ФОТОН-НЕЙТРИННЫЕ ПРОЦЕССЫ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ И ПЛАЗМЕ
|
Введение 4
Глава I. Двухфотонное рождение нейтринной пары в сильном магнитном поле 13
1. Введение 13
2. Вершина VVYY 17
3. Нейтринная светимость фотонного газа 27
Глава II. Расщепление фотона на два фотона в сильном магнитном поле 38
1. Введение 38
2. Кинематика расщепления фотона y ^ 77 42
3. Амплитуда процесса 7 ^ 77 в сильном магнитном поле . 47
4. Вероятность расщепления фотона 49
5. Обсуждения и выводы 54
Глава III. Затухание фотона в результате рождения электрон-позитрон- ной пары в сильном магнитном поле 57
1. Введение 57
2. Затухание электромагнитной волны в сильном магнитном
поле 60
Глава IV. Фотон-нейтринные процессы v ^ VY и VY ^ v в сильно замагниченной плазме 69
-3¬1. Введение 69
2. Вычисление амплитуды 70
3. Вычисление вероятности процессов 79
Заключение 86
Приложение А 89
Приложение Б 90
Приложение В 92
Приложение Г 93
Приложение Д 95
Литература 98
Глава I. Двухфотонное рождение нейтринной пары в сильном магнитном поле 13
1. Введение 13
2. Вершина VVYY 17
3. Нейтринная светимость фотонного газа 27
Глава II. Расщепление фотона на два фотона в сильном магнитном поле 38
1. Введение 38
2. Кинематика расщепления фотона y ^ 77 42
3. Амплитуда процесса 7 ^ 77 в сильном магнитном поле . 47
4. Вероятность расщепления фотона 49
5. Обсуждения и выводы 54
Глава III. Затухание фотона в результате рождения электрон-позитрон- ной пары в сильном магнитном поле 57
1. Введение 57
2. Затухание электромагнитной волны в сильном магнитном
поле 60
Глава IV. Фотон-нейтринные процессы v ^ VY и VY ^ v в сильно замагниченной плазме 69
-3¬1. Введение 69
2. Вычисление амплитуды 70
3. Вычисление вероятности процессов 79
Заключение 86
Приложение А 89
Приложение Б 90
Приложение В 92
Приложение Г 93
Приложение Д 95
Литература 98
В настоящее время одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов физики является космомикрофизика - относительно недавно возникшая научная дисциплина, лежащая на пересечении физики элементарных частиц, астрофизики и космологии [1-3]. Основными объектами исследования космомикрофизика являются ранняя Вселенная и астрофизические объекты, в которых реализуются экстремальные физические условия. Для понимания процессов, которые происходят в таких объектах с одной стороны требуется привлечение теории элементарных частиц. С другой стороны, элементарные частицы - фотоны, нейтрино и космические лучи являются в настоящее время основными источниками информации о наиболее грандиозных явления во Вселенной. Все это дает основание рассматривать раннюю Вселенную и многие астрофизические объекты как гигантские естественные лаборатории физики элементарных частиц, намного превосходящие по своим возможностям наземные ускорители. Именно из астрофизических наблюдений в настоящее время получают наиболее сильные ограничения на свойства как известных, так и гипотетических частиц и на параметры их взаимодействия.
Известны три основных метода, позволяющие использовать звезды в качестве лабораторий физики частиц. Во-первых, звезды - естественные источники фотонов и нейтрино, детектируемых на Земле. Поскольку эти частицы проходят значительные расстояния до того момента, как они попадают в детектор, представляет несомненный интерес исследование эффектов дисперсии и распространения, включая осцилляции нейтрино или аксионфотонные осцилляции в магнитных полях. Хорошо известно, что расхождение между предсказанными теоретически и полученным
-5
экспериментальным путем спектрами нейтрино [4-6] является наиболее ярким указанием на возможное существование осцилляций и ненулевых масс нейтрино. Эта гипотеза была блестяще подтверждена в эксперименте на тяжелой воде, осуществленном в Солнечной Нейтринной Обсерватории (SNO) в Садбери, Канада [7-9]. В эксперименте измерялись отдельно полный поток нейтрино всех типов от Солнца и поток только электронных нейтрино. Результаты этого эксперимента находятся в пол¬ном согласии с так называемой Стандартной Солнечной Моделью [10]. Таким образом, подтверждение гипотезы об осцилляции нейтрино несомненно является одним из самых значительных достижений космомикрофизика за последнее время.
