Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 11
.pdf
1
р
Астрофизические нейтрино
С астрофизическими нейтрино была только одна проблема — их долго не могли зарегистрировать.
Ранее знали о существовании двух точно идентифицированных источников астрофизических
нейтрино: Солнце и сверхновая 1987А, вспыхнувшая в соседней с нами галактике Большом
Магеллановом Облаке. Зарегистрированные от них нейтрино обладают энергиями в миллионы раз
ниже, чем наблюдаемый диффузный поток нейтрино высоких энергий.
1) Взрывы сверхновых, и остатки сверхновых, которые представляют собой газопылевые
образования от взрыва сверхновых, десятки или сотни лет до момента наблюдения.
2) Двойные звёзды. Для нейтринной астрофизики, − пульсары в системе двойных звёзд.
Пульсар является вращающейся нейтронной звездой.
3) Активные ядра галактик (Active Galactic Nuclei − AGN). Спиральные галактики, в центре
которых находится массивная чёрная дыра (107-109 солнечных масс).
Не локализованные источники нейтрино (космологические нейтрино 1018эв)
1) ГЗК-нейтрино (эффект Грейзена, Зацепина, Кузьмина). Нейтрино сверхвысоких энергий,
возникающие при взаимодействии высокоэнергетических протонов с реликтовым излучением
ℽ
~n+π Ер~1020эв есть
реликт
2) нейтрино от распада топологических дефектов. (монополи, космические струны и частицы с
массами более 1020 эВ, оставшихся с момента рождения Вселенной)
3) Z-вспышки.
Нейтрино сверхвысоких энергий взаимодействуют с реликтовыми нейтрино, образуя Z-бозоны.
Распад Z-бозонов приводит к появлению адронных струй, служащих источником нейтрино.
Пороговая энергия реакции 4,28х1021эв
Нейтрино от взрывов сверхновых.
Сверхновая – Солнце
Водородно - гелиевый шар,
возраст4,5 млрд лет, D = 1,3 мл км,
М = 2х1030кг, А = 1,2х10
57
В расширяющемся шаре по мере
выгорания водорода и уменьшения
сопротивления гравитации формируется
ядро в центре Солнца. В конце жизни
Солнце стремительно увеличится в
размерах вплоть до орбиты Земли.
Далее оболочка будет сброшена и
станет красивой туманностью. Ядро звезды через миллиарды лет превратится в белый карлик —
яркий объект размером в 100 раз меньше Солнца.
Плотность белого карлика больше 107 г/см3, температура поверхности ~ 104K. При такой
температуре атомы полностью ионизованы и внутри звезды ядра погружены в море электронов,
образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему
гравитационному коллапсу звезды. Звезда остается стабильной в течение триллиона лет.
2
Если масса звёзды превышает массу Солнца более чем в 8 раз, то может произойти взрыв -
вспышка сверхновой. Звезда превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру.
Гравитация формирует ядро звезды с высокой
плотностью и температурой. Возникают условия для
термоядерного синтеза. Из водорода синтезируются дейтерий
и гелий, а затем более тяжелые элементы вплоть до железа. С
образованием ядер железа синтез более тяжелых элементов
прекращается, т.к. требует затрат энергии.
Нейтронная звезда
При массе железного ядра звезды в 1,5 раза
превышающей массу Солнца давление вырожденного
электронного газа в ядре не может противостоять гравитации,
которая сжимают звезду, наступает коллапс, разрушение ядра
железа. Появляются нейтроны и протоны.
Фермиевской энергии электронов достаточно для
превращения протонов и электронов в нейтроны и нейтрино
p + e- n + ν
e
(порог Ее = 0,8 МэВ
). Процесс β-распада
нейтронов n→p + e- + ν запрещен принципом Паули,
устанавливающим предельный минимальный объем
пространства, который может занимать электрон и внешнее
давление не может этот объем уменьшить. Все уровни
энергии электронов заняты.
“Выгорание” протонов приводит к исчезновению железного ядра звезды + 25e- 56n + 26νe.
и превращению его в нейтронный Ферми. Так как нейтроны, занимают гораздо меньший фазовый
объем, чем электроны ( λn<<λe) плотность увеличивается с 1011 г/см
-3
до ядерной ~2х1014.
Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи,
возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае
белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа.
