6.5 Космические источники нейтрино больших энергий

Loading...

Из курса от партнера Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Астрофизика: от звезд до границ Вселенной

40 оценок

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Астрофизика: от звезд до границ Вселенной

40 оценок

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.

6.5 Космические источники нейтрино больших энергий6:57

Познакомьтесь с преподавателями

Варшалович Дмитрий Александрович
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] [МУЗЫКА]

Обсудим основные источники нейтрино, астрофизические источники.

Их довольно много, и на диаграмме указаны далеко не все,

а наиболее распространённые.

Кроме этих, которые указаны на диаграмме, все звёзды являются источниками нейтрино,

нейтронные звёзды являются источниками нейтрино и так далее.

Центральное положение на этой диаграмме занимают геонейтрино,

это нейтрино от нашей Земли.

Оказывается, наша Земля производит довольно большое количество — в секунду 3,

скажем, на 10 в 25‐й антинейтрино.

Начнём с реликтового нейтрино.

Действительно, это след горячей Вселенной,

когда температура была 10 в 10‐й степени градусов Кельвина.

И сейчас, в настоящее время, мы имеем фон,

нейтринный фон, и количество нейтрино в каждом кубическом сантиметре

Вселенной уступает только реликтовому микроволновому излучению,

только квантам реликтового излучения, это примерно 330 нейтрино см³,

соответствующее температуре 1,95 К.

Солнечные нейтрино распространяются

примерно от 0,01 до 100 МэВ.

И здесь на диаграмме

указаны основные потоки, которые соответствуют солнечным нейтрино.

Типичный поток 6 * 10 в 10‐й см² / сек.

Через каждый см² здесь,

у детектора на Земле, проходит такое количество нейтрино.

Если взять детектор 50 на 50 метров, то получается,

что в секунду через него будет проходить 10 в 18‐й степени нейтрино.

Известно, что гравитационный коллапс является мощным источником нейтрино.

Энергетика этого нейтрино очень велика, распространяется от 1 МэВ до 1 ГэВ.

Основные реакции, производящие нейтрино,

это электронный захват и аннигиляция электрон‐позитронных пар.

Атмосферные нейтрино.

Это нейтрино, которые производятся в нашей атмосфере на высоте примерно 15 км.

Протоны или другие частицы космических лучей

ударяют об атомы атмосферы и производят пи‐мезоны.

Произведённые пи‐мезоны распадаются на мю‐мезоны и мюонные нейтрино,

или антинейтрино.

А мю‐мезон, в свою очередь, со временем 10 в −6-й

сек распадается на электрон‐позитрон и два типа нейтрино — электронное или мюонное.

Мю‐нейтрино производится в два раза больше, чем электронных.

Энергетика атмосферных нейтрино очень широка: от 10 в 9‐й

электронвольт, то есть 1 ГэВ, до 10 в 18‐й.

Здесь на диаграмме это максимальная указанная энергия,

соответствует 1 ЭэВ.

Нейтрино от ядер галактик ещё более энергичные.

То есть это производство очень высокоэнергичных нейтрино,

распространяющихся от 10 в 12‐й до 10 в 18‐й, то есть до 1 ЭэВ.

И основные реакции производства нейтрино

— это тоже столкновение протонов, которые производят пи‐мезоны,

с протонами же или с гамма‐квантами в этих источниках, космических источниках.

И пи‐мезоны по той схеме, которая выше обсуждалась,

они распадаются и дают нейтрино,

мюонные и электронные нейтрино в соотношении 2 к 1.

Нейтрино ультравысоких энергий, которые не были раньше показаны,

распространяются до 10 в 21‐й электронвольт и производятся, в основном,

ускоренными протонами, рассеивающимися на гамма‐квантах реликтового излучения.

Этот эффект называется эффект Грейсера —Зацепина — Кузьмина и производит

нейтрино, которые реально можно измерять у сверхвысоких энергий.

Например, в настоящее время построено и работает большое

количество детекторов, которые специально ориентированы на регистрацию

сверхвысокоэнергичных нейтрино, ну и в частности, IceCube.

В настоящее время, к началу, лучше сказать,

2015 года было зарегистрировано три ПэВ‐ных нейтрино,

то есть как раз нейтрино, скорее всего,

произведённых механизмом Грейсера, Зацепина и Кузьмина.

Таким образом, конец XX и начало XXI века — это интенсивнейшее развитие

нейтринной астрономии, включая регистрацию нейтрино очень высоких энергий.

Сюда можно отнести байкальскую NT‐200 обсерваторию,

Amando на Южном полюсе, Antares и Nestor в Средиземном море,

IceCube — вот ту, которую я уже обсуждал.

И все они охватывают широкое международное сотрудничество.

Нейтрино — это невидимый вездесущий агент важнейших астрофизических

процессов во Вселенной, огромное количество объектов излучает нейтрино,

и мы можем увидеть недра этих объектов,

которые не видны в других диапазонах, в электромагнитных волнах.

Нейтрино — это мощный след ускорителей, существующих во Вселенной — это квазары,

активные ядра галактик, источники гамма‐всплесков.

И наконец, нейтринная астрономия — это ключ к решению

фундаментальных задач, проблем физики и астрономии.

В частности, уже сейчас ясно, что новая физика,

принесённая исследованиями нейтрино, далеко выходит за пределы

стандартной модели элементарных частиц.

[БЕЗ_ЗВУКА]

Ознакомьтесь с нашим каталогом

Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.

Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.

© Coursera Inc., 2019 Все права защищены.

Загрузить из App Store

Загрузить в Google Play