Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
Из урока
Нейтринная астрофизика
Раздел состоит из пяти лекций, которые посвящены исследованию удивительных частиц - нейтрино. Это невидимые вездесущие частицы, имеющие очень-очень маленькую массу. Их чрезвычайно сложно зарегистрировать, при том, что через каждый квадратный см поверхности ежесекундно проходит более 100 млрд. частиц. В лекциях рассказывается о свойствах этих частиц, об экспериментах по их обнаружению и о науке, основанной на анализе данных наблюдений нейтрино, испущенных космологическими объектами. Вы узнаете, зачем японцам понадобилось 50 тысяч тонн специально очищенной воды, и за что были получены несколько нобелевских премий.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] И,
наконец, последняя точка в
решении проблемы солнечных нейтрино была поставлена в эксперименте,
который был произведен в Канаде и назывался нейтринный эксперимент Садбери.
И отличался он тем, что они уже учли результаты
предыдущих экспериментов и в качестве рабочего тела использовали тяжелую воду.
В частности, та же самая реакция, что и Супер-Камиоканде,
то есть, рассеяние нейтрино на электронах, с тем же самым порогом,
тоже использовалась для регистрации боровских нейтрино.
Обсерватория представляла собой такую… Это называлось «рыбий глаз».
На рисунке слева изображена установка этого рыбьего глаза,
внутренняя часть этого рыбьего глаза — это акриловый сосуд,
диаметр этого сосуда 12 метров.
И он наполнен тяжелой водой, то есть дейтериевой водой.
Вся вот эта оболочка окружена примерно 10 тысяч фотоумножителей.
То есть этот прибор тоже измеряет направление, откуда приходят нейтрино.
И регистрировались три реакции.
Тяжелая вода позволяла регистрировать три реакции.
Во- первых, упругое рассеяние, которое использовалось и используется
в Камиоканде, во-вторых, реакция дейтерия на нейтрино,
идущая через, так называемые, заряженные токи,
где производятся только электроны и реакция идет только
на электроны и нейтрино одного типа.
И, наконец, реакция нейтрино на дейтерий,
в результате которой рождался нейтрон и протон.
Дейтерий распадался на нейтрон и протон.
И эта реакция шла через нейтральные токи, так называемые,
которые позволяли регистрировать все типы нейтрино.
Вот в этом моменте и была ключевая идея,
которая была заложена в этом приборе.
Результат измерения потока солнечных нейтрино в каждом из
типов реакции можно было проследить отдельно.
И поэтому поток солнечных нейтрино,
которые давала реакция, идущая через заряженные токи,
результат практически совпадал с тем, что было в экспериментах Дэвиса.
То есть, примерно в треть меньше,
чем тот поток, который ожидался по стандартной солнечной модели.
А реакция упругого рассеяния давала практически то же,
что и давал результат Супер-Камиоканде.
Это тот же поток нейтрино.
И это уже говорило о том, что здесь примешивается еще какое-то явление,
которое не учитывалось, когда рассматривали проблему солнечных нейтрино.
И наконец, общий поток, где участвовали все типы нейтрино,
регистрировались все типы нейтрино, идущие через нейтральные токи,
он давал практически ту же цифру потока,
которая была рассчитана в стандартной солнечной модели.
То есть, ответ уже нависал.
Этот ответ заключался в том, что нейтрино переходило в другие сорта.
И когда люди научились регистрировать эти другие сорта,
вот тут-то они получили тот самый поток, который ожидался теоретически.
За эту работу в 2015
году Артур Макдональд получил Нобелевскую премию.
Вот тот результат, который поставил точку в проблеме солнечных нейтрино,
он хорошо демонстрируется на известной диаграмме,
где по вертикали отложен поток мюонных и тау-нейтрино не различаемых.
Но только мюонных и тау.
А по горизонтали — только электронные нейтрино.
И, на самом деле, каждый из измеряемых потоков представляет
собой уравнение, простейшее уравнение.
Это только то, что мы видим от заряженного тока, то есть эксперимент Дэвиса.
Это строгий поток в электронных нейтрино.
На диаграмме он представляет из себя просто вертикальную линию,
точно соответствующую тому, что получал Дэвис.
То, что соответствует зеленой наклонной кривой — это
результат фактически Камиоканде, повторенный в Садбери.
Действительно, это реакция на сеяние электронов,
но основной вклад там все равно вносили электронные нейтрино.
