Электрослабые и нестандартные процессы при сверхвысоких энергиях и их возможные проявления в астрофизике и космологии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

СЕРГИЕНКО Андрей Валентинович

Электрослабые и нестандартные процессы при сверхвысоких энергиях и их возможные проявления в астрофизике и космологии

Специальность: 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2013

6 ФЕ3 20Ц

005544705

СЕРГИЕНКО Андрей Валентинович

Электрослабые и нестандартные процессы при сверхвысоких энергиях и их возможные проявления в астрофизике и космологии

Специальность: 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2013

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук,

профессор

А.В. Кузнецов (ЯрГУ, Ярославль)

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук,

профессор

В.Б. Семикоз (ИЗМИРАН, Москва)

Кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Д.С. Горбунов (ИЯИ РАН, Москва)

Ведущая организация: МГУ им. М.В. Ломоносова

на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) по адресу: 117312, Москва, В-312, проспект 60-летия октября, 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН, г. Москва.

Автореферат разослан « 2»8. О 1. 2014 2013 г.

Защита состоится «

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01

Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Астрофизические и космологические наблюдения и оценки играют в последние десятилетия все более заметную роль в изучении физических свойств известных и гипотетических частиц и их взаимодействий. «Небесные лаборатории» существенно дополняют наземные ускорительные и неускорительные эксперименты, особенно в области физики слабо взаимодействующих элементарных частиц. Среди них нейтрино — одна из интереснейших частиц. Астрофизика и космология играют фундаментальную роль в физике нейтрино, поскольку свойства звёзд и Вселенной в целом дают некоторые из наиболее сильных ограничений на нестандартные свойства этих трудноуловимых частиц.

Данное исследование проведено па стыке квантовой теории поля, астрофизики и космологии — перспективных тесно связанных друг с другом направлений современной физики. В Стандартной модели нейтрино приписываются самые минимальные свойства, которые согласуются с экспериментальными данными: нулевые масса, электрический заряд, дипольньте электрический и магнитный моменты, вероятность распада — почти все физические характеристики считаются равными нулю. Это простая картина, и любое отклонение от неё будет чувствительным инструментом для проверки физики за пределами Стандартной модели. Поэтому столь привлекательны исследования по поискам масс нейтрино и их смешивания (в том числе эксперименты но обнаружению и подтверждению ОСЦИЛЛЯЦИИ нейтрино), по распадам нейтрино, по их электромагнитным свойствам.

И даже наделенные «минимальными» характеристиками нейтрино играют важную роль в астрофизике, так как энергетические потери в звёздах по современным представлениями определяются в основном нейтринными потерями благодаря их слабому взаимодействию с веществом. Кроме того, по этой же причине они оказываются основным действующим элементом в термальной и динамической эволюции как сверхновых, так и Вселенной в целом. Это объясняется тем, что слабо взаимодействующие нейтрино достигают термального равновесия в двух возможных физически интересных случаях: в ранней Вселенной незадолго до эпохи нуклеосинтеза и в ядре сверхновой за несколько секунд до коллапса. Таким образом, в силу указанных причин задачи изучения квантовых процессов с участием таких слабо взаимодействующих частиц (как известных, так и гипотетических: нейтрино — стандартных и нестандартных; голдстоуновских и псевдогол-дстоуновских бозонов: аксионов, майоронов, фамилонов; \VTMPs) в астрофизических условиях представляют большой интерес: за счет слабого взаимодействия с веществом они могут сильно влиять на энергетику астрофизических процессов, а включение нестандартных свойств может существенно менять ход этих процессов, что может быть обнаружено в наблюдениях.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании процессов с участием слабо взаимодействующих частиц сверхвысоких энергий во внешней активной среде, запрещённых или сильно подавленных в стандартной модели, которые становятся возможными при выходе за рамки стандартной модели, а также их возможных проявлений в астрофизике и космологии.

Научная новизна результатов.

