Автореферат (Массивные нейтрино во внешних полях и в плотных средах)

На правах рукописиТЕРНОВ Алексей ИгоревичМАССИВНЫЕ НЕЙТРИНО ВО ВНЕШНИХПОЛЯХ И В ПЛОТНЫХ СРЕДАХ01.04.02 – теоретическая физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква — 2015Работа выполнена на кафедре теоретической физики Московскогофизико-технического института (государственного университета).Официальные оппоненты:Семикоз Виктор Борисович,доктор физико-математических наук, заведующий теоретическим отделом Института земного магнетизма, ионосферы и распространениярадиоволн имени Н. В.

Пушкова Российской академии наук;Арбузов Борис Андреевич,доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научныйсотрудник отдела теоретической физики высоких энергий Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. СкобельцынаМГУ им. М. В. Ломоносова;Клименко Константин Григорьевич,доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Государственного научного центра Российской Федерации «Институт физики высоких энергий».Ведущая организация:Томский Государственный Университет.Защита диссертации состоится 18 июня 2015 года в 15 час. 30 мин.на заседании Диссертационного Совета Д 501.002.10 при Московскомгосударственном университете имени М.

В. Ломоносова по адресу:119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультетМГУ, аудитория СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУимени М. В. Ломоносова (119192, Москва, Ломоносовский проспект,д. 27) и на странице Совета на сайте физического факультета МГУwww.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-002-10.Автореферат разослан 14 мая 2015 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.002.10,доктор физико-математических наук,профессорП.А.

ПоляковОбщая характеристика работыАктуальность темыВ диссертации исследуется круг вопросов, связанных с движением,излучением и распадами массивных нейтрино в интенсивном внешнемэлектромагнитном поле и в плотной среде.Нейтрино являются наиболее многочисленными частицами во Вселенной – на каждый протон и электрон приходится в среднем около109 нейтрино. Нейтрино играют фундаментальную роль в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии. Последнее десятилетие ознаменовалось многими важными открытиями в области физикиэлементарных частиц и, в частности, в физике нейтрино. Недавниенаблюдения осцилляций нейтрино в нескольких экспериментах уверенно подтверждают как существование масс у нейтрино, так и наличие смешивания в нейтринном секторе теории электрослабых взаимодействий.

Тем не менее, в современной нейтринной физике еще существуют нерешенные проблемы, требующие дальнейшего исследования:неизвестны абсолютный масштаб масс и природа массы нейтрино – дираковская или майорановская, пока не обнаружены экспериментальноэлектромагнитные свойства нейтрино.В последнее время существенно улучшилась точность и информативность астрофизических наблюдений, что связано, в частности, свведением в эксплуатацию подземных и подводных нейтринных телескопов нового поколения (IceQube, NEMO).

Детектором IceCube недавно были зарегистрированы нейтрино внеземного происхождения с энергией ≃ 1015 эВ = 1 ПэВ, и это свидетельствует о начале новой эры внейтринной астрономии – эры сверхвысоких энергий.В реальных астрофизических условиях распространение, излучение и поглощение нейтрино может происходить в сильных электромагнитных полях и в плотных средах, а часто – в присутствии сильного поля и плотной среды одновременно.

Например, в нейтронныхзвездах, согласно современным представлениям, плотность веществаможет изменяться от 1030 см−3 до 1039 см−3 (в зависимости от расстояния до центра звезды), а напряженность магнитного поля достигаетзначений 1012 −1014 Гс.В связи с вышеизложенным, особую актуальность приобретает построение теории, описывающей физические процессы с участием мас-1сивных нейтрино, происходящие в присутствии сильных электромагнитных полей, а также плотной среды.Цель диссертационной работыЦель работы состоит в теоретическом исследовании взаимодействиямассивных нейтрино с интенсивным внешним электромагнитным полем и с плотной средой в рамках теории электрослабых взаимодействий Вайнберга–Салама–Глэшоу с учетом дираковской и майорановской массы нейтрино.

Наряду с исследованием влияния внешнего поляи среды на нейтринные процессы, имеющие место также и в вакууме,в диссертации рассматриваются и такие процессы с участием нейтрино, которые могут реализоваться только в присутствии внешних полейили плотной среды.Методология и методы исследованияНаиболее эффективным методом, используемым в диссертации приконкретных расчетах, является «метод точных решений». Применениеданного метода предполагает использование точных решений релятивистских волновых уравнений (уравнения Дирака и его обобщений) вовнешнем поле и в среде, а также точных пропагаторов и точных временных функций Грина (в рамках квантовой теории поля при конечной температуре и плотности вещества).

Указанный подход позволяетпровести рассмотрение процессов в условиях экстремально высокихзначений напряженностей полей, плотности внешней среды и энергийнейтрино.Степень разработанности темы исследованияДиссертация основана на исследованиях, проведенных в 1985–2014годах. Необходимо отметить, что в разные годы степень разработанности темы исследований была разной. Если в ранних работах (приблизительно до середины 80-х годов), в основном, рассматривалось взаимодействие нейтрино со слабыми электромагнитными полями, то сегодня уже можно говорить о сформировавшемся общем научном направлении, связанном с последовательным изучением с единых позицийпроцессов с участием нейтрино высоких энергий в сильном внешнем2поле и в плазме.

