Нейтринные процессы в астрофизических объектах при субъядерных плотностях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

московский государственный университет 1 им. М.В. ломоносова

ГАУЧНО - исследовательский институт ядерной

! физике

иг. д.В. скобельцына

г Б ол

Г " На пре£&х ругоггасл

ЛЕППСОН Лев Борисович

пбатрзшьыя процессы б астрофизечесеспх ¡объектах лги субъядерных плотностях

СпсщгЕЛьность 01.04.10 Ф.яшга гдра н олеиеитарнкх частиц

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соисгайпе ученой степеит; догтора фяон го- ы атеы э г кчссегиг наук

Москва 1994 г.

Работа выкошена в Институте оешшго ыашетивзт,-ысмэсферм к распространения радиоволн РАН

Официальные оипоиенты:

Доктор фиокш-и&тематичесзих наук, профс Бяэхинцев Леонид Дмитриевич (НИИЯФ М

Дожтор фкаико-ыатеиатнчесЕих каук СьлерштеГш Эдуард Евсеевыч (ИОЯФ РИД "Курчатовсгии институт")

Доз тор фквмш-цатематячеашх наук, ироф< Чечетаи! Валерий Михайлович (К1ПМ РА

Ведущг.т оргацаоация - Объединенный Институт ядерных кссдс

г. Дубна

Защита состоится . 1295 г, в 15 час. на а

СпецнЕнданровашюго совета Д053.05.42 в МГУ

Адрес; 119899 Мосяш, Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, .1 ауд. 2-15

С диссертацией можно ооиаЕоынться в библиотеке ШШЯ<£ Автореферат рааослан " "-;-

Ученый секретарь Снецигшгоирсшшногэ совета / ■,, ~^ г, ^ Д053.05.42 д.ф.-н.н.—.---.......'--—Стрг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В представляемой диссертации исследу-ся механшыы излучения нейтрино и антинейтрино в горячей субъ-;риой материи и коллективные оффекты воаимодействия нейтрино драми и нуклонами. Основным объектом приложения полученных »ультатов являются коллапсирулцая материя массивных овеод на [ечных стадиях эволюции и вещество нейтронных овеод, обраоу-;ихся в реоультате коллапса.

Остывающие нейтронные овсоды наблюдаются во Вселенной как ^иопульсары и рентгеновские источники. Основные надежды почить информацию о процессах внутри нейтронной - .веоды в насто-ее врема связаны с наблюдением теплового излучения с ее поверх-сти. Уникальные вооможности современных космических окспери-нтоа, регистрирующих рентгеновское получение от источников в *трах остатков сверхновых, поаволяют достаточно точно оценить поверхностны'* температуры нейтронных овеод в предположе-и, что излучение яадается тепловым.

Основным механизмом остывания нейтронных овеод является ней-ишюе иолучецие. Доитому реоультаты, полученные в быстро про-есснрующей экспериментальной области, стимулируют теорети-ское исследование раоличных механ!гокйв нейтринного охлаждения »тройных оветд и нейтринных процессов происходящих в сверх-отном веществе дол^апсирующей материи.

Плотность вещёс'тва-.нен тронной овеоды изменяется от центра к риферии на 14 -г 15 порядков величины. Поотоыу нейтронноовеод-е вещество обладает огромным разнообразие^ форм, ко которых иболее иоучеиы однородная нейтрониоиобыточная ядерная нате-л центральной части, где плотность превышает ядерную, и кри-аллическ&я внешняя хора, сходная по свойствам с твердым метап-м очень большой плотности. Именно в отнх областях нейтронной соды достаточно полно исследованы механйамы генерации нейтри-и антинейтрино.

В последнее десятилетие значительный прогресс был достигнут мучении структуры субъядерной В нейтронных овеодах

бъядерная материя — ото поЧтй ВЩёОФВв ¿йфтрёяней коры. *а представляет собой МОрё АвВДЮЙ» М Ж&Р&№; ВШЪрбЧЛ в де кластеров Ш19ШШ ЩР Ш {ЩШ

бапьших плотностях) области разрежения похожие на пуоыри.

В отпнчне от однородной ядерной материк, в такой нужно'» системе имеется сильное ашн-орбигальное взаимодействие. Pi этого юаимодейсгаш! в мсханкоие генерации нейтрино и актнн трнно совершенно не исследована и представляется очень важн tai saz псевдовеаториый слабый нейтральный tos перехода, свяа ный с переворотом спина нейтронов рассеивающихся на жяасте[ ыожет быть не мая даже в иерелятявмстсгой системе нудлонов л ющнх непрерывный слеятр онергик.