Предметом исследований нового направления в физике - астрофизики элементарных частиц, зародившейся на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии и бурно развивающейся в последние десятилетия, являются элементарные процессы в экстремальных физических условиях, которые характерны для астрофизических объектов и не могут быть реализованы в современных лабораторных условиях. Исследования такого рода, с одной стороны, представляют интерес с концептуальной точки зрения, поскольку они открывают новые нетривиальные свойства частиц. С другой стороны, они интересны с точки зрения возможных астрофизических и космологических приложений, поскольку теоретический анализ в совокупности с имеющимися экспериментальными данными и численным моделированием астрофизических процессов позволяет изучать недоступные прямому экспериментальному исследованию фундаментальные основы строения материи, в том числе и на ранней стадии развития Вселенной. Полученная в диссертации оценка величины порога обрезания нейтринного энергетического спектра при распространении нейтрино ультравысоких энергий в сильном магнитном поле магнитара и её зависимость от интенсивности поля актуальна в связи с недавней регистрацией и изучением на нейтринном телескопе 1сеСиЬе космических нейтрино ультравысоких энергий, порядка 1 ПэВ и выше, поскольку вылет таких нейтрино из магнитаров не может бьтть адекватно описан без учета их взаимодействия с сильным магнитным нолем, приводящего к распаду нейтрино ультравысоких энергий на электрон и \¥-бозои. Полученные в диссертации оценки нижней границы массы лептокварка и других параметров модели с ква.рк-лептонной симметрией, основанные на обнов-

ленных н улучшенных экспериментальных данных по распадам мезонов, сильно подавленным или запрещённым в стандартной модели, с учетом всех возможных типов фермионного смешивания, актуальны в связи с постоянными поисками возможных обобщений стандартной модели элементарных частиц. Полученные в диссертации ограничения на параметры модели УФ-стабильной фантомной тёмной энергии с учётом эволюции возмущений метрики, обнаружение тахионных нестабильностей при больших длинах воли и экспоненциального роста со временем как тахионных мод, так и возмущении метрики, начиная с очень маленьких величин, определяемых вакуумными флуктуациями, и вплоть до их значительного роста при поздних временах, актуальны в связи с интенсивно ведущимися исследованиями по построению самосогласованной космологической модели как ранней, так и современной Вселенной.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Вычисление вероятности распада нейтрино ультравысоких энергий V -> е~Ш+ во внешних магнитных полях, присутствующих на поверхности магиитара. Построение зависимости порога обрезания нейтринного спектра энергий от напряжённости внешнего магнитного поля.

2. Теоретическое рассмотрение третьего типа фермионного смешивания при взаимодействии лептокварков Пати-Салама с кварками и лепто-памн. Получение косвенных ограничений па массу леитокварка Пати-Салама.

3. Изучение эволюции гравитационного потенциала в модели ультрафиолетово-стабильной фантомной тёмной энергии, имеющей тахионные нестабильности в инфракрасноЙ£области.

Практическая ценность работы. Полученная оценка величины порога обрезания нейтринного энергетического спектра при распространении нейтрино ультравысоких энергий в сильном магнитном поле магнитара должна учитываться при обработке данных по регистрации на, нейтринном телескопе IceCube космических нейтрино ультравысоких энергий, порядка 1 ПэВ и выше, поскольку вылет таких нейтрино из магнитаров не может быть адекватно описан без учёта их взаимодействия с сильным магнитным полем, приводящего к распаду нейтрино ультравысоких энергий на электрон и W-бозон. Полученные в диссертации оценки нижней границы массы лептокварка и других параметров модели с кварк-лептоипой симметрией, основанные на обновлённых н улучшенных экспериментальных данных но распадам мезонов, сильно подавленным или запрещённым в стандартной модели, с учётом всех возможных типов фермионного смешивания, могут быть предложены составителям Международных таблиц свойств элементарных частиц (Review of Particle Physics) для включения в очередное издание 2014 года. Полученные в диссертации ограничения на параметры модели УФ-стабильной фантомной тёмной энергии с учетом эволюции возмущений метрики, обнаружение тахионных псстабильностей при больших длинах волн и экспоненциального роста со временем как тахионных мод, так и возмущений метрики, начиная с очень маленьких величин, определяемых вакуумными флуктуациями, и вплоть до пх значительного роста при поздних временах, могут быть использованы в исследованиях по построению самосогласованной космологической модели как ранней, так и современной Вселенной.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях и семинарах:

• XVI Международный семинар "Кварки'2010", Коломна Московской обл.. 6-12 июня 2010 г.

• XVII Международный семинар "Кваркн:2012". Ярославль. 4-10 июня 2012 г.

• Научная сессия-конференция Секции ядерной физики Отделения физических наук РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», Москва, МИФИ, 11-16 ноября 2012 г.

• Научный семинар Лаборатории теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова ОИЯИ (Дубна)

• Научный семинар по гравитации и космологии им. А.Л. Зельмапова в Государственном астрономическом институте им. II.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова

• Научный семинар кафедры теоретической физики ЯрГУ им. Г1.Г. Демидова.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в числе которых 3 статьи - в ведущих рецензируемых российских и международных журналах и 2 статьи в материалах международных научных конференций. Список работ приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Она содержит два приложения, пять рисунков, пять таблиц. Список цитируемой литературы включает 231 наименование. Общий объём диссертации составляет 106 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования процессов с участием слабо взаимодействующих частиц сверхвысоких энергий во внешней активной среде, запрещённых пли сильно подавленных в стандартной модели, которые становятся возможными при выходе за рамки стандартной модели, а также их возможных проявлений в астрофизике и космологии. Сделан обзор литературы по данной тематике. Сформулирована цель работы. Кратко изложено содержание глав диссертации.