В силу того, что рассеяние электронного нейтрино на электронах значительно больше,
чем рассеяние мюонных и тау-нейтрино.
И поэтому кривая эта имеет сравнительно небольшой наклон
и пересекает вертикальную кривую в определенной точке.
Так вот синяя наклонная полоса — это результат измерений в нейтральных токах.
Если рассматривать тот поток, который был замерен, как уравнение,
как линейное уравнение по определению различных
комбинаций потока от тау-, мю-нейтрино и потока электронных нейтрино.
Например, если рассматривать крайнюю левую точку этой диаграммы,
то мы видим результат 5 * 10 в 6-й.
Поток 5 * 10 в 6-й квадратные сантиметры в секунду,
принадлежащие только мюонному и тау-нейтрино.
А если, наоборот, крайнюю точку по горизонтали рассматривать,
то там этот же самый поток соответствует только электронным нейтрино.
Обе эти возможности фактически,
если бы не было других реакций, были бы равноценны.
Но пересечение всех трех полос происходит в одной и той же точке.
И это очень важно.
Эта точка говорит о том, что есть определенное
электронное нейтрино и его поток соответствует тому,
что измерял Дэвис, то есть, 1 / 3 от реального потока.
А все остальное 2 / 3 привнесено другими типами нейтрино.
То есть, часть нейтрино по дороге перешло в другие типы нейтрино.
Таким образом, было фактически доказано, что есть осцилляции нейтрино.
Каждый из типов нейтрино, о которых я говорил — электронные,
мюонные, тау-нейтрино, они представляют из себя некоторую смесь
характерных состояний, массовых состояний.
Это простая аналогия со светом, который при произвольной поляризации,
можно всегда разложить на свет линейно поляризованный.
Ортогонально линейно поляризованный свет.
И здесь что-то похожее происходит.
И вот эта смесь состояний приводила к тому, что вероятность выживания, например,
электрона при распространении по отношению к переходу в нейтрино другого типа,
она содержит синусоидальную функцию,
которая зависит от расстояния и содержит
характерный размер L осцилляции,
зависящий от энергии нейтрино и от разности
квадратов масс тех фундаментальных состояний нейтринных,
смесь которых и представляет из себя реальное нейтрино.
И поэтому было измерено, эта разность квадратов масс
она оказалась не такой существенной, не такой,
как при измерении атмосферных нейтрино, и была сразу приписана
осцилляция между электронными и ϻ нейтрино.
И составляла эта разность масс примерно 8 * 10 в −5-й.
В −5-й, а там было в −3-й электронвольт в квадрате,
что соответствует размеру осцилляции, характерному периоду,
пространственному периоду осцилляции,
примерно 100 километров для нейтрино 3 МэВ.
Итого, результат уже совмещенных
экспериментов и в Садбери и Супер-Камиоканде показал,
что сейчас, на данный момент, никто не сомневается в том,
что каждый тип электронных нейтрино, несущих электронный заряд
в слабом взаимодействии, он представляет из себя, на самом деле,
смесь нейтрино в различных состояниях с определенными массами.
И вот эти вот массы, мы сейчас можем говорить только о
квадратах этих масс и о разнице квадратов этих масс.
Ну и возникает две разные системы,
два разных интервала, полученных из атмосферных нейтрино
— это интервал 2 * 10 в −3-й электронвольт в квадрате,
и полученных из солнечных нейтрино в эксперименте Садбери — это 8 * 10 в −5-й.
Таким образом, нейтринная обсерватория в Садбери, во-первых,
решила проблему нейтрино и согласовала полностью данные наблюдения с расчетами.
Во-вторых, было показано и доказано, что существует
осцилляция нейтрино, то есть переход одних типов нейтрино в другой.
В-третьих, была измерена разница характерных масс
тех основных массовых состояний,
и она оказалась порядка 8 * 10 в −5-й электронвольт в квадрате,
что соответствует длине периода осцилляции порядка 100
километров для нейтрино энергии 3 МэВ.
И, наконец, было четко сформулировано,
была четко сформулирована современная проблема теории элементарных частиц.
Нейтрино со своими осцилляциями и со своими массами, которые связаны с этими
осцилляциями, являются частицей, явно противоречащей тому,
что называется сейчас стандартная модель элементарных частиц.
То есть это вызов для всего последующего развития физики.
[БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