Масса нейтронной звезды 1.5M
= 3·1030 кг, Число нейтронов в звезде Nn 1.8.1057. Радиус
Sun
звезды R=15км. Соответствующая гравитационная энергия ~1059MeV
Механизм высвобождения энергии, накопленной в Звезде
Излученные ядром звезды фотоны, завязнут во внешних оболочках ядра. Основным
механизмом потери энергии становится испускание нейтрино, образующихся в реакциях:
Длина свободного пробега нейтрино в нейтронной звезде
1
)2/(
FAA
102
km
EEGNN
222
Для энергии нейтрино 10 МэВ, длина пробега 0,1км и основная излучаемая энергия временно
остается в ядре. Следовательно, существует «термальная фаза» ядра звезды, когда
парыее,
и гамма излучение находятся в равновесии. При охлаждении ядра за счет
3
эмиссии нейтрино в течение нескольких секунд излучается 90% гравитационной энергии
Нейтрино забирает львиную долю энергии у взрывающейся звезды, разрывая ее оболочку
Таким образом, взрыв сверхновой невозможен без вспышки нейтрино.
Тяжелые химические элементы тоже не могут образоваться без взрыва. В ядрах звезд могут
образовываться элементы только до железа. Именно в процессе взрыва сверхновой возникают
огромные температуры и давления, которые делают возможным синтез тяжелых элементов.
Пульсары
В 1967 г. открыты космические источники периодического электромагнитного излучения пульсары. Пульсары - это вращающиеся нейтронные звезды, имеющие массу 1 - 3M и диаметр 10 20 км. Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании нейтронной звезды
приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным магнитным полем B ~ 1012 Гс,
полюса которого не совпадает с осью вращения звезды.
Магнитосфера (магнитное поле нейтронной звезды) жестко, как одно
целое, вращается вместе со звездой, поэтому заряды, находящиеся в ее
плазменной оболочке, могут ускоряться центробежной силой осевого
вращения звезды вдоль тех магнитных силовых линий, которые удаляются
от поверхности звезды. На расстоянии от звезды, где скорость разгона
приблизится к световой, магнитное поле уже не может удержать заряды, и
они вылетают из своей центрифуги в качестве знакомых нам
релятивистских электронов, протонов, позитронов и легких ядер, т. е.
космических лучей.
Магнитная ось (а) пульсара не совпадает с осью его вращения (б). Излучение пульсара
направлено в конусе (в) вдоль магнитной оси и воспринимается нашей аппаратурой,
когда магнитная ось с излучающим конусом пересекает наш луч зрения ( г - магнитные
силовые линии, д-траектория заряда. е - синхротронное излучение.)
Космические лучи, выскользнув из магнитосферы звезды, оказываются в магнитной ловушке,
созданной запутанным магнитным полем остатка сверхновой. Они и создают синхротронное излучение,
например, Крабовидной туманности во всех областях длин волн.
Магнитное поле выметает заряды из магнитосферы звезды, но это не приводит к быстрому
уменьшению их количества. Вращающееся магнитное поле индуцирует вокруг себя электрическое поле.
Напряженность его над поверхностью нейтронной звезды около 1011 В/см. Это поле постоянно срывает
с поверхности звезды заряды в магнитосферу и поддерживает ее плотность на одном уровне.
Нейтронная звезда – пульсар
PSR B0531+21 ( Крабовидная
туманность) размером 25 км.
Звезда вращается со скоростью
30 оборотов в секунд
На снимках туманности в
рентгеновских лучах заметен
огромный диск из вещества,
закрученного вокруг пульсара.
4
Канадский астроном Шелтон наблюдал в 1987 г. взрыв сверхновой SN 1987A в Большом
Магеллановом облаке. Вспышка была видна невооруженным глазом.
На "Камиоканде II" даже
вычислили направление на источник
вспышки. За несколько часов до
видимого взрыва звезды четыре
нейтринных детектора в мире
зафиксировали аномальные потоки
космических нейтрино.
Чёрная дыра
Область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что
покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света
Если масса ядра сверхновой больше утроенной массы Солнца, гравитационные силы
преодолевают давление нейтронного Ферми-газа, наступает «релятивистский гравитационный
коллапс» быстрое сжатие под действием гравитационных сил в условиях, когда массивная звезда уже
сжалось до столь малых размеров, что у его поверхности гравитационный потенциал
оказывается сравнимым по величине c2, т.е. В этих условиях с какой бы скоростью
вначале ни сжималась звезда, с приближением к скорость сжатия стремится к световой. Сферу с
радиусом r=rg наз. сферой Шварцшильда или горизонтом событий, а rg - гравитационным радиусом.
