Нейтринный заряд и рентгеновская

Нейтринный заряд и
рентгеновская спектроскопия
солнечных недр
Ю. С. Копысов (ИЯИ РАН)
Доклад на семинаре
«Нейтринная и ядерная астрофизика»
им Г. Т. Зацепина
(«ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ»)
25 мая 2012 г.
I. Введение
Настоящий доклад является кратким изложением одной из ветвей нового
направления исследований в космической микрофизике, порождённого
введением в объединённую теорию электрослабого взаимодействия второго
заряда, аналогичного электрическому заряду, сформированному в левом
секторе теории.
Второй заряд формируется в правом секторе объединённой теории и
является фактически двойником электрического заряда, так как вводится в
теорию с целью восстановления лево-правой симметрии Природы на раннем
этапе её динамической эволюции, когда ещё не произошло спонтанное
нарушение локальной SU(2)xU(1) – калибровочной симметрии.
Носителями нового заряда являются нейтрино и нейтрон, поэтому второй
заряд естественно назвать «нейтринным», а новое взаимодействие,
возникающее благодаря существованию нового калибровочного векторного
поля, естественно назвать «нейтромагнитным».
2
Нейтринный заряд, являющийся константой нового нейтромагнитного
взаимодействия, на начальном этапе динамической эволюции по своей
величине равен электрическому заряду. Однако после спонтанного нарушения
калибровочной симметрии происходит расщепление двух зарядов по своей
величине таким образом, что величина нейтринного заряда e ν =e 2 становится
намного меньше величины электрического заряда e e =e1 . В силу соотношения
e 2 << e1
(1)
нейтринный заряд становится практически не наблюдаем в лабораторных
условиях. Однако в астрофизических условиях новое взаимодействие в силу
этого же соотношения (1) может коренным образом изменить всю картину
процессов, протекающих в астрофизических объектах.
В настоящем докладе будет рассмотрен ближайший к нам астрофизический
объект – Солнце. Будет показано, что измерение светимости Солнца в квантах
нового нейтромагнитного калибровочного поля может стать средством
измерения величины нейтринного заряда. Измерение спектра этой светимости
может явиться новым средством спектроскопии солнечных недр, включая
измерения радиальных профилей температуры и химического состава
центральных областей Солнца.
3
II. Теоретические основы физики нейтринного
заряда.
Нейтринный заряд был введён в работе
[Ю. С. Копысов, Ю. И. Стожков, Д. Н. Корольков,
Изв. РАН, 2001, т. 65, №11, стр. 1667].
Была поставлена цель проверить, нельзя ли объяснить
низкую скорость счёта в детекторах солнечных
нейтрино при их прохождении через недра Солнца.
Для этой цели был необходим теоретический аппарат
для расчёта диссипации энергии при взаимодействии
нейтрино с веществом Солнца.
Аппарат нейтринного заряда со своим калибровочным
полем оказался весьма удобным для этой цели.
4
Мы исходили из простых соображений симметрии:
•
Мы исходили из простых
соображений симметрии:
Если отрицательный заряд электрона нейтрализует положительный
заряд протона, то нейтринный заряд
нейтрино, если таковой существует,
должен нейтрализовать
противоположный по знаку
нейтринный заряд нейтрона.
Нейтринный заряд нетрино Q мы приняли отрицательным, а заряд нейтрона –
положительным.
По аналогии с формулой Гелл-Манна-Нишиджимы для электрического заряда
нуклона
Qe  Q1  I 3  Y1 / 2
мы приняли для нейтринного заряда нуклона аналогичную формулу
Q  Q2   I3  Y2 / 2
В соответствии с рисунком принято Y2  Y1 (другая возможность Y2  Y1 ).
В нижеследующей таблице приведены предполагаемые значения нейтринного
заряда для интересующих нас частиц.
5
Расчёты энергетических потерь нейтрино в недрах Солнца показали, что проблему
дефицита солнечных нейтрино удаётся решить, если принять для величины
нейтринного заряда следующее значение:
e  e2  2 10 4 e1 , где e1  заряд электрона.
6
• Как показали последующие эксперименты,
проблему дефицита скорости счёта
солнечных нейтрино следует решать в
рамках теории нейтринных осцилляций
и MSW-эффекта.
• Решающую роль в этом сыграли измерения в
нейтринной обсерватории в Садбери (SNO).
В качестве детектора нейтрино
использовалась тяжёлая вода с
растворённой в ней солью NaCl.
• NaCl использовался для регистрации
нейтронов от расщепления дейтерия.
7
Солнечные нейтрино и ограничения на величину
нейтринного заряда
Результаты эксперимента SNO:
Предсказан ия SSM :  (8 B)  5.0510..01
81
J. N. Bahcall et al., Ap. J., 555, 990 (2001).
8
Область допустимых значений нейтринного заряда и
соответствующей постоянной тонкой структуры.
 2  e22 / c  (e2 / e1 ) 2 1
Введённая изоспинорная симметрия порождает симметрию взаимодействия
калибровочных квантов электромагнитного и нейтринного типов с ядрами.
Нас интересует реакция водородной цепи
2
 1 
H  p  He   
 2 
3
Отношение числа испускаемых квантов нейтринного типа к числу электромагнитных
квантов пропорционально отношению  2 / 1
Кванты нейтринного типа производят расщепление дейтерия в детекторе SNO:
 2 
d     p  n
 1 
Число расщеплений дейтерия также ~  2 / 1 и измеряется числом нейтронов,
9
захваченных NaCl, которое соответствует предсказаниям SSM.
Нейтринный магнетизм
Магнитный момент нейтрино, обусловленный нейтринным зарядом:
  e2
  