Остается щце ке покатым до юнца механдам варыва сверхно овеод. Вынос онергик но непрозрачного для нейтрино холлапснр щего ядра предсверхновок овеоды и депооихда отой онергии во ы них аго&х являются наиболее актуальными проблемами, от реш< которых во многом разкснт и правильное номшанке причины лете, внешних ободочек. Наметившийся в последнее врем прог а отой области саноан с учетом юкаехтивнаго двикешш веще овеоды при коллапсе н с новым подходом s проблеме шюкооиергв го oiKa дшг нейтрино, расщирение которого, aai нояаоало в дк< тации, обусловлено существенными корреляциями между части! среды, ? которой распространяются нейтринные по го j к. Рассе нейтршш в различных объемах вещества, а этом случае, проксх не ншависямо. Сечецш; многих идементартах нейтринных вш действий моменяютс» $о-ог юрреляцнй з ппохной среде, состо ш слег тронов и адроиоа. ЦссащоЪгаще юилехтищтх офф^ГШ бенно важно дая пд&ви^ьнс^о учЬта прОедос^ ustsux »ектриио на волны готорыя превышайт' среднее расстояние мелоду атом: ядрами. ItóíiS Нейтрнйо вцамыбде^стэУХ'^ «о t ртдеШ}ЬШИ ч цами, а с гейяектддаьадй' bpa§$kjS$yjí2iÁt В среде, чтр, © SojJí итоге, приводит х ¿уществаыной ой.йисиыойгК' HejjVpíitfiUJfí* *1еР от макроскопических Ьараметров состоят^' йегЦйседа* В свет« блемы ниокоонерги'Шого aína наиболее в&жцо 1ХравЦ}ьио опис: хваоцупругое рассеяцие мягсих 1!£Йтр5|.'о -51$, ЗЙрах, „так J55 расседние происходит югерейтно $сех свяй%{цах % фра : нах и является основным источником нейтринной непроора.«! холлапсируюндао вещества в iope обраоуюадейся нбйтрошш? ды.

Теория «ваояупругого рассеяний нейтрино на ядрах и епеат учитывающая хоррешщии в среде, полностью отсутствует. Со

й последовательной теории, необходимо не тольжо прнменитель-яоллапсирующен материн, но н для лабораторных окспериыеи-так как коллективные эффекты наиболее сильно проявляются зоаимоденствии нейтрино с диспергирующими средами, жаковы-вляются не только вещество нейтронных овесд, но и большин-макроскоиичесхмх сред в услопилх лаборатории.

•сноппая цель диссертация - исследование мехалиомов гене-и нейтринных пар з неоднородной субъядерной материн и рао-тха последовательной теории кваоиупругого рассеяния нснтри-I ядрах с учетом корреляций меясду части.;ами среды.

Научной иознгша первые предложен новый механком генерации нейтринных пар >ъядернон иатерин обусловленный ее существенной неоднород-ью.

первие и рампах стандартной модели слабых воаимодействим сна интенсивность и вычислен к спектр получения нейтринных а неупорядоченной субъядерной материи. Исследовано влияние галличесгой упорядоченности субъядерной материи на ннтен-эсть излучения нейтринных пар.

первые выдвигается утверждение, что одним но основных ме-оыов длительного охлаждения нейтронной овеоды может стать ринное излучение нейтронов в самосогласованном ядерном поле иородностей субъядерной материи.

первые рапвита теория кваоиупругого рассеяния нейтрино в не-и»ных средах, учитывающая коллективные эффекты среды, первые выдвигается утверждение о оначительном (на 2 — 3 поз.) подавлении когерентного рассеяния мягких иейтрино на ядрах лапсируклцей материи.

Научное и практическое оиачепне работы, овый механиоы генерации нейтрино и антинейтрино в горячей ядерной материи, реалиоуется в нейтронных овеодах на всех ах их эволюции начиная от процесса колпалса овеодного веще-до последних стадий остывания нейтронного остатка сверхно-[, следовательно, должен учитываться в теории охлаждения ценных ин'чзд. Полученные теоретические оценки удельной ней-

тринной светьшостм субъядерного вещества ыогут быть испош валы в глобальные самосогласованных расчетах конечных ота 01ЮЛЮЦИН ошмд.

