Диссертация (Нейтрино в движущихся замагниченных средах и новые астрофизические эффекты)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИна правах рукописиТОКАРЕВ ИЛЬЯ ВЛАДИМИРОВИЧНЕЙТРИНО В ДВИЖУЩИХСЯ ЗАМАГНИЧЕННЫХ СРЕДАХ И НОВЫЕАСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ01.04.02 – теоретическая физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:доктор физико-математических наук,профессорА. И.

СТУДЕНИКИНМосква20142ОглавлениеВведение41 Нейтрино: история и современный статус111.1 Нейтрино и Стандартная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2 Осцилляции нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3 Электромагнитные свойства нейтрино . . . . . . . .

. . . . . . . .2 Осцилляции нейтрино в среде с различными профилямиплотности и скорости2.1 Осцилляции нейтрино в2.2 Осцилляции нейтрино в2.3 Осцилляции нейтрино впостоянным ускорениемвакууме . . . . . .покоящейся средесреде, движущейся. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. .

. . . . . . . . . . .с. . . . . . . . . . . . .111520232426303 Миллизаряженное нейтрино с аномальным магнитным моментом3.13.23.3в магнитном поле и плотной среде40Лагранжиан модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Метод точных решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Миллизаряженное нейтрино с аномальныммагнитным моментом в магнитном поле и плотной среде .

. . . .3.4 Миллизаряженное нейтрино в магнитном поле иплотной вращающейся среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.5 Нейтрино с аномальным магнитным моментом вмагнитном поле и плотной среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.6 Нейтрино в плотной среде, движущейся спостоянной скоростью . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Новые астрофизические явления445361636834.1 Квазиклассическая интерпретация новых решенийуравнений Дирака . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2 Новые астрофизические явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3 Свет миллизаряженного нейтрино . . . .

. . . . . . . . . . . . . .6973784.4 Нейтринный механизм вращения звезд . . . . . . . . . . . . . . .4.5 Новое астрофизическое ограничение на миллизаряд нейтрино . .4.6 Миллизаряженные нейтрино и глитчи . . . . . . . . . . . . . . . .808485Заключение87Приложения90Приложение 1. Матрицы Дирака . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Приложение 2. Частные случаи новых решений уравнений Дирака . . . . . . . . . . 91Список литературы984ВведениеДиссертация посвящена описанию распространения и осцилляций нейтриново внешних электромагнитных полях и плотных движущихся средах, а такжепредсказанию новых астрофизических эффектов и явлений.Актуальность темы исследованияОбнаружение бозона Хиггса в экспериментах ATLAS [36] и CMS [37] на Большом адронном коллайдере является одним из наиболее значимых фактов, подтверждающих состоятельность Стандартной модели физики элементарных частиц.

Однако, данная модель, неоднократно подтверждающаяся в экспериментах с очень высокой точностью, требует последующего развития и обобщения.Поэтому поиск физики за пределами Стандартной модели, так называемой “новой физики”, представляется наиболее значимой целью экспериментальной итеоретической физики ближайших лет.Поскольку нейтрино является единственной частицей, входящей в структуру Стандартной модели и демонстрирующей свойства за ее пределами, тоименно физика нейтрино представляется наиболее перспективным направлением развития фундаментальной физики и источником “новой физики”. Помимоявления осцилляций нейтрино, которое уже наблюдается в экспериментальныхустановках, еще одним прорывным направлением в физике нейтрино можетстать изучение нарушения CP-инвариантности на основе данных нейтринныхэкспериментов. Это стало возможным благодаря недавним данным об измерении угла смешивания θ13 , которые указывают на ненулевое значение даннойхарактеристики осцилляций [38].Благодаря своей высокой проникающей способности нейтрино является эффективным инструментом изучения внутреннего строения звезд.

Множество регистрируемых солнечных нейтрино и нейтринный сигнал от сверхновой SN1987Aуже способствовали развитию знания о природе данных астрофизических объ-5ектов. В настоящий момент ведутся активные поиски новых астрофизическихисточников нейтринного излучения [39], а уже зарегистрированные детекторомIceCube высокоэнергетические нейтрино внеземного происхождения [40] свидетельствуют о начале эры нейтринной астрономии. В связи с этим, новые знания о движении и осцилляциях нейтрино в экстремальных внешних условиях(сверхсильных магнитных полях и плотных средах), характерных для астрофизики, представляют значительный интерес.Степень разработанности темы исследованияФизика нейтрино является одной из наиболее интенсивно развивающихсяобластей фундаментальной физики.