Первая глава посвящена исследованию процесса распада нейтрино ультравысоких энергий V —> в сильном магнитном ноле магнита-

ра.

В первом параграфе даётся обзор работ, в которых исследовались дисперсионные свойства нейтрино во внешнем магнитном поле.

Во втором параграфе определяется собствеиио-энергстпческий оператор нейтрино и дополнительная энергия, приобретаемая нейтрино во внешнем магнитном поле. Из собственно-энергетического оператора также можно извлечь мнимую часть собственной энергии нейтрино в среде, определяющую вероятность распада нейтрино на И^-бозон и заряженный лептон.

В третьем параграфе определяются пропагаторы заряженного лептона, 1У-бозона и нефизического заряженного скалярного Ф-бозона, необходимость учитывать вклад от которого появляется при работе в фейнманов-ской калибровке.

В четвёртом параграфе описывается вычисление вероятности распада нейтрино с поперечным по отношению К магнитному ПОЛЮ импульсом Pi > т\у и pi m\v на электрон и 1У+-бозон во внешнем магнитном поле Ве « В « Bw (Ве = & = 4.41 • 1013 Гс, Bw = ^ = 1-09 ■ 1024 Гс). Вероятность процесса может быть представлена в виде

w{^e-wn = GF{eB/lPLHv), (1)

7гл/2ТГ£

где Ф (г/) - функция только одного безразмерного параметра г) = 4еВр\/Шцг. Эта формула справедлива в широкой области значений параметра Г}: 0 < 1] <S m'fv/(eB). Функция Ф (ri) может быть существенно упрощена при больших и малых значениях аргумента. В пределе г) 1

Ф(„ » 1) ~ 1 ~ 0.3), (2)

при этом ошибка составляет менее 1 % для г] > 10. В другом пределе );<1

Ф(т? « 1) ~ exp (l + (3)

с ошибкой менее 1 % для Г1 < 0.5.

В пятом параграфе строится зависимость порога обрезания нейтринного спектра энергий от напряжённости внешнего магнитного ноля в интервале значений 10 2Ве < В < 10iBe при фиксированно!! средне!'! длине свободного пробега нейтрино Л = 1 км (Рис. 1). Энергия обрезания Ес = 1015

эВ соответствует значению ноля В ~ ЪВе ~ 2.2 х 1014 Гс. Канал распада и —е~\¥+ является доминирующим. Нейтрино с Е > Ес не вылетят из сильного мягтгитппгп ноля мяпштлпя. Е/еУ

Рис. 1: Зависимость энергии обрезания Ес (эВ) для спектра нейтрино от интенсивности магнитного поля но отношению к критическому полю при фиксированной средней длине свободного пробега нейтрино Л = 1 км.

Вторая глава посвящена исследованию низкоэнергетических проявлений возможного минимального расширения электрослабой стандартной модели, основанного на кварк-лептоиной симметрии тина Пати-Салама 5[/(4)у <8 Би(20 Сд. Масштаб нарушения Би(4)у-симметрии до 5Г/(3)с - это масса лептокварка Мх-

В первом параграфе даётся обзор работ, в которых исследовались проявления теории Пати-Салама.

Во втором параграфе показывается, что для перенормируемостп теории Пати-Салама необходимо рассматривать третий тип смешивания во взаимодействиях 5'[/(4)у-лептокварков с кварками и лептонами. Матрицы смешивания во взаимодействиях 5£/(4)у-лептокварков с верхними ферми-онами 1Л и нижними фермионами Т> связаны единственным условием с известной матрицей смешивания кварков (Кабиббо-Кобаяши-Маскава) V:

В третьем параграфе приводится эффективный лагранжиан взаимодействия векторных леитокварков Пати-Салама с кварками и лептонами с учётом КХД-поиравок.

В четвёртом параграфе исследуются вклады от взаимодействия с ленто-кварками в низкоэнергетические редкие процессы, запрещённые или сильно подавленные в стандартной модели. Исходя из этого, получаются косвенные ограничения на массу векторного лептокварка и параметры смеши-ваиия. Рассматриваются лептонные ра,спады нейтральных п заряженных 7Г-, К-, .В-мезонов, а также т-лептона и /¿е-конверсия на титане.