Во-вторых, поиск фотонов или доступных измерению нейтрино как продуктов распада частиц от удаленных источников также является эффективным методом исследования. Так отсутствие ж- и 7-лучей от Солнца дает более строгое (9 порядков), чем лабораторные измерения ограничение на радиационный распад нейтрино. Наиболее жесткое ограничение
- отсутствие 7-лучей от SN 1987А - позволяет, например, заключить, что даже vT должны подчиняться космологическому пределу mv < 30 эВ, если только не существуют новые невидимые каналы распада.
В третьих, излучение слабовзаимодействуюгцих частиц приводит к потере энергии астрофизическими объектами. Эффекты, обусловленные излучением нейтрино уже включены в теоретические описания эволюции звезд. Если бы существовали другие легкие частицы, такие как аксион, или же нейтрино имели новые взаимодействия как, например, предполагаемый магнитный дипольный момент, тогда звезды теряли бы энергию слишком быстро. Сравнение с результатами астрономических наблюдений позволяет получить более жесткие ограничения на новые взаимодействия частиц.
Изучение элементарных процессов в астрофизических условиях имеет свои особенности. Помимо высоких температур и больших плотностей материи в таких объектах, необходимо так же учитывать наличие интенсивного электромагнитного поля, которое может генерироваться внутри них. Отметим, что сильное электромагнитное поле может про¬являть себя как среда, которая существенно влияет как на дисперсионные свойства частиц, так и на их взаимодействие друг с другом. Наиболее сильно это проявляется, когда величина напряженности магнитного поля становится больше так называемого критического значения
В каких астрофизических объектах могут генерироваться магнитные поля такой напряженности? До недавнего времени считалось, что наиболее сильные магнитные поля существуют в пульсарах - астрофизических объектах, которые ассоциируются с быстро вращающимися нейтронными звездами. У большинства пульсаров наблюдается уменьшение периода вращения со временем, что обычно связывается с потерями кинетической энергии вращения за счет магнитодипольного излучения. Тогда для стандартных параметров нейтронных звезд, M ~ 1.4M®, R ~ 106 см, величина магнитного поля на полюсах определяется следующей формулой:
где P - период вращения пульсара в секундах. Наблюдения показывают, что типичные напряженности магнитного поля у большинства пульса¬ров не превосходят 1012 Гс. Однако в начале 90-х годов была предложе-
1 Мы используем естественную систему единиц c = h =1. e > 0 - элементарный заряд.
Be = m2/e ~ 4.41 • 1013 Гс 1.
-7
на теоретическая модель генерации магнитного поля внутри нейтронной звезды с величиной напряженности вплоть до 1016 Гс [11,12]. Нейтронные звезды с магнитным полем B ^ Be получили название “магнита- ры”. Такое сильное магнитное поле может сгенерироваться вследствие очень быстрого вращения нейтронной звезды (P ~ 1 мс) на самых ран¬них этапах ее образования. Модель “магнитара” была использована для объяснения мощных вспышек гамма- и рентгеновского излучения, про¬исходящих от так называемых мягких повторяющихся гамма-всплесков (SGR). В 1998 году впервые был измерен не только период одного из таких объектов, SGR 1806-20, но так же и скорость изменения периода со временем [13]. Оценка магнитного поля SGR 1806-20 дала величину B ~ 8 • 1014 Гс. Это наблюдение было одним из первых экспериментальных свидетельств в пользу мигнитарной модели. Позднее были обнаружены еще несколько подобных объектов [14, 15]. Отметим также, что к магнитарам в настоящее время относится и ряд так называемых аномальных рентгеновских пульсаров (АХР). Еще одним аргументом в пользу мигнитарной модели стало недавнее наблюдение детали спектра SGR 1806-20, которая интерпретируется как протонная циклотронная линия [16,17]. Напряженность магнитного поля, которое соответствует данной циклотронной линии, B ~ 1 • 1015 Гс, находится в хорошем согласии с величиной, полученной из оценок, основанных на магнитодипольном механизме потери кинетической энергии вращения нейтронной звездой. В настоящее время уже известно около десятка SGR и АХР, у которые величина напряженности магнитного поля на несколько порядного поля (B ~ 1018 Гс). Она определяется равенством энергии магнитного поля и гравитационной энергии связи нейтронной звезды. Более сильные стационарные магнитные поля по-видимому не могут существовать в нейтронных звездах.
Существует еще один класс астрофизических явлений, в которых, в принципе, может генерироваться сверхсильное магнитное поле. К нему относится процесс взрыва сверхновой типа II. Сверхновые этого типа связывают с молодыми массивными звездами. Поэтому вспышки сверхновых считаются конечной стадией эволюции звезд с массой 8 — 10 M®. На этой стадии в начале происходит коллапс, а затем сброс оболочки с образованием остатка в виде нейтронной звезды или черной дыры.
