Некоторые вопросы феноменологии нейтрино астрофизического происхождения и гипотетических зеркальных частиц

0.1 Общая характеристика работы 0.1.1 Актуальность темы.

Большая часть настоящего исследования посвящена изучению осциллядий нейтрино, а также взаимосвязи между свойствами нейтрино и нейтринным сигналом от сверхновой. Исследование выполнено в русле быстро развивающегося в последние десятилетия направления, лежащего на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии, и называемого в английской литературе «astroparticle physics» (к сожалению, в русском языке пока не существует устоявшегося перевода этого термина). Методолгия этого направления основана на том, что зачастую свойства астрофизических объектов — звезд, галактик, и даже Вселенной в целом — оказываются чрезвычайно чувствительными к свойствам элементарных частиц. Из космоса на Землю приходят потоки практически всех стабильных частиц: фотонов в диапазоне энергий от радиоизлучения до гамма-квантов, нейтрино, электронов и протоновв будущем ожидается регистрация гравитационных волн. Сама по себе регистрация космических частиц, как правило, не дает новой информации об их свойствах (в отличие от наблюдения реакций между элементарными частицами в ускорительных экспериметах). Однако космические частицы несут богатую информацию о своих источниках — астрофизических объектах, чье строение зависит от свойств элементарных частиц. Таким образом, астрономические (в широком смысле этого слова) наблюдения являются источником информации как о свойствах астрофизических объектов, так и о свойствах элементарных частиц. Это обстоятельство позволяет получить замечательные результаты, но оно же зачастую создает и трудности. Так, например, почти всегда астрофизические и космологические ограничения на свойства элементарных частиц оказываются в той или иной степени зависимы от астрофизических (или космологических) моделей. Поэтому в подобных исследованиях особое внимание уделяется тому, чтобы по возможности «распутать» вклады астрофизики и физики элементарных частиц в то или иное наблюдаемое явление.

Методы astroparticle physics оказались особенно плодотворными при изучении свойств нейтрино. Недостаток электронных нейтрино от Солнца стал первым экспериментальным указанием на смешивание между нейтрино разных флейворовдальнейшие эксперименты по регистрации солнечных нейтрино, в сочетании с реакторными экспериментами, позволили определить величину одного из углов смешивания и одну из разностей квадратов масс нейтринонаблюдение анизотропии реликтового излучения и крупномасштабной структуры вселенной дают лучшие на сегодняшний день ограничения на абсолютные значения масс нетрино. Ожидается, что этот список будет продолжен, когда произойдет регистрация нейтринного сигнала от будущей галактической сверхновой.

Взрыв коллапсирующей сверхновой является одним из самых ярких (в прямом и переносном смысле) явлений в космосе. Центральную роль в этом явлении играет нейтрино — легкая частица, трудноуловимая из-за своего слабого взаимодействия с веществом. Исключительная проникающая способность нейтрино позволяет ему стать основным переносчиком энергии внутри ядра сверхновой, сжимающегося до ядерных плотностей. Сверхновая оказывается самым мощным природным источником нейтрино, которые уносят более 99% энергии взрыва. Это позволяет зарегистрировать коллапс сверхновой с помощью нейтринных детекторов, расположенных на Земле. Спектральные, флейворные и временные характеристики нейтринного сигнала зависят как от динамики коллапса, так и от масс, параметров смешивания и электромагнитных свойств нейтрино. С другой стороны, сама динамика сверхновой оказывается зависимой от свойств нейтрино.