В пятом параграфе получается комбинированное ограничение на массу лептокварка. Все ограничения, полученные из распадов 7Г-, К-. В-мезонов, т-лептона и ре-конверсии на титане, содержат элементы неизвестных унитарных матриц смешивания Ы и Т>. Дополнительная свобода в выборе параметров смешивания позволяет значительно уменьшить (от тысяч и сотен ТэВ до десятков) нижний предел на массу векторного лептокварка. Комбинированное ограничение на массу лептокварка:

Ых V = V.

(4)

Мх > 39 ТэВ.

В шестом параграфе рассматривается случай различных смешиваний для левых и правых фермиопов. Комбинированное ограничение на массу векторного лептокварка:

Мх > 41 ТэВ. (6)

В седьмом параграфе рассматривается процесс, в котором нижний предел на массу векторного лептокварка не зависит от параметров смешивания: тг —> VI>. В стандартной модели вероятность этого процесса подавлена фактором тг?у. однако он может идти также через обмен лептокварком. Нижний предел на массу векторного лептокварка:

Мх > 0.6 ТэВ. (7)

Третья глава посвящена изучению эволюции гравитационного потенциала в модели УФ-стабильной фантомной тёмной энергии, имеющей тахионные нестабильности в ИК-области.

В первом параграфе даётся обзор работ, в которых исследовались модели фантома с УФ-стабильпым поведением.

Во втором параграфе представляется модель УФ-стабильной фантомной тёмной энергии. Модель представляет собой эйнштейновскую гравитацию, взаимодействующую с одним векторным и одним скалярным полями. При г ~ 1 тёмная энергия типа квинтэссенции, а позже становится фантомом.

В третьем параграфе решается система линеаризованных уравнений для возмущений полей метрики и тёмной энергии. В лидирующем порядке ВКБ-приближения по малым параметрам модели система не включает гравитационный потенциал. Система имеет тахионную моду в ИК-области.

В четвёртом параграфе выясняется, что так же как и возмущения полей тёмной энергии, имеющие тахионную природу, скалярные возмущения метрики экспоненциально растут со временем, начиная с очень маленьких значений, определяемых вакуумными флуктуациями на масштабе малых импульсов Но -С Рс < б, но они могут в конечном счёте стать большими.

В пятом параграфе выводится ограничение на параметры модели. Требуя, чтобы Ф < 1 в настоящее время, мы получаем:

Я0 < 6 < 280#о ,

где На - современное значение параметра Хаббла.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации. В приложении А подробно описывается вычисление вероятности распада нейтрино с поперечным по отношению к магнитному полю импульсом рл_ > тцг и рх. т\у на электрон и РУ+-бозон во внешнем магнитном поле Ве « В « Вцг (Ве = ^ = 4.41 ■ 1013 Гс, Вцг = ^ = 1.09 • 1024 Гс).

В приложении Б выводятся линеаризованные уравнения для возмущений полей метрики и тёмной энергии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ

1. Вычислена вероятность распада нейтрино с поперечным но отношению к магнитному полю импульсом р± > т\у или р± тпцг на электрон и И/+-бозон во внешнем магнитном поле Ве -С В Вцг (£е = = 4.41 ■ 1013 Гс, Вху = ^ = 1.09 • 1024 Гс). Построена зависимость порога обрезания нейтринного спектра энергий от на-

пряжённости внешнего магнитного поля в интервале значений 10"2Д. < В < 10іВе при фиксированной средней длине свободного пробега нейтрино А = 1 км. Энергия обрезания Ес = 1 ПэВ соответствует значению поля В ~ 5Ве ~ 2.2 х 1014 Гс.

2. Рассмотрено возможное минимальное расширение электрослабой стандартной модели, основанное на кварк-лентонной симметрии типа Пати-Салама 577(2)/, <8>С?д. Показано, что для перенормируемости теории Пати-Салама необходимо рассматривать третий тип смешивания во взаимодействиях 577(4)іл-лептокварков с кварками и лептонами. Дополнительная свобода в выборе параметров смешивания позволяет значительно уменьшить нижний предел на массу векторного лептокварка, получаемый из низкоэнергетических редких процессов, запрещённых или сильно подавленных в стандартной модели.

3. Рассмотрена модель УФ-стабилыюй фантомной тёмной энергии, имеющей тахионные нестабильности в ИК-области. Показано, что так же как и тахионные моды, возмущения метрики экспоненциально растут со временем, начиная с очень маленьких значений, определяемых квантовой физикой вакуумных флуктуаций, и могут стать значительными при поздних временах. Получено ограничение на параметры модели, которое следует из требования, что амплитуды возмущений метрики не слишком большие сегодня.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации представлены в статьях:

1. Kuznetsov А. V.. Mikheev N. V.. Serghienko А. V. High energy neutrino absorption by W production in a strong magnetic field // Physics Letters B. 2010. Vol. 690, No. 4. P. 386-389.