2c  m
 e1  me  e2 
 
  ,
 2mec  m  e1 
   B
 me / m  106
при 
6
e
/
e

10
 2 1
Нейтринный конденсат макроскопических тел может иметь огромный магнитный
10
момент нейтринного типа (нейтринный парамагнетизм)
III. Оценка величины нейтринного заряда
исходя из энергетического баланса Солнца
z

AN   e  AN   
z
e
Процесс конверсии квантов эл.-магн. типа в
кванты нейтро-магнитного типа (аналог
томсоновского рассеяния эл.-магн. квантов
на протонах и ядрах).

Z
N
A
A
Полное эффективное сечение конверсии  e   
2
где
на ядре A:
8 2  me  2 2  e 
 A  re   Z N   ,
3  mA 
e
2
 e2  
re   
  e ec  классический радиус электрона.
 c  mec
11
Использованный ниже метод оценки констант гипотетических
взаимодействий для псевдоскалярных и псевдовекторных частиц был
предложен в работе [Г. В. Домогацкий. Ядерная физика, 1968, т. 8, вып. 4,
стр. 759.
Светимость Солнца в нейтромагнитных квантах может быть представлена
в виде:
L(  )   A cni , A n i i Vi
i,A
Здесь суммирование производится по различным типам ядер (A) и
радиальным слоям Солнца ( i ) с различными плотностью, температурой
и химическим составом.
Был проведён расчёт по стандартной эволюционной модели Солнца,
приведённой в работе [John N. Bahcall. Neutrino Astrophysics, Cambridge
University Press 1989].
12
Радиальная зависимость фотонной светимости (красная кривая) и светимости
в нейтромагнитных квантах (чёрная), нормированных на поверхностную
фотонную светимость Lo
13
Первое ограничение на величину нейтринного заряда e можно получить
исходя из требования чтобы светимость Солнца в нейтринных квантах L(  )
практически не влияла на структуру стандартной эволюционной модели
Солнца. Это требование можно выполнить при условии
L(  )  0.01L( e )
В таблице приведены значения верхнего предела на отношение (e / e)для
4
двух случаев: 1) конверсия на ядрах He (первый столбец);
4
2) конверсия на He с добавлением тяжёлых элементов
(второй столбец).
4
He
(e / e) 9.27 10-10
4
He  тяжёлые эл - ты
8.40 10-10
9
Можно принять ограничение: (e / e)  10 .
Увеличение L(  ) до значения L( e ) приводит к более высокому на
порядок ограничению:
(e / e)  108
При этих ограничениях магнитный момент нейтрино нейтромагнитного типа
2
3
 