До настоящего времени нейтринный сигнал от сверхновой наблюдался лишь единожды — в 1987 году, от сверхновой SN1987A. Тогда было зарегистрировано только около двух десятков нейтрино. Хотя это наблюдение и подтвердило в общих чертах теоретические представления о коллапсе и сопутствующем ему нейтринном излучении (см., например, обзор [1]), детальная интерпретация сигнала от SN1987A натолкнулась на трудности и до сих пор служит предметом дискуссий. Для того, чтобы преодолеть часть из этих трудностей, в 2004 году В. С. Имшенни-ком и О. Г. Ряжской был предложен двухэтапный сценарий взрыва SN1987A [2], в рамках которого был заново проанализирован зарегистрированный нейтринный сигнал [2, 3]. В этом анализе была учтена чувствительность детектора LSD к электронным и неэлектронным нейтрино, а не только к электронным антинейтрино, как во всех предыдущих работах. Однако в статьях [2, 3] не был учтен эффект флейворных трансформаций нейтрино в веществе сверхновой. В настоящей работе гипотеза о том, что источником двойного нейтринного сигнала от SN1987A был двухэтапный взрыв SN1987A, проанализирована с учетом указанного эффекта [4].

Возможности современных нейтринных детекторов значительно превосходят возможности детекторов двадцатилетней давности. Самый крупный действующий детектор, Супер-Камиоканде, способен зарегистрировать до 104 нейтрино от сверхновой,-расположенной в центре нашей галактики, при этом с высокой точностью могут быть измерены как временные, так и спектральные характеристики нейтринного сигнала. Проекты еще на порядок более* чувствительных детекторов находятся сейчас в стадии обсуждения. Таким образом, становится актуальным теоретическое исследование связи между свойствами нейтринного сигнала от сверхновой и фундаментальными свойствами самих нейтрино. В настоящей диссертации изучено влияние дираковского магнитного момента нейтрино на поток нейтрино от сверхновой [5]. Полученные результаты могут быть использованы для того, чтобы извлечь из нейтринного сигнала от будущей сверхновой информацию о дираковском магнитном моменте нейтрино.

Другая часть диссертации посвящена гипотетическим частицам — зеркальным нейтронам. Теория зеркальной материи была предложена И. Ю. Кобзаревым, J1. Б. Окунем и И. Я. Померанчуком еще до создания Стандартной Модели (СМ) элементарных частиц [7] (подробный обзор истории и современного состояния этой области см. в [8]). Эта теория, говоря современным языком, является обобщением СМ, в котором каждой частице СМ соответствует зеркальный партнер. Взаимодействия зеркальных частиц друг с другом идентичны таковым в СМ. Взаимодействие же между обычными и зеркальными частицами предполагается малым. В силу последнего свойства зеркальная материя является естественным кандидатом на роль темного вещества Вселенной, что привлекает к ней в настоящее время значительный интерес.

Смешивание между обычным и зеркальным секторами может приводить к ос-цилляциям между обычным нейтроном и зеркальным. Такие осцилляции могли бы играть важную роль в механизме ускорения космическтих лучей до сверхвысоких энергий [9]. В земных условиях смешивание между обычным нейтроном и зеркальным ищут в экспериментах с ультрахолодными нейтронами [10, 11]. Для самосогласованной интерпретации результатов этих экспериментов необходимо решить квантово-механическую задачу об утечке нейтронов из ловушки из-за осцилляций в зеркальные нейтроны. В настоящей работе предложено решение этой задачи [12], причем используемый метод решения сходен с методами, применяемыми для анализа осцилляций нейтрино [13, 14].

0.1.2.Задачи диссертационного исследования.

Диссертационное исследование нацелено на решение следующих задач:

1. Описание эффекта подавления осцилляций нейтрино на больших расстояниях от точки рождения в рамках кванто-полевого подхода.

2. Анализ совместимости двухэтапного сценария коллапса сверхновой SN1987A с нейтринным сигналом от этой сверхновой с учетом флейворных переходов в веществе звезды.

3. Анализ эффекта излучения ядром сверхновой высокоэнергетичных нейтрино, обладающих дираковским магнитным моментом. Изучение влияния дираковского магнитного момента на нейтринный сигнал от сверхновой и оценка чувствительности водных черенковских детекторов к дираковскому магнитному моменту.

4. Анализ эффекта утечки ультрахолодных нейтронов из ловушки, вызванной возможным переходом нейтронов в зеркальные нейтроны. Вычисление скорости такой утечки.

0.1.3 Научная новизна и результаты диссертационного исследования.