Известны три основных метода, позволяющие использовать звезды в качестве лабораторий физики частиц. Во-первых, звезды - естественные источники фотонов и нейтрино, детектируемых на Земле. Поскольку эти частицы проходят значительные расстояния до того момента, как они попадают в детектор, представляет несомненный интерес исследование эффектов дисперсии и распространения, включая осцилляции нейтрино или аксионфотонные осцилляции в магнитных полях. Хорошо известно, что расхождение между предсказанными теоретически и полученным
-5
экспериментальным путем спектрами нейтрино [4-6] является наиболее ярким указанием на возможное существование осцилляций и ненулевых масс нейтрино. Эта гипотеза была блестяще подтверждена в эксперименте на тяжелой воде, осуществленном в Солнечной Нейтринной Обсерватории (SNO) в Садбери, Канада [7-9]. В эксперименте измерялись отдельно полный поток нейтрино всех типов от Солнца и поток только электронных нейтрино. Результаты этого эксперимента находятся в пол¬ном согласии с так называемой Стандартной Солнечной Моделью [10]. Таким образом, подтверждение гипотезы об осцилляции нейтрино несомненно является одним из самых значительных достижений космомикрофизика за последнее время.
Во-вторых, поиск фотонов или доступных измерению нейтрино как продуктов распада частиц от удаленных источников также является эффективным методом исследования. Так отсутствие ж- и 7-лучей от Солнца дает более строгое (9 порядков), чем лабораторные измерения ограничение на радиационный распад нейтрино. Наиболее жесткое ограничение
- отсутствие 7-лучей от SN 1987А - позволяет, например, заключить, что даже vT должны подчиняться космологическому пределу mv < 30 эВ, если только не существуют новые невидимые каналы распада.
В третьих, излучение слабовзаимодействуюгцих частиц приводит к потере энергии астрофизическими объектами. Эффекты, обусловленные излучением нейтрино уже включены в теоретические описания эволюции звезд. Если бы существовали другие легкие частицы, такие как аксион, или же нейтрино имели новые взаимодействия как, например, предполагаемый магнитный дипольный момент, тогда звезды теряли бы энергию слишком быстро. Сравнение с результатами астрономических наблюдений позволяет получить более жесткие ограничения на новые взаимодействия частиц.
Изучение элементарных процессов в астрофизических условиях имеет свои особенности. Помимо высоких температур и больших плотностей материи в таких объектах, необходимо так же учитывать наличие интенсивного электромагнитного поля, которое может генерироваться внутри них. Отметим, что сильное электромагнитное поле может про¬являть себя как среда, которая существенно влияет как на дисперсионные свойства частиц, так и на их взаимодействие друг с другом. Наиболее сильно это проявляется, когда величина напряженности магнитного поля становится больше так называемого критического значения
В каких астрофизических объектах могут генерироваться магнитные поля такой напряженности? До недавнего времени считалось, что наиболее сильные магнитные поля существуют в пульсарах - астрофизических объектах, которые ассоциируются с быстро вращающимися нейтронными звездами. У большинства пульсаров наблюдается уменьшение периода вращения со временем, что обычно связывается с потерями кинетической энергии вращения за счет магнитодипольного излучения. Тогда для стандартных параметров нейтронных звезд, M ~ 1.4M®, R ~ 106 см, величина магнитного поля на полюсах определяется следующей формулой:
где P - период вращения пульсара в секундах. Наблюдения показывают, что типичные напряженности магнитного поля у большинства пульса¬ров не превосходят 1012 Гс. Однако в начале 90-х годов была предложе-
1 Мы используем естественную систему единиц c = h =1. e > 0 - элементарный заряд.
Be = m2/e ~ 4.41 • 1013 Гс 1.
