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино). Интенсивность слабого взаимодействия определяется размерной константой GF (константа Ферми). Размерность GF – эрг Значение GF равно: , где mp – масса протона, а c – скорость света. Зная значение GF можно вычислить величину сечения взаимодействия нейтрино с веществом. Например, для реакции  + p  n + e+ сечение приблизительно равно:
  (2.2)

E– энергия нейтрино. Для E  1 МэВ ( характерное значение энергии нейтрино от Солнца или от атомного реактора)  10-44см2. Пробег до взаимодействия нейтрино такой энергии в материалах с типичными для земных условий плотностями составляет 1021 см, что в 1012 раз больше диаметра Земли.

Впервые взаимодействие нейтрино с веществом удалось зарегистрировать Ф.Райнесу и К.Коэну в 1956 году (Cowan and Reines, 1956). Источником нейтрино (точнее антинейтрино) в этом эксперименте был ядерный реактор.

Согласно современной классификации (Окунь, 1990) нейтрино является лептоном (лептоны – частицы, не участвующие в сильном взаимодействии). Существуют три заряженных лептона (электрон (e), мюон (), тау () ) и три нейтральных (электронное нейтрино (e), мюонное нейтрино () и тау-нейтрино ()). Переносчиками слабого взаимодействия между лептонами и кварками являются тяжелые заряженные (W) и нейтральные (Z) бозоны. Массы W и Z бозонов  80 ГэВ и, соответственно, радиус слабого взаимодействия (1/ MW) 10 -16см. Реакции, в которых налетающий лептон меняет знак (происходит обмен W бозоном), называются реакциями под действием заряженного тока (CC), а реакции, в которых лептон не меняет знак (происходит обмен Z бозоном), называются реакциями под действием нейтрального тока (NC). Упругое рассеяние (ES) электронного нейтрино на электроне может протекать как под действием заряженного тока, так и нейтрального тока, а мюонного нейтрино – только под действием нейтрального тока.

Нейтрино разного типа e,  и  являются разными частицами. Так, например, при взаимодействии  с веществом будут рождаться мюоны, а не электроны и тау-лептоны. Такой характер слабого взаимодействия (сохранение электронного, мюонного и таонного лептонных чисел) был подтвержден в многочисленных экспериментах и заложен в структуру современной стандартной модели (СМ) элементарных частиц.

При высоких энергиях (>1 ГэВ) основной вклад в полное сечение взаимодействия нейтрино с веществом вносят глубоконеупругие столкновения, сопровождающиеся рождением адронов:
+ N + X , (2.3)
где X совокупность адронов в конечном состоянии. При взаимодействии адронов с веществом происходит развитие адронного каскада. Сечение реакции (2.3) растет линейно с ростом энергии нейтрино вплоть до примерно 1013 эВ, достигая величины 10–34см2. При дальнейшем увеличении энергии линейный рост сечения сменяется на логарифмический.

Сравнительно недавно было открыто явление осцилляций нейтрино, т.е. превращение нейтрино одного типа в другое (e в ). Это открытие, во-первых, явилось первым выходом за границу СМ, а, во-вторых, с неизбежностью доказывает, что у нейтрино есть масса. Причина осцилляций в том, что нейтрино определенного типа (e, ) рождаются как смесь состояний (1 и 2) c определенными и неравными массами ( m1 и m2):


e = cos 1 + sin 2; = -sin 1 + cos 2, (2.4)
где параметр  называется углом смешивания.

Вероятность, что нейтрино с энергией E, образовавшееся как , будет после прохождения расстояния x находиться в состоянии равна:



P(e ) = sin22sin2 ()x (2.5)
Вероятность изменяется по периодическому закону с расстоянием, периодичность характеризуется "длиной осцилляций" Lосц :
Lосц = 2 2E/ m2 = 2.5 E(ГэВ) /m2 (эВ2) км (2.6)

(m2 =).
Если угол =/4 (полное смешивание), то на определенных расстояниях вероятность перехода становится равной единице. При наличие трех типов нейтрино и трех массовых состояний матрица смешивания содержит три угла смешивания 12, 13, 23 и еще три параметра, значения и смысл которых нам в дальнейшим не понадобятся. В силу того, что 12 и 23 >> 13 и можно независимо рассматривать осцилляции между

двумя состояниями и использовать выражение (2.5) для вероятности перехода.

Впервые гипотеза о существовании осцилляций нейтрино была высказана Б.Понтекорво в конце 50-х годов. Он же в начале 70-х годов предложил осцилляции нейтрино как возможное объяснение дефицита солнечных нейтрино в эксперименте Р.Дэвиса (Б.Понтекорво, 1967). Действительно, если часть электронных нейтрино на пути от Солнца к Земле перейдет в мюонные нейтрино, то число событий в эксперименте будет меньше, т.к. в эксперименте Дэвиса возможна регистрация только электронных нейтрино.

Существенное дополнение в теорию осцилляций, связанное с влиянием вещества, было внесено в работах С.Михеева, А.Смирнова и Л.Волфенштейна (МСВ -эффект) (Wolfenstein, 1978; Михеев и Смирнов, 1985, 1986, 1987). В основе МСВ -эффекта лежит различие во взаимодействии с веществом нейтрино разных типов. В то время как взаимодействие электронов вещества за счет слабых нейтральных токов одинаково для всех типов нейтрино, только электронные нейтрино могут взаимодействовать с электронами также за счет заряженных токов.

Собственные функции в веществе (1m и 2m) и угол смешивания () зависят от плотности электронов и отличаются от собственных функций и угла смешивания в вакууме (, , ):

e = cosm 1m + sinm 2m; = -sin m 1m + cosm 2m, (2.7)


При осцилляции в веществе в теории появляется еще один параметр размерности длины – длина рефракции:
1.7 10 9 см / Z/A г/см3 (2.8)
ne – плотность электронов, а – плотность вещества.

Введем параметр x равный отношению Locц к. L0 Легко видеть, что x E ne . При x>>1

(высокая плотность или высокая энергия) m  /2. При x=cos2 (резонансная плотность или энергия) смешивание максимально – m = /4. Наконец, при ,m . При медленном (на длине L0) изменении плотности (адиабатическое приближение) не происходит переходов между состояниями 1m и. 2m.Так электронное нейтрино, родившись в центре Солнца в состоянии 2m (m = /2), остается в состоянии 2 на выходе из Солнца. Вероятность, что нейтрино при этом будет в состоянии e равна sin2

( P =).


  1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница