НЕЙТРИННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ (01.04.02 )
|
Введение 6
Основные обозначения 23
Глава I Нейтринное рождение лептонных пар
во внешнем электромагнитном поле 24
1 Нейтринное излучение электрон-позитронной пары
в сильном магнитном поле 24
1.1. Введение 24
1.2. Расчет дифференциальной вероятности на основе решений уравнения Дирака 26
1.3. Полная вероятность процесса 28
2. Процесс v —>• ре^е+ в скрещенном поле 32
2.1. Введение 32
2.2. Расчет дифференциальной вероятности на основе решений уравнения Дирака 34
2.3. Полная вероятность процесса 41
2.4. Обобщение на случай процесса с различными лептонами v —>• vll2 46
3. Возможные астрофизические проявления процесса
v —>• ve^e+ во внешнем магнитном поле 49
3.1. Средняя потеря энергии и импульса нейтрино .. 49
3.2. Применимость результатов в присутствии
плотной плазмы 51
3.3. Возможные астрофизические следствия 52
3
Глава II Взаимодействие нейтрино с сильно замагниченной
электрон - позитронной плазмой 56
1. Что мы понимаем под сильно замагниченной
е^е+ плазмой 57
2. Нейтрино - электронные процессы в сильно
замагниченной плазме. Кинематический анализ 59
3. Вероятность процесса v —>• ve^e+ 62
4. Полная вероятность взаимодействия нейтрино
с замагниченной электрон - позитронной плазмой ... 67
5. Средние потери энергии и импульса нейтрино 73
6. Интегральное действие нейтрино
на замагниченную плазму
Глава III Комптоноподобное взаимодействие нейтрино
с фотонами JP —>• JP 84
1. Амплитуда процесса 77 —»• w и вакууме 84
1.1. Стандартное слабое взаимодействие 84
1.2. Модель с нарушенной лево-правой симметрией . 86
1.3. Случай виртуальных фотонов 88
2. Рассеяние нейтрино в кулоновском поле ядра 93
Глава IV Двухвершинные однопетлевые процессы
во внешнем электромагнитном поле 96
1. Обобщенная двухточечная петлевая амплитуда
j —>• // —>• j' во внешнем электромагнитном поле .... 96
1.1. Магнитное поле 96
1.2. Скрещенное поле 103
2. Эффективный лагранжиан vvy - взаимодействия ... 107
3. Нейтринный распад фотона 7 —>• vv 116
4. Вычисление вероятности распада v —>• ve^e+
на основе мнимой части петлевой диаграммы 122
-4
Глава V Трехвершинные однопетлевые процессы
во внешнем электромагнитном поле 125
1 злияние внешнего поля на процесс 77 —>• vv 125
2. Общий анализ трехвершинного петлевого процесса
в сильном магнитном поле 126
3. Амплитуда и сечение процесса 77 w и модели
с нарушенной лево - правой симметрией 129
4. Проявления процесса 77 —>• vv в астрофизике 131
5. Фоторождение нейтрино на ядрах
в сильном магнитном поле 133
6. Расщепление фотона 7 —>• 77
в сильном магнитном поле 141
6.1. Введение 141
6.2. Кинематика расщепления фотона 7 —>• 77 143
6.3. Амплитуда процесса 7 —>• 77
в сильном магнитном поле 145
6.4. Вероятность расщепления фотона 148
Глава VI Массовый оператор электрона в сильном магнитном
поле и динамическое нарушение киральной симметрии . 155
1. Массовый оператор электрона в сильном магнитном
поле, дважды логарифмическая асимптотика 156
1.1. Однопетлевой вклад 156
1.2. Многопетлевые вклады 159
2. Однологарифмическая асимптотика
массового оператора 160
3. Вклад высших уровней Ландау 161
4. Многопетлевой вклад в массовый оператор электрона 163
5. Массовый оператор в сверхсильном поле 165
6. Динамическая масса электрона в магнитном поле ... 170
-5
Глава VII Ограничения на параметры модели Пати - Салама
с кварк-лептонной симметрией из анализа
нейтринных процессов в астрофизике и космологии .... 174
1. Новый тип смешивания в рамках минимальной
кварк-лептонной симметрии 174
1.1. Формулировка модели 175
1.2. Лагранжиан взаимодействия кварк-лептонных токов с лептокварками
1.3. Эффективный лагранжиан четырехфермионного
взаимодействия с учетом КХД - поправок 179
2. Ограничения на параметры схемы, следующие из
низкоэнергетических процессов 182
2.1. ц — е универсальность в тт£2 и К£2 распадах ... 182
2.2. Редкие распады i^-мезопов 184
2.3. fi — е-конверсия на ядре 185
2.4. Редкие распады г—лептона и В—мезонов 186
2.5. Распад 7г° —>• vv 190
2.6. Комбинированная оценка на массу лептокварка
из ускорительных данных 192
3. Распады мюона с несохранением лептонного числа
в модели Пати - Салама 193
Заключение 201
Приложение А 210
Приложение В 214
Литература 218
Основные обозначения 23
Глава I Нейтринное рождение лептонных пар
во внешнем электромагнитном поле 24
1 Нейтринное излучение электрон-позитронной пары
в сильном магнитном поле 24
1.1. Введение 24
1.2. Расчет дифференциальной вероятности на основе решений уравнения Дирака 26
1.3. Полная вероятность процесса 28
2. Процесс v —>• ре^е+ в скрещенном поле 32
2.1. Введение 32
2.2. Расчет дифференциальной вероятности на основе решений уравнения Дирака 34
2.3. Полная вероятность процесса 41
2.4. Обобщение на случай процесса с различными лептонами v —>• vll2 46
3. Возможные астрофизические проявления процесса
v —>• ve^e+ во внешнем магнитном поле 49
3.1. Средняя потеря энергии и импульса нейтрино .. 49
3.2. Применимость результатов в присутствии
плотной плазмы 51
3.3. Возможные астрофизические следствия 52
3
Глава II Взаимодействие нейтрино с сильно замагниченной
электрон - позитронной плазмой 56
1. Что мы понимаем под сильно замагниченной
е^е+ плазмой 57
2. Нейтрино - электронные процессы в сильно
замагниченной плазме. Кинематический анализ 59
3. Вероятность процесса v —>• ve^e+ 62
4. Полная вероятность взаимодействия нейтрино
с замагниченной электрон - позитронной плазмой ... 67
5. Средние потери энергии и импульса нейтрино 73
6. Интегральное действие нейтрино
на замагниченную плазму
Глава III Комптоноподобное взаимодействие нейтрино
с фотонами JP —>• JP 84
1. Амплитуда процесса 77 —»• w и вакууме 84
1.1. Стандартное слабое взаимодействие 84
1.2. Модель с нарушенной лево-правой симметрией . 86
1.3. Случай виртуальных фотонов 88
2. Рассеяние нейтрино в кулоновском поле ядра 93
Глава IV Двухвершинные однопетлевые процессы
во внешнем электромагнитном поле 96
1. Обобщенная двухточечная петлевая амплитуда
j —>• // —>• j' во внешнем электромагнитном поле .... 96
1.1. Магнитное поле 96
1.2. Скрещенное поле 103
2. Эффективный лагранжиан vvy - взаимодействия ... 107
3. Нейтринный распад фотона 7 —>• vv 116
4. Вычисление вероятности распада v —>• ve^e+
на основе мнимой части петлевой диаграммы 122
-4
Глава V Трехвершинные однопетлевые процессы
во внешнем электромагнитном поле 125
1 злияние внешнего поля на процесс 77 —>• vv 125
2. Общий анализ трехвершинного петлевого процесса
в сильном магнитном поле 126
3. Амплитуда и сечение процесса 77 w и модели
с нарушенной лево - правой симметрией 129
4. Проявления процесса 77 —>• vv в астрофизике 131
5. Фоторождение нейтрино на ядрах
в сильном магнитном поле 133
6. Расщепление фотона 7 —>• 77
в сильном магнитном поле 141
6.1. Введение 141
6.2. Кинематика расщепления фотона 7 —>• 77 143
6.3. Амплитуда процесса 7 —>• 77
в сильном магнитном поле 145
6.4. Вероятность расщепления фотона 148
Глава VI Массовый оператор электрона в сильном магнитном
поле и динамическое нарушение киральной симметрии . 155
1. Массовый оператор электрона в сильном магнитном
поле, дважды логарифмическая асимптотика 156
1.1. Однопетлевой вклад 156
1.2. Многопетлевые вклады 159
2. Однологарифмическая асимптотика
массового оператора 160
3. Вклад высших уровней Ландау 161
4. Многопетлевой вклад в массовый оператор электрона 163
5. Массовый оператор в сверхсильном поле 165
6. Динамическая масса электрона в магнитном поле ... 170
-5
Глава VII Ограничения на параметры модели Пати - Салама
с кварк-лептонной симметрией из анализа
нейтринных процессов в астрофизике и космологии .... 174
1. Новый тип смешивания в рамках минимальной
кварк-лептонной симметрии 174
1.1. Формулировка модели 175
1.2. Лагранжиан взаимодействия кварк-лептонных токов с лептокварками
1.3. Эффективный лагранжиан четырехфермионного
взаимодействия с учетом КХД - поправок 179
2. Ограничения на параметры схемы, следующие из
низкоэнергетических процессов 182
2.1. ц — е универсальность в тт£2 и К£2 распадах ... 182
2.2. Редкие распады i^-мезопов 184
2.3. fi — е-конверсия на ядре 185
2.4. Редкие распады г—лептона и В—мезонов 186
2.5. Распад 7г° —>• vv 190
2.6. Комбинированная оценка на массу лептокварка
из ускорительных данных 192
3. Распады мюона с несохранением лептонного числа
в модели Пати - Салама 193
Заключение 201
Приложение А 210
Приложение В 214
Литература 218
В последние десятилетия одной из наиболее бурно развивающихся физических наук является космомикрофизика, или астрофизика элементарных частиц, лежащая на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии [1-3]. Важнейшим стимулом ее развития стало понимание важной роли квантовых процессов в динамике астрофизических объектов, а также в ранней Вселенной. С другой стороны, экстремальные физические условия, существующие внутри таких объектов, а именно, наличие горячей плотной плазмы и сильных электромагнитных полей, должны оказывать существенное влияние на протекание квантовых процессов, открывая или значительно усиливая реакции, кинематически запрещенные или сильно подавленные в вакууме. В связи с этим наблюдается устойчивый интерес к исследованиям взаимодействий элементарных частиц во внешней активной среде, в том числе - в сильном магнитном поле.
Однако указанное влияние поля является существенным только случае его достаточно большой интенсивности. Существует естественный масштаб величины магнитного поля, так называемое критическое значение Ве = тЦе ~ 4.41 • 1013 Гс 1. Имеются аргументы в пользу того, что поля такого и большего масштаба могут существовать в астрофизических объектах. Так, существует класс звезд, так называемые повторные источники мягких гамма-всплесков (SGR - soft gamma repeaters), которые интерпретируются, как нейтронные звезды с магнитными полями величиной ~ 4-1014 Гс [4,5]. Обсуждаются модели астрофизических процессов и объектов с магнитными полями, достигающими 1017 — 1018 Гс,
1 Мы используем естественную систему единиц с = h = 1. е > 0 — элементарный заряд.
-7
как тороидального [6,7], так и полоидального типа [8-10].
Интересно проследить эволюцию взглядов на понятие “сильное магнитное поле” в астрофизике, см рис. 1. Если около тридцати лет назад
Bocquet et al. (1995), Cardall et al. (2001)
Рис. 1: Эволюция представлений о величине сильного магнитного поля в астрофизике.
магнитные поля с напряженностью 109 -j- 1011 Гс рассматривались как “очень сильные” [11], то сейчас принято считать, что поля ~ 1012 -j- 1013 Гс, наблюдаемые на поверхности пульсаров, есть так называемые “старые” магнитные поля [12], так что в момент катаклизма, в котором родилась нейтронная звезда, поля могли быть существенно больше.
В условиях ранней Вселенной на стадии электрослабого фазового перехода, в принципе, могли бы возникать сильные, так называемые “первичные” магнитные поля с напряженностью порядка 1024 Гс [13] и даже более (~ 1033 Гс [14]), существование которых объяснило бы, например, наличие крупномасштабных (~ 100 килопарсек) магнитных полей с напряженностью ~ 10^21 Гс на современной стадии. Причина возникновения первичных полей и динамика их развития в расширяющейся Вселенной является предметом интенсивного исследования в настоящее время, см. например, обзор [15] и цитированные там работы.
Отметим, что, в отличие от магнитного, для электрического поля значение Ве является предельным, так как генерация в макроскопической области пространства электрического поля порядка критического приведет к интенсивному рождению электрон - позитронных пар из вакуума, что эквивалентно короткому замыканию “машины”, генерирующей электрическое поле. С другой стороны, магнитное поле, в силу устойчивости вакуума, может превышать критическое значение Ве. Более того, магнитное поле играет стабилизирующую роль, если оно направлено перпендикулярно электрическому. В такой конфигурации электрическое поле
8 может превышать критическое значение Ве. В инвариантной форме условие стабильности вакуума можно записать в виде:
= 2 (В2 - е2) > 0.
До настоящего времени в астрофизических расчетах процессов типа взрывов сверхновых решались в сущности одномерные задачи, а в анализе влияния активной среды на квантовые процессы присутствовал только вклад плазмы. Однако имеются серьезные аргументы в пользу того, что физика сверхновых значительно сложнее. В частности, необходим учет вращения оболочки а также возможного наличия сильного магнитного поля, причем эти два феномена оказываются связаны между собой. Действительно, если величина магнитного поля, развиваемого при коллапсе ядра сверхновой, может достигать критического значения ~ 1013 Гс, то наличие вращения может приводить к возникновению тороидального магнитного поля, с увеличением интенсивности поля на дополнительный фактор 103 - 104 [6,7].
-9
При таких астрофизических явлениях, как звездный коллапс, отсутствие сильных магнитных полей представляется скорее экзотическим, чем типичным случаем. Действительно, уместно обсудить следующий ряд вопросов.
1. Что может считаться более экзотическим объектом: звезда, обладающая магнитным полем или звезда без него? Насколько мы знаем астродинамику, звезда без магнитного поля должна скорее считаться экзотическим, чем типичным объектом. Точно так же для предсверхновой может считаться естественным наличие первичного магнитного поля. Как известно, первичное магнитное поле на уровне 100 Гс в процессе коллапса приведет, за счет сохранения магнитного потока, к генерации поля масштаба 1012 - 1013 Гс.
2. Что может рассматриваться, как более типичный случай: звезда, обладающая вращением, или звезда без вращения? По-видимому, звезда без вращения выглядит более экзотическим объектом.
3. Какой вид коллапса выглядит более экзотическим: сжатие без градиента или с градиентом угловой скорости? Поскольку скорости на периферии сжимающегося астрофизического объекта могут достигать релятивистского масштаба, сжатие с дифференциальным вращением, то есть с градиентом угловой скорости выглядит более вероятным.
Все перечисленные моменты необходимы для реализации сценария ротационного взрыва сверхновой Г.С. Бисноватого-Когана [6,7]. Основной деталью данного сценария является то, что исходно полоидальные магнитные силовые линии поля с напряженностью 1012 - 1013 Гс, благодаря градиенту угловой скорости, закручиваются и уплотняются, образуя практически тороидальное поле с интенсивностью ~ 1015 - 1017 Гс.
Подчеркнем, что такое поле действительно является весьма плотной средой с массовой плотностью
что становится сопоставимым с характерной массовой плотностью обо-
детальных исследованиях таких астрофизических процессов, как коллапс сверхновых, учет влияния комплексной активной среды, включающей как плазму, так и магнитное поле, является насущной необходимостью.
Отметим, что при решении ряда принципиальных задач о взаимодействии частиц с электромагнитным полем большое значение приобрел метод, в котором влияние внешнего поля учитывается не посредством теории возмущений, а на основе точных решений уравнения Дирака во внешнем электромагнитном поле. В квантовой релятивистской теории число случаев, когда уравнение Дирака решается в аналитическом виде, невелико: задача о движении электрона в кулоновском поле (атом водорода), в однородном магнитном поле, в поле плоской электромагнитной волны и в некоторых случаях комбинации однородных электрического и магнитного полей. Расчет конкретных физических явлений предполагает использование диаграммной техники Фейнмана со следующим обобщением: в начальном и конечном состояниях заряженный фермион находится во внешнем поле и описывается решением уравнения Дирака в этом поле, внутренние линии заряженных фермионов соответствуют пропагаторам, построенным на основе этих решений. Данный метод полезен тем, что
(0.1)
лочки взрывающейся сверхновой, Ю10 — 1012 г/см3, Таким образом, при
-И
с его помощью можно анализировать процессы в полях большой напряженности, когда учет влияния поля по теории возмущений уже невозможен. В силу устойчивости вакуума в сверхсильном магнитном поле можно рассматривать процессы в полях с напряженностью, значительно превышающей критическое значение Ве.
Описанный выше метод оказался эффективным при исследовании ряда процессов, идущих в сильных электромагнитных полях и имеющих прикладное значение, таких, как /5-распад в поле интенсивного лазерного излучения, квантовые эффекты при прохождении ультрарелятивистских заряженных частиц через монокристаллы, и другие.
Как известно, физика нейтрино играет определяющую роль в таких астрофизических катаклизмах, как взрывы сверхновых и слияния ней-тронных звезд, а также в ранней Вселенной. Вследствие этого большой интерес представляет изучение нейтринных взаимодействий, в частности, нейтрино - электронных и нейтрино - фотонных процессов во внеш¬ней активной среде. С другой стороны, исследование нейтринных процессов в таких экстремальных физических условиях является интересным с концептуальной точки зрения, поскольку затрагивает фундаментальные проблемы квантовой теории поля.
При анализе конкретных нейтринных процессов в магнитном поле важны соотношения между тремя основными физическими параметра¬ми. Один из них это - величина ( В. характеризующая интенсивность поля, другим важным параметром является масштаб энергий Е начальной частицы или частиц. Наконец, третьим параметром является масса заряженного фермиона. В нейтрино - электронных процессах это, очевидно масса электрона. Нейтрино - фотонные процессы идут через фермионную петлю, где, в принципе, присутствуют все фундаментальные заряженные фермионы. Однако основную роль здесь также играет электрон, как частица с максимальным удельным зарядом е/те, наиболее чувствительная к воздействию внешнего поля. В большинстве случаев нас будут интересовать магнитные поля, превышающие критическое значение Ве = т2/е. С другой стороны, в упомянутых астрофизических катаклизмах средние температуры составляют несколько МэВ, так что оправданным является приближение Е те. В связи со сказанным величина те будет считаться наименьшим физическим параметром.
При этом целесообразно рассматривать два предельных случая, в которых расчеты квантовых процессов во внешнем поле значительно упрощаются.
• Предел относительно слабого поля.
Так называют предельный случай, когда энергия частицы является максимальным физическим параметром, Е2 еВ. Это условие можно переписать в релятивистски инвариантной форме. Отметим, что релятивистская инвариантность понимается здесь в узком смысле, относительно лоренц - преобразований вдоль поля (если мы говорим о присутствии только магнитного поля без электрического). Наличие двух ковариантов - тензора поля и 4-импульса частицы piJ- = (Е: р) позволяет, наряду с полевым инвариантом
e2F,wF^ = e2(FF) = -2 е2В2, (0.2)
построить динамический инвариант
e^F^FvppP ее е2(pFFp) = е2В2Е2 sin2 в, (0.3)
13
где 9 - угол между импульсом частицы р и направлением поля В. Инвариант (0.3) чаще всего используется в обезразмеренном виде
х2 = (0.4)
т%
Таким образом, условие “слабости” поля принимает вид
[e2(FF)]3/2 < e2(pFFp). (0.5)
Легко видеть, что условие (0.5) автоматически выполняется в случае скрещенного поля, в котором полевой инвариант строго равен нулю, (FF) = 0. Это позволяет производить вычисления в пределе (0.5), используя приближение скрещенного поля. Отметим, что этот предел обладает достаточной общностью. Действительно, если при движении релятивистской частицы в относительно слабом магнитном поле В < Ве динамический параметр х достаточно велик, то в системе покоя этой частицы поле может оказаться заметно выше критического и будет очень близко к скрещенному полю. Даже в сильном магнитном поле В Ве, но при условии, что х ^ В/Ве, результат, полученный в скрещенном поле, будет правильно описывать лидирующий вклад в вероятность процесса в чисто магнитном поле. Таким образом, расчет в скрещенном поле представляет самостоятельный интерес. Техника вычислений в скрещенном поле была детально разработана А.И. Никишовым и В.И. Ритусом, см. например [16].
• Предел сильного поля.
В этом пределе интенсивность поля В является максимальным физическим параметром, еВ Е2, или в инвариантной форме
[e2(FF)]3/2 > e2(pFFp). (0.6)
В этом случае электроны находятся только на основном уровне Ландау. Поскольку для таких электронов движение в поперечном к полю направлении становится ненаблюдаемым, это также упрощает вычисления. Значительный вклад в развитие техники вычислений в сильном поле сделали В.В. Скобелев и Ю.М. Лоскутов, построившие так называемую “двумерную электродинамику” [17,18], см. также, например, [19] и цитированные там работы. В работах Н.В.Михеева с сотрудниками была развита ковариантная техника вычислений, позволяющая единообразно исследовать как случай сильного поля, так и более общий, когда условие (0.6) не выполняется, см. например [20,21].
По-видимому, первыми исследованиями нейтрино - электронных процессов во внешнем электромагнитном поле были работы, посвященные “синхротронному” излучению нейтринных пар е —>• evv [22] и нейтринному рождению электрон - позитронных пар v —>• ve^e+ [23]. Анализ про¬водился в ситуации относительно слабого магнитного поля, когда энергия начальной частицы является доминирующим параметром, Е2 еВ, что, как уже отмечалось, соответствует приближению скрещенного поля. Позднее указанные процессы исследовались в том же приближении в работах [16,24-31]. В работах [27,28] процесс и —>• ve^e+ также исследовался при произвольных значениях магнитного поля и, в частности, в пределе сильного поля еВ Е2, когда электрон и позитрон могут рождаться только в состояниях, соответствующих основному уровню Ландау.
Однако указанное влияние поля является существенным только случае его достаточно большой интенсивности. Существует естественный масштаб величины магнитного поля, так называемое критическое значение Ве = тЦе ~ 4.41 • 1013 Гс 1. Имеются аргументы в пользу того, что поля такого и большего масштаба могут существовать в астрофизических объектах. Так, существует класс звезд, так называемые повторные источники мягких гамма-всплесков (SGR - soft gamma repeaters), которые интерпретируются, как нейтронные звезды с магнитными полями величиной ~ 4-1014 Гс [4,5]. Обсуждаются модели астрофизических процессов и объектов с магнитными полями, достигающими 1017 — 1018 Гс,
1 Мы используем естественную систему единиц с = h = 1. е > 0 — элементарный заряд.
-7
как тороидального [6,7], так и полоидального типа [8-10].
Интересно проследить эволюцию взглядов на понятие “сильное магнитное поле” в астрофизике, см рис. 1. Если около тридцати лет назад
Bocquet et al. (1995), Cardall et al. (2001)
Рис. 1: Эволюция представлений о величине сильного магнитного поля в астрофизике.
магнитные поля с напряженностью 109 -j- 1011 Гс рассматривались как “очень сильные” [11], то сейчас принято считать, что поля ~ 1012 -j- 1013 Гс, наблюдаемые на поверхности пульсаров, есть так называемые “старые” магнитные поля [12], так что в момент катаклизма, в котором родилась нейтронная звезда, поля могли быть существенно больше.
В условиях ранней Вселенной на стадии электрослабого фазового перехода, в принципе, могли бы возникать сильные, так называемые “первичные” магнитные поля с напряженностью порядка 1024 Гс [13] и даже более (~ 1033 Гс [14]), существование которых объяснило бы, например, наличие крупномасштабных (~ 100 килопарсек) магнитных полей с напряженностью ~ 10^21 Гс на современной стадии. Причина возникновения первичных полей и динамика их развития в расширяющейся Вселенной является предметом интенсивного исследования в настоящее время, см. например, обзор [15] и цитированные там работы.
Отметим, что, в отличие от магнитного, для электрического поля значение Ве является предельным, так как генерация в макроскопической области пространства электрического поля порядка критического приведет к интенсивному рождению электрон - позитронных пар из вакуума, что эквивалентно короткому замыканию “машины”, генерирующей электрическое поле. С другой стороны, магнитное поле, в силу устойчивости вакуума, может превышать критическое значение Ве. Более того, магнитное поле играет стабилизирующую роль, если оно направлено перпендикулярно электрическому. В такой конфигурации электрическое поле
8 может превышать критическое значение Ве. В инвариантной форме условие стабильности вакуума можно записать в виде:
= 2 (В2 - е2) > 0.
До настоящего времени в астрофизических расчетах процессов типа взрывов сверхновых решались в сущности одномерные задачи, а в анализе влияния активной среды на квантовые процессы присутствовал только вклад плазмы. Однако имеются серьезные аргументы в пользу того, что физика сверхновых значительно сложнее. В частности, необходим учет вращения оболочки а также возможного наличия сильного магнитного поля, причем эти два феномена оказываются связаны между собой. Действительно, если величина магнитного поля, развиваемого при коллапсе ядра сверхновой, может достигать критического значения ~ 1013 Гс, то наличие вращения может приводить к возникновению тороидального магнитного поля, с увеличением интенсивности поля на дополнительный фактор 103 - 104 [6,7].
-9
При таких астрофизических явлениях, как звездный коллапс, отсутствие сильных магнитных полей представляется скорее экзотическим, чем типичным случаем. Действительно, уместно обсудить следующий ряд вопросов.
1. Что может считаться более экзотическим объектом: звезда, обладающая магнитным полем или звезда без него? Насколько мы знаем астродинамику, звезда без магнитного поля должна скорее считаться экзотическим, чем типичным объектом. Точно так же для предсверхновой может считаться естественным наличие первичного магнитного поля. Как известно, первичное магнитное поле на уровне 100 Гс в процессе коллапса приведет, за счет сохранения магнитного потока, к генерации поля масштаба 1012 - 1013 Гс.
2. Что может рассматриваться, как более типичный случай: звезда, обладающая вращением, или звезда без вращения? По-видимому, звезда без вращения выглядит более экзотическим объектом.
3. Какой вид коллапса выглядит более экзотическим: сжатие без градиента или с градиентом угловой скорости? Поскольку скорости на периферии сжимающегося астрофизического объекта могут достигать релятивистского масштаба, сжатие с дифференциальным вращением, то есть с градиентом угловой скорости выглядит более вероятным.
Все перечисленные моменты необходимы для реализации сценария ротационного взрыва сверхновой Г.С. Бисноватого-Когана [6,7]. Основной деталью данного сценария является то, что исходно полоидальные магнитные силовые линии поля с напряженностью 1012 - 1013 Гс, благодаря градиенту угловой скорости, закручиваются и уплотняются, образуя практически тороидальное поле с интенсивностью ~ 1015 - 1017 Гс.
Подчеркнем, что такое поле действительно является весьма плотной средой с массовой плотностью
что становится сопоставимым с характерной массовой плотностью обо-
детальных исследованиях таких астрофизических процессов, как коллапс сверхновых, учет влияния комплексной активной среды, включающей как плазму, так и магнитное поле, является насущной необходимостью.
Отметим, что при решении ряда принципиальных задач о взаимодействии частиц с электромагнитным полем большое значение приобрел метод, в котором влияние внешнего поля учитывается не посредством теории возмущений, а на основе точных решений уравнения Дирака во внешнем электромагнитном поле. В квантовой релятивистской теории число случаев, когда уравнение Дирака решается в аналитическом виде, невелико: задача о движении электрона в кулоновском поле (атом водорода), в однородном магнитном поле, в поле плоской электромагнитной волны и в некоторых случаях комбинации однородных электрического и магнитного полей. Расчет конкретных физических явлений предполагает использование диаграммной техники Фейнмана со следующим обобщением: в начальном и конечном состояниях заряженный фермион находится во внешнем поле и описывается решением уравнения Дирака в этом поле, внутренние линии заряженных фермионов соответствуют пропагаторам, построенным на основе этих решений. Данный метод полезен тем, что
(0.1)
лочки взрывающейся сверхновой, Ю10 — 1012 г/см3, Таким образом, при
-И
с его помощью можно анализировать процессы в полях большой напряженности, когда учет влияния поля по теории возмущений уже невозможен. В силу устойчивости вакуума в сверхсильном магнитном поле можно рассматривать процессы в полях с напряженностью, значительно превышающей критическое значение Ве.
Описанный выше метод оказался эффективным при исследовании ряда процессов, идущих в сильных электромагнитных полях и имеющих прикладное значение, таких, как /5-распад в поле интенсивного лазерного излучения, квантовые эффекты при прохождении ультрарелятивистских заряженных частиц через монокристаллы, и другие.