P&obht&j » дмссергащш теория жваоиупругого рассеяния nein но в неидеальных средах аалается общей длл ин&ых сред и ыо быть лояеона не только дшг расчетов оволюдин коллапса овияд и для расчетов прохождения нейтринных потокои череи вещест. условиях лабораторных васпернментов. Например, характерное стояние между атошшми здрамн а твердом лабораторном веще ~ Ю~7 с и Ноотому рассмотренные коллективные оОДскты лодг huí когерентного рассеянна нейтрино на ядрах в лабораторном в стое должны проявляться при рассеянии мягких нейтрино с онер

~ auD иояучаеиых а распаде трития.

Исследояанлые в диссертации коллективные оффехты и коге£ iiotä рассеянии нейтрино на ядрах и нуглонах палии и саянн nj < «ой нкиксюнергичнсго оана для нейтрино а опоху падении вещ« при коллапсе овеади. Существенное подавление когерентного сезниа нейтрино на ядрах расширяет шюкоонергичное ото и собствует увеличению нейтринного потока но центральной 4 овеады. Этот оффехт необхоцкмо учитывать в детальных рас1 дииагшки коллапса, т.к. увеличение нейтринного потока ыо:ке1 собствовать вapusy сверхновой и поджигу внешних оболочек он

На «защиту выносятся следующие ослизлые положен

1) Горячая субъядерная материя. находящаяся в двухфаонс стоянии, является одним ио наиболее интенсивных источнико тршших пар всех типов в долго остывающих нейтронных ове

2) Формула для удельной светимости торцооного и и иолу нейтронов в горячек неупорядоченной субъядерной материи.

3) Независимо от выбранной модели ядерных вошшодейств» нал t/P светимость неупорядоченной субъядерной и&терии оц егся как ev¡ ~ Ю^Т/ЮЧС)4 орг/си*с.

4) Эффекты кристаллической упорядоченности неодпород! подавляют получение нейтрино и антинейтрино нейтронами j ядерной материи при температурах < L08 А"'.

5) Имеется критическое оначение плотности нейтронов рывного спектра, ниже которого тормозное vi> получение вир

исйтроноп п кристаллическом ядерном поле невозможно | Наряду с процессом тормозного ий получения псомпжен также гни» процесс — поглощение пары нейтрино 55 антинейтрино нрн :янии нейтронов на кластерах з нейтронном море. Предлагается :уяа дла сечении аннигиляции нейтринной пары.

Сечения хвгонупругого рассеяния мягких нейтрино-должны слаться с учетом коллективных гх?иЬектов. Предлагается метод слепка сечений зваоиупругого рассеяния нейтрино в меидеаль-сулоновских системах ядер и вырожденных опегтронов, учиты-;ий корреляции между частицам!» среди.

Имеет место существенное подавление когерентного рассеяние рах опсктронных нейтрино с длиной полны де Бройля порядаа ройного дебасвсзого радиуса.

Кулоновсхое ноаимпдействие между »гонами п сильно, иеидеаль-ш.гоме ядер к вырожденных ппезтроног» подавляет к'лааиуиру-гссяянке мягких нейтрино всех типов иа несхояьяо порядков ае-(Ы по сравнению с. аналогичный рассеянием и идеальном тле, ор подавление оаг.пс.ит от степени неидеапьпостн зупонозской мы.

) Вычисленные с учетом коллективных еффектов длины спобед-■Iпобега мягхнх нейтрино и сверхплотном кеществе холлансиру-: овеод на 2-г 3 порядка больше, тех же величин, вычисленных чета коллективных оффектоз.

Апробация работы-:новные реоультаты диссертации докладывались на междуна-■ix конференциях, школах, симпозиумах: Международная ра-групла "Плазменная астрофиоика" (Тспави 1950), Мсждуна-,я школа "Слабые взаимодействия при ииоккх онергиях" LEW¡-убна 1990), Международная школа "Электрослабые воаимодей-в ядрах" \УЕШ-92 (Дубна 1992), Международный Семинар па-Гамова (Санкт-Петербург 1994), I Международная зонферен-

0 хосмомикрофиоихе "КОСМИОН-94" (Москва 1394);

1 сессиях: ОЯФ АН СССР (МИФИ, 1988; ИТЭФ, 1988), ООФА ССР (Институт Фиопробясм, 1930), на всесоюоных школах по физике (Рига, Горький, Тбилиси, Ереван). На Всесоюзном се->е "Физика нейтронных овеод" (Ленинград 1988)

боты также докладывались на семинарах ФИ АН, ИТЭФ, ИАЭ,

ФТИ (им.Иоффе), ИЗМИРЛН.