Следующие новые научные результаты выносятся на защиту:

1. С помощью прямого вычисления продемонстрировано, что подавление осцилляций нейтрино в рамках квантово-полевого подхода (когда нейтрино описывается пропагатором в двухвершинной фейнмановской диаграмме) возникает благодаря интегрированию по фазовому объему частиц, участвующих в процессе рождения и регистрации нейтрино [13]. Также эффект подавления осциллядий нейтрино получен в несколько отличном подходе, в котором нейтрино описывается волновым пакетом, форма которого вычисляется из одновершинной фейнмановской диаграммы, описывающей процесс рождения нейтрино [14].

2. Исследован вопрос о том, может ли гипотеза двухэтапного коллапса ядра сверхновой SN1987A объяснить двойной нейтринный сигнал от этой сверхновой при учете флейворных переходов в веществе звезды [4]. Сделаны следующие выводы:

• Если 1−3 смешивание нейтрино мало, < 0.003, то двухэтапный сценарий коллапса сверхновой не совместим с нейтринным сигналом от сверхновой SN1987A.

• Если 1−3 смешивание нейтрино относительно велико, 6з > 0.03, то для совместимости нейтринного сигнала от SN1987A с указанным сценарием необходимо, чтобы на первом этапе коллапса выполнялись некоторые условия. Во-первых, рождение неэлектронных нейтрино и антинейтрино должно быть подавлено по крайней мере на порядок по сравнению с рождением электронных нейтрино. Кроме того, в случае прямой иерархии масс нейтрино (тг < тз) рождение электронных антинейтрино (ре) также должно быть подавлено, энергия испускаемых электронных нейтрино (ие) должна превышать 60 МэВ, и масса коллапсирующего ядра должна быть близка к максимально возможной (Mcorc ^ 2М0). В случае же обратной иерархии масс (шг > тпз) энергия электронных нейтрино должна лежать в пределах 30 МэВ< Е < 45 МэВ, а ограничения на массу ядра сверхновой и поток электронных антинейтрино отсутствуют. Таким образом, нейтринный сигнал от сверхновой SN1987A согласуется с двухэтапным сценарием коллапса этой сверхновой наилучшим образом при обратной иерархии масс нейтрино и 913 > 0.03.

3. Исследована высокоэнергетическая часть нейтринного сигнала от сверхновой, возникающая благодаря дираковскому магнитному моменту нейтринопроведена оценка количества высокоэнергетических нейтринно в действующих и планируемых нейтринных детекторах [5]. При этом впервые использованы реалистическая модель галактического магнитного поля и динамическая модель сверхновой, а также учтено флейворное смешивание нейтрино. Показано, что чувствительность действующего детектора Супер-Камиоканде (22 кт воды) в случае взрыва сверхновой в центре галактики окажется не хуже, чем 10~13//в (где Ив — магнетон Бора), а чувствительность планируемого водного черепковского детектора, содержащего* 0.5 Мт воды, — не хуже, чем 0.35 • 10~13/лв. Отмечено, что если магнитный момент нейтрино, значительно меньше порогового значения nthr = Ю-13/Ав, определяемого скоростью прецессии спина нейтрино в галактическом магнитном поле, то высокоэнергетический нейтринный сигнал оказывается подавлен как /Pthr)A, что затрудняет его регистрацию даже в детекторах с очень большой массой рабочего вещества.

4. Проанализирован эффект утечки ультрахолодных нейтронов из ловушки, вызванный возможным переходом нейтронов в зеркальные нейтроныв рамках самосогласованного подхода вычислена скорость такой утечки как функция приложенного магнитного поля и параметра смешивания между обычным и зеркальным нейтроном [12]. Показано, что результат строгого анализа совпадает с результатом использовавшегося ранее упрощенного расчета [6] с точностью, достаточной для нужд современных экспериментов.

0.1.4 Апробация результатов и публикации.

Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на международной конференции «Rencontres de Morionde 2007» (JIa Твиль, Италия), на научных сессиях-конференциях секции ядерной физикиОФН РАН в 2005 и 2008 гг., на 51-ой научной конференции МФТИ (Долгопрудный, Россия), на школах «International School of Subnuclear Physics 2007» (Эрича, Италия), «ITEP Winter School of Physics 2008» (Отрадное, Россия), «Физика фундаментальных взаимодействий» (Протвино, Россия, 2006 г.), а также на семинарах ИТЭФ, ОИЯИ, CERN и ЯрГУ. По теме диссертационного исследования опубликовано три статьи в реферируемых журналах [12, 13, 14] и три статьи в трудах конференций и школ [4, 5, 15].

0.1.5 Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей четыре главы, и заключения, а также двух приложений. В диссертации 116 страниц, включая 9 рисунков и 9 таблиц.

Список литературы

содержит 94 ссылки.

Заключение

.

Подведем итоги настоящей работы. В ходе диссертационного исследования были решены следующие задачи.

1. Дано описание эффекта подавления осцилляций нейтрино на больших расстояниях от точки рождения в рамках кванто-полевого подхода, в котором нейтрино описывается пропагатором, а процесс рождения нейтрино, распространения нейтрино на макроскопическое расстояние и регистрации нейтрино — двухвершинной фейнмановской диаграммой. Показано, что эффект возникает как следствие интегрирования по фазовому объему конечных частиц, фигурирующих в процессах рождения и детектирования нейтрино. Продемонстрировано, как тот же самый эффект может быть получен в рамках другого подхода, котором нейтрино описывается волновыми пакетами, при этом форма волновых пакетов определяется путем вычисления одновершинной фейнмановской диаграммы, описывающей процесс рождения нейтрино.

2. Проведен анализ совместимости двухэтапного сценария коллапса сверхновой SN1987A с двойным нейтринным сигналом от этой сверхновой с учетом флей-ворных переходов в веществе звезды (МСВ-эффекта). Вероятности тех или иных флейворных переходов зависят от неизвестных на сегодняшний день иерархии масс нейтрино и угла смешивания нейтрино 6>хзПоэтому результаты анализа оказываются различными для различных комбинаций этих параметров нейтрино. Так, если угол 6z достаточно мал, < 0.003, то двухэтапный сценарий коллапса SN1987A оказывается не совместимым с первым нейтринным сигналом (зарегистрированным детектором LSD и не зарегистрированным детекторами КИ, 1MB и БСТ). При больших значениях угла в и совместимость возможна при условии, что первый этап коллапса удовлетворяет следующим требованиям. Во-первых, рождение неэлектронных нейтрино и антинейтрино на первом этапе коллапса должно быть подавлено по крайней мере на порядок по сравнению с рождением электронных нейтрино. Кроме того, в случае прямой иерархии масс нейтрино (т2 < т3) рождение электронных антинейтрино (Ре) также должно быть подавлено, типичная энергия испускаемых электронных нейтрино должна превышать 60 МэВ, и масса коллапсирующего ядра должна быть близка к максимально возможной (Mcorc ^ 2Mq). В случае же обратной иерархии масс (т2 > тпз) энергия электронных нейтрино должна лежать в пределах 30 МэВ< Е < 45 МэВпри этом ограничения на массу ядра сверхновой и поток электронных антинейтрино отсутствуют.