Как известно, физика нейтрино играет определяющую роль в таких астрофизических катаклизмах, как взрывы сверхновых и слияния ней-тронных звезд, а также в ранней Вселенной. Вследствие этого большой интерес представляет изучение нейтринных взаимодействий, в частности, нейтрино - электронных и нейтрино - фотонных процессов во внеш¬ней активной среде. С другой стороны, исследование нейтринных процессов в таких экстремальных физических условиях является интересным с концептуальной точки зрения, поскольку затрагивает фундаментальные проблемы квантовой теории поля.
При анализе конкретных нейтринных процессов в магнитном поле важны соотношения между тремя основными физическими параметра¬ми. Один из них это - величина ( В. характеризующая интенсивность поля, другим важным параметром является масштаб энергий Е начальной частицы или частиц. Наконец, третьим параметром является масса заряженного фермиона. В нейтрино - электронных процессах это, очевидно масса электрона. Нейтрино - фотонные процессы идут через фермионную петлю, где, в принципе, присутствуют все фундаментальные заряженные фермионы. Однако основную роль здесь также играет электрон, как частица с максимальным удельным зарядом е/те, наиболее чувствительная к воздействию внешнего поля. В большинстве случаев нас будут интересовать магнитные поля, превышающие критическое значение Ве = т2/е. С другой стороны, в упомянутых астрофизических катаклизмах средние температуры составляют несколько МэВ, так что оправданным является приближение Е те. В связи со сказанным величина те будет считаться наименьшим физическим параметром.
При этом целесообразно рассматривать два предельных случая, в которых расчеты квантовых процессов во внешнем поле значительно упрощаются.
• Предел относительно слабого поля.
Так называют предельный случай, когда энергия частицы является максимальным физическим параметром, Е2 еВ. Это условие можно переписать в релятивистски инвариантной форме. Отметим, что релятивистская инвариантность понимается здесь в узком смысле, относительно лоренц - преобразований вдоль поля (если мы говорим о присутствии только магнитного поля без электрического). Наличие двух ковариантов - тензора поля и 4-импульса частицы piJ- = (Е: р) позволяет, наряду с полевым инвариантом
e2F,wF^ = e2(FF) = -2 е2В2, (0.2)
построить динамический инвариант
e^F^FvppP ее е2(pFFp) = е2В2Е2 sin2 в, (0.3)
13
где 9 - угол между импульсом частицы р и направлением поля В. Инвариант (0.3) чаще всего используется в обезразмеренном виде
х2 = (0.4)
т%
Таким образом, условие “слабости” поля принимает вид
[e2(FF)]3/2 < e2(pFFp). (0.5)
Легко видеть, что условие (0.5) автоматически выполняется в случае скрещенного поля, в котором полевой инвариант строго равен нулю, (FF) = 0. Это позволяет производить вычисления в пределе (0.5), используя приближение скрещенного поля. Отметим, что этот предел обладает достаточной общностью. Действительно, если при движении релятивистской частицы в относительно слабом магнитном поле В < Ве динамический параметр х достаточно велик, то в системе покоя этой частицы поле может оказаться заметно выше критического и будет очень близко к скрещенному полю. Даже в сильном магнитном поле В Ве, но при условии, что х ^ В/Ве, результат, полученный в скрещенном поле, будет правильно описывать лидирующий вклад в вероятность процесса в чисто магнитном поле. Таким образом, расчет в скрещенном поле представляет самостоятельный интерес. Техника вычислений в скрещенном поле была детально разработана А.И. Никишовым и В.И. Ритусом, см. например [16].
• Предел сильного поля.
В этом пределе интенсивность поля В является максимальным физическим параметром, еВ Е2, или в инвариантной форме
[e2(FF)]3/2 > e2(pFFp). (0.6)
В этом случае электроны находятся только на основном уровне Ландау. Поскольку для таких электронов движение в поперечном к полю направлении становится ненаблюдаемым, это также упрощает вычисления. Значительный вклад в развитие техники вычислений в сильном поле сделали В.В. Скобелев и Ю.М. Лоскутов, построившие так называемую “двумерную электродинамику” [17,18], см. также, например, [19] и цитированные там работы. В работах Н.В.Михеева с сотрудниками была развита ковариантная техника вычислений, позволяющая единообразно исследовать как случай сильного поля, так и более общий, когда условие (0.6) не выполняется, см. например [20,21].
По-видимому, первыми исследованиями нейтрино - электронных процессов во внешнем электромагнитном поле были работы, посвященные “синхротронному” излучению нейтринных пар е —>• evv [22] и нейтринному рождению электрон - позитронных пар v —>• ve^e+ [23]. Анализ про¬водился в ситуации относительно слабого магнитного поля, когда энергия начальной частицы является доминирующим параметром, Е2 еВ, что, как уже отмечалось, соответствует приближению скрещенного поля. Позднее указанные процессы исследовались в том же приближении в работах [16,24-31]. В работах [27,28] процесс и —>• ve^e+ также исследовался при произвольных значениях магнитного поля и, в частности, в пределе сильного поля еВ Е2, когда электрон и позитрон могут рождаться только в состояниях, соответствующих основному уровню Ландау.
В настоящей диссертации исследовано влияние внешней активной среды - сильного магнитного поля и горячей плотной плазмы - на нейтрино - электронные и нейтрино - фотонные реакции. Проанализированы их проявления в астрофизических процессах, таких, как слияния нейтронных звезд и взрывы сверхновых, где присутствуют интенсивные потоки нейтрино и возможна генерация сильных магнитных полей.
В диссертации представлены следующие результаты:
1. Исследован процесс “распада” нейтрино v —>• ve^e+ в сильном магнитном поле, запрещенный в вакууме. Вычислен вклад основного уровня Ландау в вероятность процесса как в сильных, так и в относительно слабых полях. Детально исследован случай больших энергий начального нейтрино, когда основной вклад в вероятность да¬ют высшие уровни Ландау (приближение скрещенного поля). Ранее расчет вероятности процесса v —>• ve^e+ в скрещенном поле про¬водился в нескольких статьях в приближении большого динамического параметра %, когда в выражении для вероятности удерживались только лидирующий логарифмический член ~ In и константа, при этом авторами было получено шесть различающихся между собой формул. В диссертации получена достаточно простая формула для вероятности, справедливая при произвольных значениях динамического параметра, что значительно расширяет область применимости. В приближении малых значений параметра х формула согласуется с известным в литературе выражением. При больших значениях формула воспроизводит результат, полученный нами
-201
ранее.