(
10

10
) B
~
Неожиданно большое значение  нового типа имеет исключительно
важное значение для астрофизических приложений.
14
IV. Детектор DAMA (Dark Matter) как первый астрономический инструмент для
рентгеновской спектроскопии солнечных недр.
DAMA collaboration, 2010
В обсерватории DAMA наблюдается годичная модуляция скорости счёта
частиц, приписываемая тёмной материи. Аналогичный сигнал ожидается от
рентгеновских квантов, порождаемых солнечными нейтромагнитными
квантами, причём максимум этого сигнала должен лежать в области
перигелия земной орбиты.
15
Нормированные на единицу энергетические
распределения потока нейтромагнитных квантов от
Солнца и соответствующей светимости при eν /e=1
  1.27 1058 quanta/s
Полная светимость: L  5.4722 10 J/s
58
Полный поток числа частиц:   1.27 10 quanta/s
42
16
Расчёт отклика детектора “DAMA” на поток
солнечных нейтромагнитных квантов
 (e / e)  1.27 1058  (e / e) 2
В окне чувствительности (2-6) KeV детектор “DAMA” реагирует лишь на
эффективную часть потока
 эфф.  0.504  (e / e)
Плотность потока таких квантов у Земли:

эфф.

4 (1а.е.)2
 3.556 1028   эфф. (см-2с-1 )
 эфф.
Na   nm  Na   em  Na*  e 
Сечение процесса
 e
3  mNa 
Na
e
эфф.
 
r 
 N Z  
8 2  me  2 2  e 
2
(**)
2
эфф.  Z Na
Z
Положим, что
, т. е. электронная
не влияет на сечение
 оболочка

e
процесса (**). Тогда имеем:
 Na  6.59 1030    см 2
e 
2
и скорость образования рентгеновского кванта:
эфф.   Na (    e )  15 (e / e)4 квантов/с/атом Na
17
Представим скорость рождения и счёта рентгеновских квантов в единицах,
используемых коллаборацией DAMA:


e 

r (cpd/kg/KeV )  0.013
 (cpd/kg/KeV )