-7
на теоретическая модель генерации магнитного поля внутри нейтронной звезды с величиной напряженности вплоть до 1016 Гс [11,12]. Нейтронные звезды с магнитным полем B ^ Be получили название “магнита- ры”. Такое сильное магнитное поле может сгенерироваться вследствие очень быстрого вращения нейтронной звезды (P ~ 1 мс) на самых ран¬них этапах ее образования. Модель “магнитара” была использована для объяснения мощных вспышек гамма- и рентгеновского излучения, про¬исходящих от так называемых мягких повторяющихся гамма-всплесков (SGR). В 1998 году впервые был измерен не только период одного из таких объектов, SGR 1806-20, но так же и скорость изменения периода со временем [13]. Оценка магнитного поля SGR 1806-20 дала величину B ~ 8 • 1014 Гс. Это наблюдение было одним из первых экспериментальных свидетельств в пользу мигнитарной модели. Позднее были обнаружены еще несколько подобных объектов [14, 15]. Отметим также, что к магнитарам в настоящее время относится и ряд так называемых аномальных рентгеновских пульсаров (АХР). Еще одним аргументом в пользу мигнитарной модели стало недавнее наблюдение детали спектра SGR 1806-20, которая интерпретируется как протонная циклотронная линия [16,17]. Напряженность магнитного поля, которое соответствует данной циклотронной линии, B ~ 1 • 1015 Гс, находится в хорошем согласии с величиной, полученной из оценок, основанных на магнитодипольном механизме потери кинетической энергии вращения нейтронной звездой. В настоящее время уже известно около десятка SGR и АХР, у которые величина напряженности магнитного поля на несколько порядного поля (B ~ 1018 Гс). Она определяется равенством энергии магнитного поля и гравитационной энергии связи нейтронной звезды. Более сильные стационарные магнитные поля по-видимому не могут существовать в нейтронных звездах.
Существует еще один класс астрофизических явлений, в которых, в принципе, может генерироваться сверхсильное магнитное поле. К нему относится процесс взрыва сверхновой типа II. Сверхновые этого типа связывают с молодыми массивными звездами. Поэтому вспышки сверхновых считаются конечной стадией эволюции звезд с массой 8 — 10 M®. На этой стадии в начале происходит коллапс, а затем сброс оболочки с образованием остатка в виде нейтронной звезды или черной дыры.
В настоящей диссертации исследуются процессы участием фотонов и нейтрино в присутствии внешнего сильного магнитного поля и горячей плотной плазмы плазмы.
В диссертации представлены следующие результаты:
1. Исследованы процессы двухфотонного рождения нейтринной пары 77 ^ vv и y ^ vvy в сильном магнитном поле. Получено выражение для эффективного YYvv-взаимодействия в общем случае, когда все внешние частицы находятся вне массовой поверхности. Вычислены инвариантные амплитуды для различных поляризаций фотонов. Получены оценки для нейтринной светимости фотонного газа в пре¬деле малых и больших температур. Численно найдены зависимости вкладов в нейтринную светимость процессов yY ^ vV и y ^ vVy ОТ величины магнитного поля. Показано, что данный процесс являет¬ся одним из доминирующих фотон-нейтринных процессов в сильном магнитном поле.
2. Получена амплитуда и вероятность расщепления фотона на два фо¬тона y ^ YY в магнитном поле с напряженностью B ^ Be с учетом перенормировки волновой функции и дисперсии фотона. Вычисле¬ны инвариантные амплитуды для различных поляризаций фотонов в пределе, когда значение напряженности магнитного поля много больше его критического значения. В кол линеарном приближении выражение для амплитуды капала 1 ^ 2 2 совпадает с результатом, полученным ранее. Из анализа кинематики процесса и полученных амплитуд следует, что неподавленными оказываются четыре канала
-87
расщепления: 1 ^ 2 2,1 ^ 12,2 ^ 12,2 ^ 2 2. Для первых двух каналов, представляющих интерес в астрофизических приложени¬ях, численно найдены вероятности расщепления. В пределе боль¬ших энергий начального фотона удалось получить аналитическое выражение для спектра и полной вероятности “распада” фотона по каналу 1 ^ 12.
3. Исследовано затухание электромагнитной волны в присутствии силь¬ного магнитного поля в кинематической области близкой к порогу рождения электрон-позитронной пары. Показано, что в данной об¬ласти неэкспоненциальный характер затухания электромагнитного поля усилен. Обнаружено, что эффективная ширина распада фото¬на, y ^ e+e-7 существенно меньше по сравнению с известными в литературе результатами.
4. Изучены фотон-нейтринные процессы v ^ vy и yv ^ v в при¬сутствии плазмы и сильного магнитного поля. Найдены амплитуды соответствующие этим процессам. Вычислена вероятность перехо¬дов v ^ vy и yv ^ v с учетом перенормировки волновой функ¬ции и дисперсии фотона в сильном магнитном поле. Показано, что присутствие плазмы уменьшает вероятность процесса v ^ vy ПО сравнению с вероятностью этого процесса в чистом магнитном по¬ле. Вероятность перехода yv ^ v не зависит от энергии начального нейтрино и пренебрежимо мала по сравнению с WV^V1 в пределе низких температур. Получены величины средних потерей энергии и импульса нейтрино, которые могут быть использованы при анализе нейтринных процессов в астрофизических условиях.