2. Вычислены средние потери энергии и импульса нейтрино за счет рождения электрон - позптронных пар в магнитном поле. Проанализированы возможные астрофизические приложения данного процесса. Получена оценка для доли энергии, теряемой нейтрино на рождение пар. Показано, что при наличиии достаточно сильного магнитного поля, за счет процесса нейтринного рождения электрон- позитронных пар могла бы быть решена известная проблема FOE (ten to the Fifty One Ergs), состоящая в том, что для согласованно¬го описания динамики взрыва сверхновой необходимо, чтобы выходящий нейтринный поток за счет какого-то механизма оставлял в оболочке ~ 1051 эрг, то есть около 1% полной выделяющейся при взрыве энергии ~ 1053 эрг. Получена оценка асимметрии вылета нейтрино по отношению к магнитному полю звезды, обусловленной несохранением Р-четности в слабом взаимодействии. Показано, что при соответствующих значениях физических параметров астрофизического катаклизма данная асимметрия может быть источником возникновения большой собственной скорости пульсара.
3. Исследован полный набор нейтрино - электронных процессов в замагниченной плазме. Кроме канонических реакций рассеяния veT —>• ve4" и аннигиляции vv —>• е^е+ рассмотрены экзотические процессы “синхротронного” излучения и поглощения нейтринной пары е О evv, а также нейтринного излучения и поглощения электрон - позитронной пары v о ve^e+. Показано, что из этого полного набора процессы с рождением и поглощением пары нейтрино кинематически подавлены в случае относительно высоких энергий нейтрино, Ev гае, и горячей плотной плазмы Т, /л те. Суммарная вероятность всех процессов, содержащих нейтрино как в начальном, так и в конечном состоянии, такого подавления не имеет. Показано, что полная вероятность этих процессов, а также средние потери энергии и импульса нейтрино не зависят от химического потенциала е^е+ - плазмы, тогда как вклады отдельных процессов такую зависимость содержат, что оказалось новым и неожиданным результатом.
4. Вычислены потери энергии и импульса нейтрино при распространении сквозь замагниченную плазму. Получены оценки интегрального действия выходящего нейтринного потока на оболочку ядра взрывающейся сверхновой при генерации в ней сильного магнитного поля, с учетом разницы спектральных температур разных типов нейтрино. Поскольку энергообмен между нейтринным потоком и плазмой в основном определяется (3 - процессами, которые доминируют над нейтрино - электронными процессами, это приводит к установлению температуры плазмы, близкой к спектральной температуре фракции электронных нейтрино. При этом должно проявляться существенное силовое воздействие более энергичных мюонных и тауонных нейтрино на плазму, направленное вдоль магнитного поля. В случае, когда в оболочке генерируется тороидальное магнитное поле, интегральная нейтринная сила способна достаточно быстро, за времена порядка секунды привести к существенному перераспределению касательных скоростей плазмы. В двух тороидах, в которых магнитное поле имеет противоположные направления, касательное нейтринное ускорение плазмы будет иметь разный знак по отношению к вращательному движению плазмы. Этот эффект, в свою очередь, может привести к существенному перераспределению силовых линий магнитного поля, концентрируя их преимущественно в одном из тороидов. Это приводит к значительной асимметрии энергии магнитного поля в двух полушариях и может быть причиной асимметричного взрыва сверхновой, что могло бы служить объяснением феномена больших собственных скоростей пульсаров.
5. Получена наиболее общая амплитуда комптоноподобного фотон - нейтринного процесса jv —>• jv7 охватывающая случаи массивных и безмассовых нейтрино, виртуальных и реальных фотонов, как в стандартной модели электрослабого взаимодействия с учетом возможного смешивания в лептонном секторе, так и в рамках обобщения стандартной модели с нарушенной левоправой симметрией и со смешиванием векторных бозонов, взаимодействующих с левыми и правыми заряженными слабыми токами. Полученная амплитуда позволила, в частности, путем замены тензора электромагнитного поля одного из фотонов на тензор внешнего электромагнитного поля, получить первый член разложения по внешнему полю амплитуды радиационного распада нейтрино щ —>• vp в электромагнитном поле произвольной конфигурации. Вычисленная таким способом вероятность распада позволяет проверить правильность расчета во внешнем скрещенном поле, в связи с имеющимися в литературе разногласиями.
6. В качестве еще одной иллюстрации применения общей формулы для амплитуды процесса vp* —>• vp* анализируется рассеяние нейтрино высокой энергии на ядре с излучением фотона. В главном логарифмическом приближении найдены спектр фотонов и полное сечение реакции. Обсуждается возможность обнаружения этой ре¬акции в лабораторном эксперименте с нейтрино высоких энергий от ускорителя. Важность изучения такого процесса, как минимум однопетлевого, обусловлена тем, что его экспериментальное наблюдение явилось бы одним из тестов на применимость высших порядков теории возмущений в стандартной модели электрослабого взаимодействия. Реально такой процесс проявлялся бы, как тормозное излучение нейтрино в кулоновском поле ядра. Малая величина сечения делает наблюдение изучаемого процесса труднодоступным в ближайшем будущем. Однако, наличие четкого сигнала - излучение одиночного жесткого 7-кванта без какого-либо сопровождения с очень узким угловым распределением, позволяет надеяться, что обсуждаемый процесс vy* —>• 1/7 может стать доступным для наблюдения.