Структура работы: Диссертация состоит но введения, четырех глав, оаключения, дс нения, приложения и списка литературы. В диссертации ммеет( рисунков. Список литературы содержит 129 наименований. 01 диссертации 152 страницы. Используется система единиц, в кот й = с = 1 и постоянная Больцмана. к = 1.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Перпая глава начинается кратким обоорсш имеющейся ли! туры по структуре субъядерно]*! материи и происходящим в ней тряпным процессам. Здесь анализируются специфические свой вещества прк субьядерных плотностях и формулируются ос^ проблемы взаимодействия нейтрино с субъядерной материей, р ыие которых стало целью проведенных и диссертации исслздова

Согласно современным представлениям (1], |2], субыдерназ теркя представляет собой сложную %иухфаииух> систему. Част] клопов в такой системе связана £ ядра, локализованные в уолах сгаллической решетки, погруженной в море нейтронов имсющи: прерывный спектр онергни.

С возрастанием средней плотности вещества ядра сталоадтс более нейтрошшиобыточньши, а нейтронное море вокруг них — лее плотным. Ядерной материи, оашшающей более половины I ема, онергетичесжи уже не выгодно существовать в виде атоь ядер. Сумма жулоновской и поверхностной онергий £ такой я ной материи может быть уменьшена, если ядерную материю ка вывернуть наизнанку. Поотому, когда средняя плотность досз ет примерно половины ядерной плотности, происходит ннвереш «лонного вещества м оно представляет собой неограниченную трошюнэбыточную ядерную материю, в которой имеется миоже пузырей заполненных разреженным нейтронным газом (3]. Е большой фермиевской онергмк нейтронов дристаллическаз уяор четкость разрушается к пузыри а ядерной материи располагав В СЛучаЙИЫХ позициях.

Нзлучение нейтринных пар из субъядерной материи должно о дать рядом особенностей, связанных с одновременным наличием

льных градиентов плотности нуклонов на границах кластеров и срыпного спектра онергик нейтронов нейтронного моря. Пали-:илыюго сник - орбитального воа'шодейстпия нейтронов непре-гого спектра с кластерами типа ядер или пупырей существен-тличает вещество при суОъзц'-риих плотностях от однородной ной материн центральной част» нейтронной оаеоды. В области ового раомытия фгрмиевсюго распределения вырожденные ней-1Ы рассеиваются на кластерах радиуса Яг ~ 5 — 10 фи с большим 1тальным моментом I ~ рр11е > 1 Переворот спина нейт|>оиа таком рассеянии генерирует псепдовекторный нейтральный сяа-ток = —¡/лФ+д'Ф, который не мал даже а перелятивистсмй еме нейтронов. Иоотоиу столкновения нейтронов с кластера-¡огут сопровождаться интенсивный излучением нейтринных нар типов.

Заканчивается первая глава раодедом, где обсуждается роль юл-гивных оффек тон при рассеянии нейтрино в среде. Коллективные окты при рассеянии нейтрино я среде проявляются при малых пе-шных импульсах. Ото вполне понятно с точки прения Iпантового нцина неопределенности. Чем меньше переданный при рассеянии |ульс, тем больше неопределенность яоординаты мишени, л а той рассеивается нейтрино. Ого означает, что приближение единого ядра для рассеяния нейтрино в веществе справедливо при сданном импульсе Ар ;» 1 /а, где а среднее расстояние между сеивающими ядрами. Для нейтрино имеющих онергию Е„ < 1 /а условие никогда не выполняется, так 5ае при упругом рассеянии < 2/?„. Такие нейтрино рассеиваются только на коллективных 'ктуациях плотности ядер. Рассеяние нейтрино, в отом случае, дится к поглощению и испусканию фононов в среде. Такое рассе-10 существенно отличается от одиочастичного. Вторая глава содержит исследование получения нейтрино и ан-|ейтрино иг» горячей субъядерной материк с неупорядоченной струк-)ой. Хаотическое распрецелсни«' нуклонных кластеров в нейтрон-л море ииш пупырей в ядерной материи), характерно для плотно-41 субъядерного вещества меньших, но уже порядка ядерной плот-:ти. Н итом случае нейтринные пары излучаются нейтронами че-' слабые нейтральные токи при в.х: (. ¡.о»к к неоднородно

ста »s к (то|шоонос излучение)