10
e
 8 
4
Эти очень упрощённые расчёты демонстрируют возможность с помощью
детектора DAMA наблюдать новые явления, связанные с нейтринным зарядом и
получать экспериментальные ограничения на его величину.
Эффект годовой модуляции скорости счёта в эксперименте DAMA можно было
бы приписать регистрации нейтромагнитных квантов, если бы фаза модуляции
была противоположна той, которая наблюдается в эксперименте. Однако из
этих данных можно получить предварительные ограничения на величину
нейтринного заряда:
e ~
 10 e
8
Этот результат согласуется с полученными выше теоретическими оценками.
Проведённый анализ даёт важные указания на то, в каком направлении
необходимо усовершенствовать детекторы типа детектора DAMA, чтобы
продвигаться
в
направлении
реализации
программы
рентгеновской
спектроскопии солнечных недр.
Измерения спектра рождающихся рентгеновских квантов дало бы важную
экспериментальную информацию о радиальных профилях температуры,
18
плотности и химического состава в центральных областях Солнца.
V. Проблема вариаций потока солнечных
нейтрино.
“Status of Solar Neutrino Observations and Prospects for Future Experiments”, Kenneth Lande, Department of Astronomy and Astrophysics University
of Pennsylvania. Philadelphia, Pennsylvania 19/04
Annals of the New York Academy of Sciences, Volume 571, Fourteenth Texas Symposium on Relativistic Astrophysics. The New York Academy of
Sciences, New York 1989.
Движение вещества в конвективной зоне Солнца, генерирующее обычные
магнитные поля, могут также генерировать мощные магнитные поля
нейтринного типа. Их вариации в ходе солнечного цикла могут приводить к
изменению направления магнитного момента левых нейтрино и превращению
их в правые, не взаимодействующие с веществом нейтринных детекторов. 19
Этим можно объяснить вариации скорости счёта солнечных нейтрино.
Могут ли приливные силы планет
управлять процессами солнечной
активности?
Найден естественный способ модификации
термодинамической структуры нижней части
конвективной оболочки Солнца, при котором в ней
развиваются тепловые и гидродинамические процессы,
аналогичные процессам в тропосфере Земли. При этом
оказывается, что приливные силы планет могут играть
ключевую роль в формировании как самой тропосферы
Солнца, так и периодических процессов,
развивающихся в этой зоне конвективной оболочки. В
рамках этой модели солнцедеятельности находит
естественное объяснение появление маундеровского
минимума и других аналогичных ему минимумов
солнечной активности, коррелированных с
соединениями планет.
Сравнение свойств конвективной
оболочки Солнца с
термодинамическими свойствами
атмосферы Земли
Тропосфера Земли, как и конвективная зона Солнца,
имеет гомогенный химический состав, свидетельствующий о перемешивании всей нижней атмосферы Земли.
Это противоречит большой термодинамической
устойчивости «стандартной атмосферы Земли».
Этот парадокс разрешается неравномерностью
нагрева земной поверхности и самой атмосферы.
Перемешивание объясняется спецификой вихревой
динамики атмосферы. Аналогичная ситуация
может иметь место и на Солнце.
21
Постулируется двухзонная структура
конвективной оболочки Солнца
Нижнюю зону конвективной оболочки
естественно назвать солнечной
тропосферой.
Солнечная тропосфера должна иметь вихревую
структуру, отличную от структуры верхней
части оболочки с развитой тепловой
конвекцией.
В солнечной тропосфере имеет место
циклогенез, во многих отношениях
аналогичный циклогенезу земной
тропосферы (формирование циклонов,
антициклонов, смерчей и торнадо).
22
Лабораторное моделирование
атмосферных вихрей
Вихрь создавался быстро
вращающейся изогнутой
проволокой у верхней границы
камеры.
Стрелкой показан излом вихря
23
Торнадо опускает свой «хобот»
с неба на землю, но иногда её
не касается.
24
Генерация интенсивных вихрей
мелкомасштабной турбулентностью
25
Рис. 7. Результаты эксперимента
26
Рис. 10. Effect of vorticity pollution by motor vehicles on
tornadoes. (J. N. Isaacs et al. Nature 253, 254, 1975)
The reported
number of
tornadoes on
Saturdays is
less than the
daily average
by more than
7.1 standard
deviations
(1,868 on
Saturdays as
against a daily
average of
2,176)
27
• Приведённые на рис. 6-9 результаты наблюдения
генерации и поведения вихрей в лабораторных
гидродинамических экспериментах, а также
наблюдение атмосферных вихрей типа торнадо (см.
рис. 4, 10) указывает на важную роль
микроструктурности в формировании процесса
торнадогенеза и других вихревых структур.
Предлагается естественный способ модификации
термодинамической структуры нижней части
конвективной оболочки Солнца, при котором в
условиях слабо субадиабатического температурного
градиента в ней развиваются тепловые и
гидродинамические процессы, аналогичные
процессам в тропосфере Земли. Ключевую роль в
этих процессах играют приливные силы планет. Эти
силы формируют центры действия тропосферы и
соответствующие им гелиострофические ветры.
28
Нейтринный конденсат в недрах
Солнца и солнечная активность
• Энергия Ферми нейтринного конденсата:
EF 
~ 10kT
• При образовании вихревых движений ожидается
запаздывание увлечения нейтринного конденсата.
• Теорема Ван Лёвен – Терлецкого.
Появление нейтринного диамагнетизма и
антиферромагнетизма.
• Поляризация атомных ядер.
• Генерация обычных магнитных полей и
формирование солнечной активности.
29
VI. Заключение
1.
2.
3.
4.
Получены астрофизические ограничения на
феноменологическое значение величины нейтринного заряда.
Обнаружена возможность неожиданно большого магнитного
момента нейтринного типа у электронных нейтрино. Рассмотрена
возможность генерации обычных магнитных полей у небесных
тел при наличии в их недрах нейтринного конденсата.
Отмечена возможность вариаций скорости счёта нейтрино,
наблюдавшихся в хлор-аргоновом эксперименте Дэвиса за счёт
изменения ориентации большого нейтринного магнитного
момента нового типа, обусловленного нейтринным зарядом.
Показана возможность использования детекторов типа DAMA для
реализации программы поиска нейтринного заряда и
рентгеновской спектроскопии солнечных недр, если нейтринный
заряд будет обнаружен.
Спасибо за внимание!
30