2. Кузнецов А. В., Михеев H. В., Сергиенко А. В. Распад нейтрино ультравысоких энергий на электрон и W-бозон в магнитном поле и его влияние на форму нейтринного спектра // Вестник ЯрГУ. Серия: Естественные и технические науки. 2010. № 2. С. 12-18.

3. Kuznetsov А. V., Mikheev N. V., Serghienko А. V. A decay of the ultra-high-energy neutrino ue —> e~W+ in a magnetic field and its influence on the shape of the neutrino spectrum // In: Proceedings of the 16th International Seminar "Quarks'2010", Kolomna, Moscow Region, Russia, June 6-12, 2010. Eds. V.A. Matveeve.a. V. 1. P. 282-289 [arXiv:1010.0582 (hep-ph)].

4. Kuznetsov A. V., Mikheev N.V., Serghienko A. V. The third type of fermion mixing in the. lepton and quark interactions with leptoquarks // Int.. J. Mod. Phys. A 2012. V. 27. No. 11. P. 1250062.

5. Kuznetsov A. V., Mikheev N.V., Serghienko A. V. The third type of fermion mixing arid indirect limits on the Pati-Salam leptoquark mass // In: Proceedings of the 17th International Seminar "Quarks'2012". Yaroslavl, Russia, June 4-10, 2012 (submitted) [arXiv: 1210.3697 (hep-ph)].

6. Сергиенко A.B., Рубаков В. А. Фантомная тёмная энергия с тахионными нестабильностями: возмущения метрики // Теор. мат. физ. 2012. Т. 173. № 3. С. 441-452.

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,0 Зак. № 22298 Тираж 100 экз. Бесплатно Отпечатано на компьютерной издательской системе с оригинала, предоставленного автором Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. П.Г. ДЕМИДОВА

СЕРГИЕНКО АНДРЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

Электрослабые и нестандартные процессы при сверхвысоких энергиях и их возможные проявления в астрофизике и космологии

Специальность: 01.04.02 - теоретическая физика

04201457408

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук проф. каф. теор. физики КУЗНЕЦОВ A.B.

Ярославль - 2013

Оглавление

Введение ........................................................................................................................4

Глава I Распад нейтрино ультравысоких энергий на электрон и Ж-бозон в магнитном поле и его влияние на форму

нейтринного спектра ......................................................................................12

1.1. Введение ....................................................................................................12

1.2. Собственно-энергетический оператор нейтрино £(р) ..........15

1.3. Пропагаторы заряженного лептона. IV- и Ф-бозона в магнитном поле ........................................................................................19

1.4. Распад нейтрино V —> е~\¥+ во внешнем электромагнитном поле ................................................................................................................20

1.5. Обрезание спектра энергий нейтрино магнитным полем .. 25

1.6. Заключение ..............................................................................................27

Глава II Третий тип смешивания фермионов во взаимодействиях

кварков и лептонов с лептокварками ....................................................29

2.1. Введение ....................................................................................................29

2.2. Третий тип смешивания фермионов ............................................35

2.3. Эффективный лагранжиан с учётом КХД-поправок ..........38

2.4. Ограничения на параметры схемы из низкоэнергетических процессов ....................................................................................................40

2.4.1. де-универсальность в тт^- и К¿2-распадах ....................40

2.4.2. Редкие распады /('¿-мезона ..................................................42

2.4.3. Редкие К+-распады ..................................................................44

2.4.4. /¿е-конверсия на ядре ..............................................................45

2.4.5. т-распады ......................................................................................47

2.4.6. Редкие распады В-мезона ....................................................47

2.5. Комбинированное ограничение из 7г-, К-, т-. В- распадов 49

2.6. Различные смешивания для левых и правых фермионов . 51

2.7. Ограничение из распада 7Г° —vv ..................................................53

2.8. Заключение ..............................................................................................55

Глава III Фантомная тёмная энергия с тахионной нестабильностью:

возмущения метрики ......................................................................................58

3.1. Введение ....................................................................................................58

3.2. Модель ........................................................................................................61

3.3. Тахионные возмущения ......................................................................64

3.4. Гравитационный потенциал ..............................................................68

3.5. Обсуждение ..............................................................................................69

Заключение ..............................................................................................................71