В этой области уже получено множествотеоретических результатов и экспериментальных данных. В частности, в области описания распространения и осцилляций нейтрино во внешних электромагнитных полях и плотных движущихся средах создан значительный задел. Осцилляции нейтрино не только хорошо описаны теоретическими моделями, но иактивно изучаются на экспериментальных установках по всему миру. Имеютсяданные по всем характеристикам осцилляций и открыта возможность изучениянарушения CP-инвариантности на основе данных нейтринных осцилляционныхэкспериментов. На основе метода точных решений получен ряд новых решенийуравнений Дирака, описывающих движение нейтрино в экстремальных внешних условиях, и предсказаны новые процессы взаимодействия нейтрино в астрофизических условиях.При этом, физика нейтрино в настоящий момент остается одной из наиболеезагадочных областей фундаментальной физики.

До сих пор неизвестна природафлейворных осцилляций нейтрино. Не определена масса нейтрино, являющаясяосновной характеристикой элементарных частиц. Изучение электромагнитныхсвойств нейтрино только начинает привлекать интерес исследователей. В связис этим, в области физики нейтрино существует ряд проблем, решение которыхважно не только для данной области знаний, но и для фундаментальной наукив целом.6Цели и задачи диссертационной работыЦелью диссертационной работы является теоретическое описание распространения и осцилляций нейтрино в экстремальных внешних условиях (в сверхсильных магнитных полях и плотных движущихся средах) и предсказание новых астрофизических явлений и эффектов. В частности, весьма важным направлением исследований является изучение осцилляций нейтрино в движущихся средах.

Также источником “новой физики” может стать изучение распространения нейтрино, обладающего нетривиальными электромагнитными свойствами, в движущихся замагниченных средах. Эффективным инструментом исследований в данной области является метод точных решений квантовых уравнений Дирака, описывающих нейтрино в экстремальных внешних условиях.Научная новизна диссертационной работыНаучная новизна данной работы заключается в том, что:1. впервые описаны флейворные осцилляции нейтрино в среде, движущейсяс постоянным ускорением. В адиабатическом приближении найдена вероятность перехода электронного нейтрино в мюонное нейтрино и полученоусловие резонансного увеличение амплитуды осцилляций;2.

на основе метода точных решений получен ряд новых решений уравненийДирака, описывающих нейтрино с нетривиальными электромагнитнымисвойствами в экстремальных внешних условиях (во внешнем электромагнитном поле и плотной среде). В процессе построения решений были предложены два новых спиновых оператора;3.

предсказан новый эффект пространственного разделения потоков релятивистских нейтрино по энергиям и типу нейтрино после прохождения сквозьвращающуюся замагниченную среду. Определено значение пороговой энергии миллизаряженного нейтрино, при которой возникает эффект удержания нейтрино внутри нейтронных звезд;4. предсказан новый механизм электромагнитного излучения миллизаряженного нейтрино в плотной неоднородной движущейся замагниченной среде(“свет миллизаряженного нейтрино”) и определена классическая интенсивность излучения;75. предсказан новый механизм изменения скорости вращения звезд за счетнейтринного излучения (“нейтринный механизм вращения звезд”) и получено аналитическое выражение для изменения угловой скорости вращениязвезд за счет предложенного механизма. Предсказанный механизм можетбыть использован для объяснения природы глитчей и “анти-глитчей” пульсаров.

Также произведена оценка вклада данного механизма в динамикувращения сверхновых звезд, на основе которой получено новое наиболеестрогое астрофизическое ограничение на миллизаряд нейтрино.Теоретическая и практическая значимость диссертационной работыТеоретическая и практическая ценность диссертации определяется тем, чторазвитая теория осцилляций нейтрино в среде, движущейся с ускорением, представляет интерес для анализа экспериментальных данных нейтринных экспериментов по регистрации потоков нейтрино астрофизического происхождения.Найденные новые точные решения уравнений Дирака могут быть использованы при расчетах различных процессов с участием нейтрино в астрофизическихусловиях и последующем поиске эффектов “новой физики”.

Новые предсказанные эффекты и явления в совокупности с современными экспериментальными данными по изучению астрофизических источников нейтринного излучениямогут быть использованы для изучения фундаментальных свойств нейтрино.В частности, анализ вклада нейтринного механизма вращения звезд в динамику вращения сверхновых звезд дает лучшее астрофизическое ограничение намиллизаряд нейтрино.Положения, выносимые на защиту1. Вероятность и условие резонансного усиления флейворных осцилляцийнейтрино в неполяризованной релятивистской среде, движущейся с ускорением. Нерелятивистский предел соответствующих выражений.

Условияполного перехода электронных нейтрино в мюонные в релятивистской среде, движущейся с постоянным ускорением.2. Точные решения уравнений Дирака, описывающие нейтрино с нетривиальными электромагнитными свойствами в экстремальных внешних условиях8(во внешнем электромагнитном поле и плотной среде). Два новых спиновых оператора.3.