В астрофизике
r 5,2 . Что бы ни происходило со звездой после ее сжатия до размеров ,
g
M
M
s
внешний наблюдатель об этом никогда ничего не узнает. Звезда превращается в черную дыру
Радиус типичной черной дыры 30 км, ρ = 2х109 т./см3. Радиус черной дыры соответствующей
массе Солнца составил бы 3 км, Земли – 1см
Увидеть чёрную дыру сложно, однако
присутствующий вокруг неё светящийся газ —
реально.
В 1974 году, использовав восемь
радиообсерваторий, объединённых в один
виртуальный телескоп, удалось заснять чёрную
дыру под названием «Стрелец A*». Расстояние
до неё от Земли составляет 27 тысяч световых
лет, а вес в четыре миллиона раз больше
Солнца.
Две сверхмассивные черные дыры: Стрелец A* в центре Млечного Пути и Мессье 87, известная
также, как Дева А или NGC 4486, — посреди сверхгигантской эллиптической галактики М87.
5
Астрофизические нейтрино высоких энергий
Двойные звёзды.
Тип, представляющий интерес для нейтринной астрофизики, − пульсары в системе
двойных звёзд. Пульсар является вращающейся нейтронной звездой.
Одним из галактических источников, от которых ожидается поток нейтрино высоких
энергий, является двойная система Лебедь Х- 3. От этого источника зарегистрировано гаммаизлучение сверхвысокой (~104 - 107 ГэВ) энергии. Гамма-излучение генерируется в результате
взаимодействия ускоренных протонов с макс. энергиями до 108 - 109 ГэВ с атомными ядрами
газа, окружающего массивную звезду двойной системы. Этот процесс сопровождается
генерацией нейтрино высоких энергий. Для этих объектов характерны механизмы ускорения
ионов, которые затем тормозятся в плотной среде и рождают нейтральные и заряженные
пионы. При распаде пионов образуется примерно равное число нейтрино и γ-квантов.
Сигнал от сверхновой. SN 1987A — результат гибели голубого гиганта Сандулик. За три
десятка лет с момента взрыва от него остались только загадочные кольца и источник радио- и
рентгеновского излучения.
Наложение снимков в
разных диапазонах
спектра. Радиодиапазон –
(красный цвет) показывают
пыль в центре остатка. В
центре пока ничего не
нашли. Данные телескопов
«Хаббл» (видимый
диапазон, зелёный цвет) и
(рентгеновский диапазон,
синий цвет) показывают
распространение ударной
Активные ядра галактик (Active Galactic Nuclei − AGN).
6
Основной. вклад в сигнал при детектировании
дают нейтрино с энергией выше 30 ТэВ. T. о.,
рр-нейтрино с энергией 30- 1000 ТэВ
определяют диапазон нейтринной
астрономии высоких энергий. Задачи
нейтринной астрономии высоких энергий
сводятся исключительно к поиску точечных
космических источников нейтрино.
В ядрах активных галактик сверхмассивная черная
дыра (104 – 108 массы Солнца) преобразует
гравитационную энергию аккрецирующего вещества и/или
вращательную энергию черной дыры в мощные
релятивистские струи , в которых частицы ускоряются
до очень высоких энергий, что, при взаимодействии
с окружающим веществом или излучением, приводит
к возникновению потока высокоэнергетических пионов,
которые распадаются на фотоны и нейтрино.
Методы регистрации нейтрино
высоких энергий
При взаимодействиях электронных
нейтрино их энергия передаётся
электрону и адрону. В лептон уходит
большая её часть, примерно 80%.
Электрон создает электромагнитный
ливень. Его размеры при энергии
нейтрино 2ПэВ= 2х109МэВ
L= 17x36= 6м,
21
R
Rm
E
кр
смL
4,8
(Вода LR=36см,
Eкр=90 МэВ, 2х109 е-х , х = 17LR )
В масштабе огромных детекторов вроде IceCube такие события являются по сути
точечными, и выделение из них угловой информации крайне затруднительно.
7
ud
Во взаимодействиях типа
средняя энергия μ− составляет половину
энергии нейтрино.
du
Во взаимодействиях типа
средняя энергия μ+ – примерно 3Ú4
энергии нейтрино.
Энергия мюонов определяется: при Eν < 100 ГэВ – из длины их пути, а при Eν > 1ТэВ –
из потерь ими энергии на единицу длины. Современные установки Байкал и IceCube
ориентированы именно на детектирование этих взаимодействий νμ с помощью черенковского
излучения.
Детекторы астрофизических нейтрино
Нейтринный телескоп DUMAND (Deep
Underwater Muon And Neutrino Detection).