Приложение А. Вычисление вероятности распада нейтрино

высокой энергии v —>■ e~W+ в сильном магнитном поле ..............73

Приложение В. Полное действие в модели фантомной тёмной

энергии и уравнения для возмущений ..................................................80

Литература ..............................................................................................................82

Введение

В последние десятилетия бурно развивается новый раздел физики, зародившийся на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии - астрофизика элементарных частиц, или космомикрофизика [1-3]. Предметом ее исследований являются элементарные процессы в экстремальных физических условиях, которые являются характерными для астрофизических объектов и не могут быть реализованы в современных лабораторных условиях. Исследования такого рода, с одной стороны, представляют интерес с концептуальной точки зрения, поскольку они открывают новые нетривиальные свойства частиц. С другой стороны, они интересны с точки зрения возможных астрофизических и космологических приложений, поскольку теоретический анализ в совокупности с имеющимися экспериментальными данными и численным моделированием астрофизических процессов позволяет изучать недоступные прямому экспериментальному исследованию фундаментальные основы строения материи, в том числе и на ранней стадии развития Вселенной.

В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется изучению физики элементарных частиц во внешней активной среде. Обычно в качестве среды рассматривалось только вещество. Однако, внешняя среда

может быть представлена как плазмой, так и магнитным полем. Внешнее магнитное поле, выступая в качестве своеобразной компоненты активной среды, так же как и само вещество, может существенно влиять на свойства частиц и их взаимодействие. В частности, благодаря изменению закона дисперсии в магнитном поле открываются каналы, запрещённые в вакууме. Кроме того, магнитное поле может оказывать катализирующее влияние на процессы, подавленные в отсутствии внешнего магнитного поля.

Следует заметить, что указанное влияние внешнего магнитного поля становится существенным только в случае достаточно сильных полей. Под сильными понимаются поля, напряженности которых превышают критическое значение поля для электрона, так называемое Швингеровское значение. Ве = т\/е — 4.41 х 1013 Гс. В лабораторных условиях такие поля пока недостижимы. Однако по современным представлениям поля такого и даже большего масштаба могли бы существовать в астрофизических объектах. Так. наблюдение пульсаров указывает на возможность существования на их поверхности магнитных полей с напряженностью 1012 — 1013 Гс. [4]. Существует класс звезд, так называемых магнитаров, к которым относятся, например, повторные источники мягких гамма-всплесков (SGR - soft gamma repeaters), интерпретируемые как нейтронные звезды с магнитными полями ~4х 1014 Гс [5,6]. В таких астрофизических катаклизмах, как взрыв сверхновой, величина магнитного поля, развиваемого при коллапсе ядра звезды, достигает значений 1012 — 1013 Гс. Такие поля возникают при одномерном коллапсе, когда имеет место строго радиальное падение вещества. Однако имеются серьёзные аргументы в пользу того, что физика сверхновых значительно сложнее, в частности, необходимо также учитывать вращение коллапсирующего ядра. Наличие вращения может увели-

чить магнитное поле на дополнительный фактор 103 — 104, как, например, в модели ротационного взрыва сверхновой Г.С. Бисноватого-Когана [7,8]. Механизмы генерации таких полей, вплоть до 1015 — 1017 Гс, в настоящее время широко обсуждаются [9-13]. Таким образом, при исследовании квантовых процессов в астрофизических условиях учет влияния не только плотного вещества, но и сильного магнитного поля является не просто оправданным, но и физически необходимым.

Принято считать, что в астрофизических процессах, имеющих характер катаклизма, таких, как взрыв сверхновой, определяющую роль играют нейтринные процессы. В связи с этим исследования нейтринных процессов в экстремальных физических условиях представляют собой одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений в астрофизике элементарных частиц. Такие исследования интересны также и с концептуальной точки зрения, поскольку затрагивают фундаментальные проблемы квантовой теории поля.

Значительным достижением нейтринной физики последнего времени является, несомненно, успешный эксперимент на тяжелой воде, осуществленный в Солнечной Нейтринной Обсерватории (БИО) в Садбери, Канада [14-16]. Разрешение загадки солнечных нейтрино, имевшей почти 40 лет истории, в согласии с гипотезой о нейтринных осцилляциях [17,18] является также и доказательством существования смешивания в лептонном секторе. Таким образом, можно говорить о своеобразном восстановлении симметрии между лептонами и кварками, поскольку доказано, что и в том, и в другом секторах смешивание имеет место.