Определенную роль в становлении данного направления сыграли наши работы 1985–89 годов, в которых впервые былорассмотрено взаимодействие дираковского и майорановского нейтрино с сильными электромагнитными полями (результаты этих работнеоднократно подтверждались в более поздних исследованиях разными авторами).Научная новизна работы. Положения, выносимые на защиту1. Построена общая теория, описывающая взаимодействие дираковского и майорановского нейтрино с интенсивным внешним электромагнитным полем на основе расчета массовых операторов нейтрино вовнешнем поле в рамках Стандартной модели электрослабых взаимодействий.

Проведено исследование аномального магнитного моментадираковского нейтрино как функции напряженности внешнего поля иэнергии нейтрино. Получены уравнения для волновых функций дираковского и майорановского нейтрино в слабом внешнем поле. Найденыточные решения этих уравнений в магнитном поле.2. Вычислена мощность электромагнитного излучения аномального магнитного момента дираковского нейтрино в постоянном магнитном поле («спиновый свет нейтрино в магнитном поле»). Рассчитанохарактерное время переворота спиральности дираковского нейтрино вмагнитном поле.3.

Исследовано рассеяние массивных нейтрино в неоднородном магнитном поле. Показано, что поведение дираковского и майорановского нейтрино в ультрарелятивистском пределе / ≫ 1 становитсяодинаковым. Отмечено, что сильные магнитные поля, существующиевблизи некоторых астрофизических объектов, могут обладать фокусирующими свойствами и действовать подобно «линзе» для нейтринныхпотоков.4.

Исследовано влияние интенсивного внешнего поля на процессраспада нейтрино на + -бозон и электрон ( → ) и на процессрождения электрон-позитронной пары нейтрино ( → + − ), запрещенные в вакууме законами сохранения энергии и импульса. Вероятность последнего процесса ( → + − ) анализируется как в случаеотносительно низких энергий нейтрино, когда справедливо контактное приближение теории, так и в области сверхвысоких энергий, когда3существенно влияние промежуточного бозона. Показано, что наличиеинтенсивного внешнего поля может приводить к резкому возрастаниювероятностей даже запрещенных в вакууме процессов.5.

Построена теория радиационного распада массивного дираковского нейтрино в вырожденной замагниченной электронной плазме врамках Стандартной модели со смешиванием нейтрино в области умеренных значений энергии распадающегося нейтрино ≪ 2 . Показано, что наличие среды приводит к существенному увеличению вероятности распада в магнитном поле как релятивистских, так и нерелятивистских нейтрино.Показано, что присутствие сильного магнитного поля с напряженностью ≳ 0 = 2 3 /ℏ = 4,41 ⋅ 1013 Гс и вырожденного электронного газа с плотностью, характерной для внешней коры нейтроннойзвезды, может увеличить в 103 раз вероятность распада стерильныхреликтовых нейтрино с массами, равными нескольким кэВ, рассматриваемых в настоящее время в качестве одних из самых популярныхкандидатов на роль частиц, формирующих темную материю.6.

Получены модифицированные уравнения Дирака для массивных дираковского и майорановского нейтрино, распространяющихся вдвижущихся и поляризованных средах, в предположении когерентноговзаимодействия нейтрино с частицами среды (в отсутствие внешнегополя). Найдены точные решения полученных уравнений.7. Построена квантовая теория явления спинового света нейтринов веществе (Spin Light of neutrino, SL), обусловленного квантовымипереходами нейтрино между состояниями с различными спиральностями, сопровождающимися излучением фотонов. Получен энергетический спектр излучаемых фотонов, и найдены выражения для вероятности и мощности излучения.Исследованы поляризационные свойства спинового света.

Показано, что излучение релятивистских нейтрино в среде обладает циркулярной поляризацией, причем в случае высокой плотности среды поляризация достигает 100%, т. е. становится полной.8. Произведен последовательный учет влияния электронной плазмы на процесс спинового света нейтрино в среде.

Подтверждено наличие энергетического порога процесса. Показано, что при учете дисперсии фотона для релятивистского нейтрино, излучающего вдали отпорога реакции, остаются справедливыми формулы (полученные без4учета дисперсии фотона), описывающие интегральные вероятность имощность, а также поляризационные характеристики излучения.Детально проанализированы условия, при которых возможна реализация процесса спинового света нейтрино в астрофизике. Показано,что основой для экспериментальной идентификации спинового светанейтрино является свойство циркулярной поляризации излучения.9. Предсказан новый тип электромагнитного излучения – спиновый свет электрона в среде (Spin Light of electron, SL), обусловленныйквантовыми переходами электрона между состояниями с различнымиспиральностями в среде, сопровождающимися излучением фотонов.Построена квантовая теория этого явления.

Показано, что при прочихравных условиях вероятность спинового света электрона в среде должна значительно превышать вероятность спинового света нейтрино.10. Исследовано явление спинового света, возникающего при радиационном переходе между различными массовыми состояниями нейтрино в среде (спиново-световая мода в радиационном распаде массивного нейтрино, т.

е. 1 → 2 + , 1 > 2 ). Получен энергетическийспектр излучаемых фотонов, и найдена полная вероятность распада.Теоретическая и практическая значимость работыРезультаты диссертации представляют интерес для дальнейшегоразвития квантовой теории поля с учетом влияния внешних условий– сильных внешних полей и плотной среды. Развитые в диссертацииметоды расчета, в частности, полученные уравнения, описывающиедвижение массивных нейтрино во внешнем поле и в среде, могут бытьиспользованы (и уже используются) для решения различных конкретных задач в области физики элементарных частиц.