Устройство должно было иметь около
20 000 умножителей, равномерно
расположенных в кубическом километре в
океане, около берегов Гавайи. Реализация
американского нейтринного телескопа
происходила довольно медленно.
Основная идея детектора состояла в том, что
гидрофоны должны были регистрировать
акустические волны, возникающие при
ударе адронного или электромагнитного
каскада о поверхность океана
Принцип работы телескопа: акустический и
черенковский детекторы работают синхронно
Долгая реализация проекта, а также неудача
при первой установке вынудила США
прекратить финансирование.
НТ-200
8
Параллельно с DUMAND разрабатывали
нейтринный телескоп НТ-200 в СССР.
Озеро Байкал имеет достаточную глубину, и
очень прозрачную воду. В 1994-м году
развертка НТ-200 на дне Байкала была
окончена. Нейтринный телескоп содержал
192 оптических модулей, погруженных на
глубины до 1300 м. В том уже году
зарегистрированы первые нейтрино.
Следующий этап проекта является
увеличение объема телескопа за счет новых
кластеров. К 2020 году планировалось
создание установки, состоящей из 10-12
кластеров общим объемом порядка 0.5 куб.
км, сопоставимым с чувствительным
объемом мирового лидера - эксперимента
IceCube.
Несколько позже американцы совершили вторую попытку создания нейтринного телескопа,
на этот раз во льдах Антарктиды, так как лед также является прозрачной средой.
Проект назван AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array). Бурение скважины
происходило с использованием горячей воды, далее в скважину опускались фотоумножители. На
проведение операции было всего 48 часов, после чего скважина вновь замерзала.
Детектор состоит из
677 оптических модулей,
которые расположены на
19-ти отдельных кабелях,
помещенных на глубину
1500-1900 метров и
образуют кольцо
диаметром 200 метров.
НТ-200 и AMANDA стали
нейтринными телескопами
первого поколения
9
Первым завершенным проектом стал наследник детектора AMANDA —
нейтринная обсерватория Ice Cube , которая располагается в Антарктиде, на
станции Амундсен-Скотт – прямо у Южного полюса Земли.
Детекторы телескопа в виде 86 гирлянд располагаются на глубине от 1450 до 2450
метров, каждая такая гирлянда имеет 60 фотоумножителей. Объем, с которого производится
регистрация черенковского излучения составляет 1 кубический километр. ФЭУ регистрируют
черенковское излучение мюонов высокой энергии, движущихся из-под земли. Такие мюоны
могут рождаться только при взаимодействии мюонных нейтрино, прошедших сквозь Землю, с
электронами и нуклонами льда.
Первой целью IceCube была регистрация максимально высокоэнергетических нейтрино,
которые могли поместиться в его детекторе.
Летом 2013 года коллаборация сообщила о наблюдении целых двух нейтринных события
с энергией больше 1 ПэВ. Атмосферных нейтрино с такой энергией уже не должно было
оставаться; вероятность того, что эти два нейтринных события были атмосферного, а не
астрофизического происхождения, составляла меньше процента. Однако для абсолютно
надежного сообщения об открытии астрофизических нейтрино этих двух примеров
недостаточно.
10
Нейтринное событие
с энерговыделением
2 ПэВ = 2000 ТэВ. Размер
каждого кружка пропорционален
энерговыделению в одном ФЭУ.
Цвет кружка отвечает времени
прихода светового сигнала
в данных ФЭУ: более ранние
вспышки отвечают красному
цвету, более поздние — синему.
Нейтрино с такой большой энергией оставляет в детекторе очень яркий сигнал.
Чем ярче вспышка, тем больше ее пространственный размер. Для энергий нейтрино в сотни
ТэВ или даже ПэВ этот размер составляет сотни метров. Поэтому для того, чтобы отличить
нейтринные события с энергией 1 ПэВ и 1 ТэВ — то есть четко различать астрофизические и
атмосферные нейтрино, — требуется установка размером порядка километра.
В 2016 г. Впервые
зафиксировано сразу
три нейтрино.
Случайно такое
событие можно
ожидать примерно
раз в 13,7 лет.
После этого успеха коллаборация решила спуститься вниз по энергии. В новом
сообщении речь шла о нейтрино с энергией выше 30 ТэВ. На то, что IceCube
действительно видит астрофизический нейтрино указывало не только количество событий
(28 против ожидаемого десяти), но и соотношение между типами нейтрино. Атмосферные
нейтрино - преимущественно мюонные, а космические нейтрино должны быть
распределены поровну между всеми тремя типами нейтрино — электронным, мюонным и
тау-нейтрино.
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)