В диссертации представлены следующие результаты:
1. Исследован процесс “распада” нейтрино v —>• ve^e+ в сильном магнитном поле, запрещенный в вакууме. Вычислен вклад основного уровня Ландау в вероятность процесса как в сильных, так и в относительно слабых полях. Детально исследован случай больших энергий начального нейтрино, когда основной вклад в вероятность да¬ют высшие уровни Ландау (приближение скрещенного поля). Ранее расчет вероятности процесса v —>• ve^e+ в скрещенном поле про¬водился в нескольких статьях в приближении большого динамического параметра %, когда в выражении для вероятности удерживались только лидирующий логарифмический член ~ In и константа, при этом авторами было получено шесть различающихся между собой формул. В диссертации получена достаточно простая формула для вероятности, справедливая при произвольных значениях динамического параметра, что значительно расширяет область применимости. В приближении малых значений параметра х формула согласуется с известным в литературе выражением. При больших значениях формула воспроизводит результат, полученный нами
-201
ранее.
2. Вычислены средние потери энергии и импульса нейтрино за счет рождения электрон - позптронных пар в магнитном поле. Проанализированы возможные астрофизические приложения данного процесса. Получена оценка для доли энергии, теряемой нейтрино на рождение пар. Показано, что при наличиии достаточно сильного магнитного поля, за счет процесса нейтринного рождения электрон- позитронных пар могла бы быть решена известная проблема FOE (ten to the Fifty One Ergs), состоящая в том, что для согласованно¬го описания динамики взрыва сверхновой необходимо, чтобы выходящий нейтринный поток за счет какого-то механизма оставлял в оболочке ~ 1051 эрг, то есть около 1% полной выделяющейся при взрыве энергии ~ 1053 эрг. Получена оценка асимметрии вылета нейтрино по отношению к магнитному полю звезды, обусловленной несохранением Р-четности в слабом взаимодействии. Показано, что при соответствующих значениях физических параметров астрофизического катаклизма данная асимметрия может быть источником возникновения большой собственной скорости пульсара.
3. Исследован полный набор нейтрино - электронных процессов в замагниченной плазме. Кроме канонических реакций рассеяния veT —>• ve4" и аннигиляции vv —>• е^е+ рассмотрены экзотические процессы “синхротронного” излучения и поглощения нейтринной пары е О evv, а также нейтринного излучения и поглощения электрон - позитронной пары v о ve^e+. Показано, что из этого полного набора процессы с рождением и поглощением пары нейтрино кинематически подавлены в случае относительно высоких энергий нейтрино, Ev гае, и горячей плотной плазмы Т, /л те. Суммарная вероятность всех процессов, содержащих нейтрино как в начальном, так и в конечном состоянии, такого подавления не имеет. Показано, что полная вероятность этих процессов, а также средние потери энергии и импульса нейтрино не зависят от химического потенциала е^е+ - плазмы, тогда как вклады отдельных процессов такую зависимость содержат, что оказалось новым и неожиданным результатом.
4. Вычислены потери энергии и импульса нейтрино при распространении сквозь замагниченную плазму. Получены оценки интегрального действия выходящего нейтринного потока на оболочку ядра взрывающейся сверхновой при генерации в ней сильного магнитного поля, с учетом разницы спектральных температур разных типов нейтрино. Поскольку энергообмен между нейтринным потоком и плазмой в основном определяется (3 - процессами, которые доминируют над нейтрино - электронными процессами, это приводит к установлению температуры плазмы, близкой к спектральной температуре фракции электронных нейтрино. При этом должно проявляться существенное силовое воздействие более энергичных мюонных и тауонных нейтрино на плазму, направленное вдоль магнитного поля. В случае, когда в оболочке генерируется тороидальное магнитное поле, интегральная нейтринная сила способна достаточно быстро, за времена порядка секунды привести к существенному перераспределению касательных скоростей плазмы. В двух тороидах, в которых магнитное поле имеет противоположные направления, касательное нейтринное ускорение плазмы будет иметь разный знак по отношению к вращательному движению плазмы. Этот эффект, в свою очередь, может привести к существенному перераспределению силовых линий магнитного поля, концентрируя их преимущественно в одном из тороидов. Это приводит к значительной асимметрии энергии магнитного поля в двух полушариях и может быть причиной асимметричного взрыва сверхновой, что могло бы служить объяснением феномена больших собственных скоростей пульсаров.
5. Получена наиболее общая амплитуда комптоноподобного фотон - нейтринного процесса jv —>• jv7 охватывающая случаи массивных и безмассовых нейтрино, виртуальных и реальных фотонов, как в стандартной модели электрослабого взаимодействия с учетом возможного смешивания в лептонном секторе, так и в рамках обобщения стандартной модели с нарушенной левоправой симметрией и со смешиванием векторных бозонов, взаимодействующих с левыми и правыми заряженными слабыми токами. Полученная амплитуда позволила, в частности, путем замены тензора электромагнитного поля одного из фотонов на тензор внешнего электромагнитного поля, получить первый член разложения по внешнему полю амплитуды радиационного распада нейтрино щ —>• vp в электромагнитном поле произвольной конфигурации. Вычисленная таким способом вероятность распада позволяет проверить правильность расчета во внешнем скрещенном поле, в связи с имеющимися в литературе разногласиями.
6. В качестве еще одной иллюстрации применения общей формулы для амплитуды процесса vp* —>• vp* анализируется рассеяние нейтрино высокой энергии на ядре с излучением фотона. В главном логарифмическом приближении найдены спектр фотонов и полное сечение реакции. Обсуждается возможность обнаружения этой ре¬акции в лабораторном эксперименте с нейтрино высоких энергий от ускорителя. Важность изучения такого процесса, как минимум однопетлевого, обусловлена тем, что его экспериментальное наблюдение явилось бы одним из тестов на применимость высших порядков теории возмущений в стандартной модели электрослабого взаимодействия. Реально такой процесс проявлялся бы, как тормозное излучение нейтрино в кулоновском поле ядра. Малая величина сечения делает наблюдение изучаемого процесса труднодоступным в ближайшем будущем. Однако, наличие четкого сигнала - излучение одиночного жесткого 7-кванта без какого-либо сопровождения с очень узким угловым распределением, позволяет надеяться, что обсуждаемый процесс vy* —>• 1/7 может стать доступным для наблюдения.