-88
Основные результаты диссертации содержатся в [44-46,78-83,94,107— 110].
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, профессору Николаю Владимировичу Михееву за постоянное внимание к работе, обсуждение полученных результатов, советы и помощь, ока¬занные ему при выполнении диссертации. Автору приятно поблагода¬рить Л.А. Василевскую, А.Я. Пархоменко, А.А. Гвоздева, А.В. Кузне¬цова, Д.А. Румянцева, Е.Н. Нирынекую и И.С. Огнева за поддержку. Автор благодарит также проф. В.А. Рубакова, проф. М.И. Высоцкого, проф. В.Б. Семикоза, проф. С.С. Герштейна, проф. А.Д. Каменкера за полезные обсуждения.
В диссертации представлены следующие результаты:
1. Исследованы процессы двухфотонного рождения нейтринной пары 77 ^ vv и y ^ vvy в сильном магнитном поле. Получено выражение для эффективного YYvv-взаимодействия в общем случае, когда все внешние частицы находятся вне массовой поверхности. Вычислены инвариантные амплитуды для различных поляризаций фотонов. Получены оценки для нейтринной светимости фотонного газа в пре¬деле малых и больших температур. Численно найдены зависимости вкладов в нейтринную светимость процессов yY ^ vV и y ^ vVy ОТ величины магнитного поля. Показано, что данный процесс являет¬ся одним из доминирующих фотон-нейтринных процессов в сильном магнитном поле.
2. Получена амплитуда и вероятность расщепления фотона на два фо¬тона y ^ YY в магнитном поле с напряженностью B ^ Be с учетом перенормировки волновой функции и дисперсии фотона. Вычисле¬ны инвариантные амплитуды для различных поляризаций фотонов в пределе, когда значение напряженности магнитного поля много больше его критического значения. В кол линеарном приближении выражение для амплитуды капала 1 ^ 2 2 совпадает с результатом, полученным ранее. Из анализа кинематики процесса и полученных амплитуд следует, что неподавленными оказываются четыре канала
-87
расщепления: 1 ^ 2 2,1 ^ 12,2 ^ 12,2 ^ 2 2. Для первых двух каналов, представляющих интерес в астрофизических приложени¬ях, численно найдены вероятности расщепления. В пределе боль¬ших энергий начального фотона удалось получить аналитическое выражение для спектра и полной вероятности “распада” фотона по каналу 1 ^ 12.
3. Исследовано затухание электромагнитной волны в присутствии силь¬ного магнитного поля в кинематической области близкой к порогу рождения электрон-позитронной пары. Показано, что в данной об¬ласти неэкспоненциальный характер затухания электромагнитного поля усилен. Обнаружено, что эффективная ширина распада фото¬на, y ^ e+e-7 существенно меньше по сравнению с известными в литературе результатами.
4. Изучены фотон-нейтринные процессы v ^ vy и yv ^ v в при¬сутствии плазмы и сильного магнитного поля. Найдены амплитуды соответствующие этим процессам. Вычислена вероятность перехо¬дов v ^ vy и yv ^ v с учетом перенормировки волновой функ¬ции и дисперсии фотона в сильном магнитном поле. Показано, что присутствие плазмы уменьшает вероятность процесса v ^ vy ПО сравнению с вероятностью этого процесса в чистом магнитном по¬ле. Вероятность перехода yv ^ v не зависит от энергии начального нейтрино и пренебрежимо мала по сравнению с WV^V1 в пределе низких температур. Получены величины средних потерей энергии и импульса нейтрино, которые могут быть использованы при анализе нейтринных процессов в астрофизических условиях.
-88
Основные результаты диссертации содержатся в [44-46,78-83,94,107— 110].
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, профессору Николаю Владимировичу Михееву за постоянное внимание к работе, обсуждение полученных результатов, советы и помощь, ока¬занные ему при выполнении диссертации. Автору приятно поблагода¬рить Л.А. Василевскую, А.Я. Пархоменко, А.А. Гвоздева, А.В. Кузне¬цова, Д.А. Румянцева, Е.Н. Нирынекую и И.С. Огнева за поддержку. Автор благодарит также проф. В.А. Рубакова, проф. М.И. Высоцкого, проф. В.Б. Семикоза, проф. С.С. Герштейна, проф. А.Д. Каменкера за полезные обсуждения.