Среди различных обобщений стандартной модели существует схема, в

которой симметрия между лептоиами и кварками возникает естественным образом. Это модель Пати - Салама [19], основанная на группе 5[/(4)у <8> Би(2)£<8>6?д, где лептонное число трактуется как четвертый цвет. Наиболее экзотическими объектами модели Пати-Салама являются дробно заряженные, цветные калибровочные бозоны - лептокварки, осуществляющие взаимные превращения кварков и лептонов. Масса лептокварка Мщ характеризует масштаб нарушения симметрии Б и (4) у до 5?7( 3)с. Ограничения на массу лептокварка снизу [20] получены из экспериментальных данных по распадам мезонов, сильно подавленным или запрещённым в стандартной модели, например. 7г —> ей, К£ —»■ це. которые могут происходить за счет обмена лептокварком. В действительности эти оценки нельзя считать окончательными, поскольку в них не было учтено возможное смешивание в лагранжиане взаимодействия лептокварковых токов.

В работах [21, 22] были проанализированы ограничения, возникающие из рассмотрения нейтринных процессов в астрофизике и космологии, на параметры одного из возможных расширений стандартной модели электрослабых взаимодействий. В рамках минимальной кварк-лептонной симметрии типа Пати-Салама, основанной на группе 5С/(4)у ® 5С/(2)ь <8> Сд, где лептонное число трактуется как четвертый цвет, было исследовано смешивание фермионов новой природы и показано, что для перенормируемости модели необходимо существование всех возможных типов фермионного смешивания. Из комбинированного анализа астрофизических и космологических данных по нейтринным процессам и ускорительных данных были получены оценки на массу лептокварка и параметры матриц смешивания.

Однако с тех пор экспериментальные данные по низкоэнергетическим редким процессам, запрещённым или сильно подавленным в стандартной

модели, были значительно обновлены и улучшены. Следовательно, получение обновлённых оценок на массу лептокварка и параметры матриц смешивания в лагранжиане взаимодействия лептокварковых токов является актуальным.

Был найден только один процесс, в котором нижний предел на массу лептокварка не зависит от параметров смешивания - это экзотический распад 7г° —>■ уй. При этом наиболее сильным оказалось ограничение на массу лептокварка, вытекающее из космологического верхнего предела на вероятность данного распада. Этот факт можно рассматривать в качестве еще одного яркого примера тесного взаимодействия физики элементарных частиц и космологии ранней Вселенной.

Новая страница в исследованиях эволюции Вселенной открылась после того, как анализ наблюдательных данных по взрывам сверхновых в удаленных галактиках указал на то, что Вселенная расширяется с ускорением. Это обычно интерпретируется как эффект тёмной энергии. Тёмная энергия может быть трёх типов: квинтэссенция, космологическая постоянная (Л-член) и фантом. Доминирование фантома на поздневременной космологической эволюции хорошо объясняет ускоренное ускорение Вселенной.

Наличие фантома подразумевает нарушение условия нулевой энергии, которое в общем случае сложно вместить в рамки теории поля. Есть два основных подхода для реализации фантомного эффективного уравнения состояния без патологического поведения в УФ-области: модификация гравитации на ультравысоких масштабах и введение новых лёгких полей без модификации уравнений Эйнштейна.

Настоящая диссертация посвящена исследованию процессов с участием

слабо взаимодействующих частиц во внешней активной среде при сверхвысоких энергиях, процессов, запрещённых или сильно подавленных в стандартной модели, которые становятся возможными при выходе за рамки стандартной модели, а также их возможных проявлений в астрофизике и космологии. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, двух приложений и списка литературы.

В первой главе исследовано влияние сильного внешнего магнитного поля на собственно-энергетический оператор нейтрино. Вычислены вероятность процесса распада нейтрино на электрон и И^-бозон и средняя длина свободного пробега нейтрино ультравысоких энергий в сильном магнитном поле. Определена величина порога обрезания нейтринного спектра энергий, исследована его зависимость от интенсивности магнитного поля.

Вторая глава посвящена исследованию низкоэнергетических проявлений минимального расширения стандартной модели, основанного на кварк-лептонной симметрии типа Пати-Салама ви(4)у §§Би(2) При нали-

чии такой симметрии необходимо рассматривать третий тип смешивания во взаимодействиях ¿'[/(4)\/-лептокварков с кварками и лептонами. На основе последних экспериментальных данных по низкоэнергетическим редким процессам, запрещённым или сильно подавленным в стандартной модели, получены обновлённые оценки на массу лептокварка и параметры матриц смешивания в лагранжиане взаимодействия лептокварковых токов.