3. Проведен анализ эффекта излучения ядром сверхновой высокоэнергетичных (с энергими (100−200) МэВ) нейтрино в случае, когда нейтрино обладает дира-ковским магнитным моментом. Важными ингридиентами анализа являются, во-первых, вычисление светимости ядра сверхновой в право-спиральных нейтрино, и, во-вторых, оценка коэффициента конверсии стерильных право-спиральных нейтрино в активные лево-спиральные в магнитном поле галактики. В нашем анализе для вычисления светимости ядра сверхновой использована динамическая модель сверхновой, а для оценки коэффициента конверсии стерильных нейтрино в активные — реалистический профиль магнитного поля галактики В результате вычислена высокоэнергетичская часть нейтринного сигнала от сверхновой в водных че-ренковских детекторах. Показано, что действующий детектор Супер-Камиоканде (22 кт воды) способен зарегистрировать по крайней мере несколько высокоэнергетических нейтрино от взрыва галактической сверхновой при значении магнитного момента нейтрино 10Чувствительность планируемых детекторов нового поколения с массой воды порядка 0.5 Мт окажется не хуже 0.35 • 10″ 13двВпрочем, добиться чувствительности, значительно лучшей, чем Ю-13/^, представляется затруднительным. Причина заключается в том, что при [iv > 10~13//в коэффициент конверсии стерильных нейтрино в активные можно считать случайной величиной с математическим ожиданием равным 0.5, тогда как при уменьшении магнитного момента нейтрино ниже порогового значения 10~13/л.в коэффициент конверсии начинает уменьшаться пропорционально квадрату магнитного момента. Учитывая, что светимости ядра сверхновой также пропорциональна /г2, получаем, что при fiv < 10−13^ количество высокоэнергетичных нейтрино в детекторе падает при уменьшении магнитного момента как.

4. Проведен анализ эффекта утечки ультрахолодных нейтронов из ловушки, вызванной возможным переходом (осцилляциями) нейтронов в зеркальные нейтроны. Ранее скорость такой утечки вычислялась в рамках упрощенного подхода, напоминающего плосковолновой приближение для описания нейтринных осцилляций в вакуумеполученная таким образом формула для скорости утечки применялась для интерпретации результатов экспериментов с ультрахолодными нейтронами. При этом имелись некоторые основания сомневаться, что такой упрощенный подход приводит к правильным результатам. Сомнения были основаны на том, что одна из частиц, участвующих в осцилляциях, нейтрон, сильно взаимодействует с веществом стенок ловушки, тогда как вторая, зеркальный нейтрон, не взаимодействует вовсе. Эта ситуация на первый взгляд аналогична осцилляциям нейтрино в веществепри этом известно, что картина осцилляций нейтрино в веществе сильно отличается от картины осцилляций в вакууме (эффект МСВ). В настоящем анализе скорость утечки ультрахолодных нейтронов из ловушки за счет перехода в зеркальный нейтрон вычислена самосогласованным образом как скорость квантового перехода между состояниями «нейтрон в ловушке» и «зеркальный нейтрон во всем пространстве». При этом взаимодействие нейтрона со стенками ловушки учтено путем выбора начальной волновой функции нейтрона, удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера для частицы в потенциальной яме. Проведенное вычисление подтверждает правильность полученной ранее упрощенным способом формулы. Показано, что усредненный потенциал взаимодействия между нейтроном и стенками ловушки не входит в выражение для скорости утечки. Таким образом, представленный в настоящей работе анализ снимает сомнения в правильности формулы для скорости утечки ультрахолодных нейтронов из ловушки за счет перехода в зеркальный нейтрон, используемой для интерпретации экспериментальных данных.

Благодарности.

Я сердечно благодарен моему научному руководителю Льву Борисовичу Окуню, который на протяжении шести лет терпеливо вкладывал в мое образование свой труд. Также я благодарю моих соавторов, С. И. Блинникова, М. И. Высоцкого,.

A. Д. Долгова, Б. О. Кербикова, А. А. Мамонова, М. В. Ротаева и М. Г. Щепкина, совместная работа с которыми принесла мне неоценимую пользу. Я признателен.

B. А. Новикову за постоянную готовность отвечать на мои вопросы, М. В. Данилову за внимание к моей работе и поддержку, О. Г. Ряжской и В. С. Имшеннику за полезные обсуждения двухэтапного сценария коллапса сверхновой SN1987A.

Также я благодарю своих друзей и коллег А. Кропивницкую и Т. Углова, неоднократно помогавших мне в разрешении научных и организационных затруднений.

Наконец, я выражаю признательнось Д. К. Надежину и Н. В. Михееву, взявшим на себя труд быть официальными оппонентами настоящей работы.