В третьей главе изучена эволюция возмущений метрики в модели УФ-стабильной фантомной тёмной энергии. Как уже было сказано, существуют два основных подхода для реализации фантомного эффективного уравнения состояния без патологического поведения в УФ-области: модификация гравитации на ультравысоких масштабах и введение новых лёгких полей

без модификации уравнений Эйнштейна. Модель, изучаемая в главе, относится ко второму типу. Показано, что модель имеет тахионные нестабильности при больших длинах волн. Показано, что так же, как и тахионные моды, возмущения метрики экспоненциально растут со временем, начиная с очень маленьких значений, определяемых квантовой физикой вакуумных флуктуаций. и могут стать значительными при поздних временах. Получено ограничение на параметры модели, которое следует из требования, что амплитуды возмущений метрики не слишком большие сегодня.

Основные результаты диссертации представлены в статьях [23-28]:

1. Kuznetsov А. V., Mikheev N. V., Serghienko А. V. High energy neutrino absorption by W production in a strong magnetic field // Physics Letters B. 2010. Vol. 690, No. 4. P. 386-389.

2. Кузнецов А. В., Михеев H.B., Сергиенко А. В. Распад нейтрино ультравысоких энергий на электрон и И^-бозон в магнитном поле и его влияние на форму нейтринного спектра // Вестник ЯрГУ. Серия: Естественные и технические науки. 2010. № 2. С. 12-18.

3. Kuznetsov А. V., Mikheev N. V., Serghienko А. V. A decay of the ultra-high-energy neutrino ise —> e~W+ in a magnetic field and its influence on the shape of the neutrino spectrum // In: Proceedings of the 16th International Seminar "Quarks;2010", Kolomna, Moscow Region, Russia. June 6-12, 2010. Eds. V.A. Matveev e.a. V. 1. P. 282-289 [arXiv:1010.0582 (hep-ph)].

4. Kuznetsov A. V.. Mikheev N. V., Serghienko A. V. The third type of fermion mixing in the lepton and quark interactions with leptoquarks // Int. J.

Mod. Phys. A 2012. V. 27, No. 11, P. 1250062.

5. Kuznetsov A.V., Mikheev N. V., Serghienko A. V. The third type of fermion mixing and indirect limits on the Pati-Salam leptoquark mass // In: Proceedings of the 17th International Seminar "Quarks'2012", Yaroslavl, Russia, June 4-10, 2012 (submitted) [arXiv:1210.3697 (hep-ph)].

6. Сергиенко A.B., Рубаков В.А. Фантомная тёмная энергия с тахионными нестабильностями: возмущения метрики // Теор. мат. физ. 2012. Т. 173, № 3, С. 1709-1719.

Основные результаты диссертации докладывались на XVI и XVII Международных семинарах "Кварки'2010", Коломна Московской обл., 6-12 июня 2010 г. и "Кварки'2012", Ярославль, 4-10 июня 2012 г., на Научной сессии-конференции Секции ядерной физики Отделения физических наук РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», Москва, МИФИ, 11-16 ноября 2012 г., на научном семинаре Лаборатории теоретической физики им. H.H. Боголюбова ОИЯИ (Дубна) и на научном семинаре кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова.

Глава 1

Распад нейтрино ультравысоких энергий на электрон и Ж-бозон в магнитном поле и его влияние на форму нейтринного спектра

Исследовано влияние сильного внешнего магнитного поля на собственно-энергетический оператор нейтрино. Вычислены вероятность процесса распада нейтрино на электрон и И^-бозон и средняя длина свободного пробега нейтрино ультравысоких энергий в сильном магнитном поле. Определена величина порога обрезания нейтринного спектра энергий, исследована его зависимость от интенсивности магнитного поля.

1.1 Введение

Среди перечисленных В.Л. Гинзбургом в 1999 г. [29] особенно важных и интересных проблем физики и астрофизики имеются три проблемы, которые вызывают в последние 10 лет всё возрастающий интерес исследователей, а именно: поведение вещества в сверхсильных магнитных полях; нейтронные звёзды и пульсары, сверхновые звёзды; нейтринная физика и астроно-

мия, нейтринные осцилляции. Одним из важных факторов, стимулирующих рост интереса к указанным проблемам, было, несомненно, разрешение имевшей 30-летнюю историю загадки солнечных нейтрино в уникальном эксперименте на тяжёловодном детекторе нейтринной обсерватории Садбери, вместе с экспериментами по атмосферным и реакторным нейтрино, см., например, [30] и цитированные там работы.

Важным направлением исследования проблемы поведения вещества в сверхсильных магнитных полях является раздел астрофизики, связанный с изучением особого класса звёзд - магнитаров. Согласно общепринятым представлениям, это пульсары, то есть нейтронные звёзды, являющиеся остатками взрывов сверхновых и имеющие сверхсил