п Ч- па&стер —* п + аяастер + v + î>

DiaB& начинается с обсуждения квантовых состояний нукл в длухфйоиой субъядерной материи, обосновывается применим оптичесгой модели для описания взаимодействия отдельных н; нов с неоднородностями в ядерном веществе. Затем показано, дня вычисления интенсивности f¿ излучения вырожденных нуч: достаточно вблизи поверхности <1>ерми онать амплитуду их уп] го рассеяния на неодкородностях. Обсуждается наиболее общи! отой амплитуды, анализируются фейнмановские диаграммы, i рые необходимо учесть и вычисляется матричный олемент peal Интегрирование по фаооаому пространству участвующих в ¡ еа частиц ириводкт s сладющей формуле для онергии, излучаемой де нейтринных нар всех типов в единицу времени ни единицы ой неупорядоченной субъядерной материм

, 2 д\С]р1-Г

~ 945

где G ? - фермиеас£&£ пост asuuàs слабого взаимодействия, g¿ -нормировочная константа аксиально-векторной связи; р? - фар. ский ыыиу.чьс ней;¿..„¡г.. Этот результат не иависит от коккре' выбора ядерного взаимодействия нейтронов с кластерами. О бора модели сильных взаимодействий оависит лишь величина ственного параметра Ifl — псо - обратной длины свободного н га нейтрона по отношению к перевороту спина при столкновен кластерами. Здесь пс - плотность кластеров в нейтронном мор сечение переворота спина нейтрона.

Длину свободного пробега нейтрона можно оценить не при к ыодсяышы расчетам. Учитывая, что рассеяние нейтрона п ходит с большим орбитальным моментом, можно считать, что ние переворота спала нейтрона порядка поперечного сечениз породности гг ~ Плотность гластеров легко оценить, опал тор ссиюлнения и — п/tiq - отношение средней плотности в«чц к ядерной плотности. Тогда ив соотношений объемов, оанимг насыщенной ядерной материей и раореженньш газом нейтроне дует:

3 и

îi, ---.

с 4* Щ

учае пупырей надо и аамешсть ка 1 - «.) Откуда

1 л- ~ кг' фи'К

$ ас

огда. удельная £/£> еле тнмость кссвстеком реагцим з пупыуьт-|>аое субъадеряой матери;: оценивается sas

4"' = 1.2 * 10"(! -

гемпература Тв — Т/Ю'Л" выражена в а^иницах I0°.'<e, xapas-¡ых для долго остывающих нейтронных свсзд; sP - зоицентразде гонов.

вычислен- энергетический спектр получаемых вентрииных пар

янля с.уьшарнал онергял vv пары Ш = 4.9Т. 1?.рзду с тормозным vï> получением зеононен также обратный десс поглощения нейтрино н антинейтрино нейтроном яри его шговеннлх с : : е с д î ï о р с и пост:: м н. Сгчегте тагом сзаеобраоноч д;г~ иищ'ш :;еГ:тршшых пар кисет зхд:

(Ш^ = 1 alGypl охр ujT •'•nnW ,Т2 exp(w/y)-l*

¡usa czopocTK аннигиляции нейтринных пар з субъядерной н&те-нонорождешшх нейтронных звеод покаоывает, что на стадии трннной ¡генроорачносты длина свободною пробега электронных трино порядка 103 си, тогда sat для ыюоиных и тауокяых яей-шо длина свободного пробега оиачительно превышает толщяку я субъядерной материн.

Заканчивается вторая глава разделом, где оценивается вклад тмыости пуоырькового слоя субъядерной материк в охлаждение [тронной овеоды. Ннтенсивность рассиотренного тормозного vv (учения нейтронов в слое суб-ьлдериого вещества нейтронной овев-пропорцкональна Тг' (Это непосредственно следует ко рассьш-зния. фаоовых объемов участвукмцих в реакции частиц.), тогда ; интенсивность стандартных реакции, пяля ющихся источниками (трйно и антинейтрино в долго остывающих нейтронных овшдах, ¡,ает с температурой пначительно быстрее. Поотому (фи темпера-pax Т < К У3 К", характерных для опохи долгого остывания, даже ишительио тонкий слой ~ 100 м пуги.фьковой фаги,! субъядерной

матернн расяогажегшый на радиусе Е » 10 ни может иол уча виде 1/1/ тр анергии больше, чем все остальное тело овеоды.

Сверхтекучесть нейтронов, заа и сверхпроводимость прот экспоненциально подавляют традиционные источники нейтрино; ткиейгркно. Пштому, оцекивак роль субъздерной материи в триниом ош&жцетш нейтронных онеод, а;щ{ует также учитьп что при су&ьгдеряых плотностях нуклоны переходят в саерхте? состояние при «значительно более нмоеих температурах, чем ну г а однородной центральной части к в кристаллической коре нейл ной иаеоды [4].

Третья глава содержит исследование иолучениг нейтрино : •сикейтрино из кристглпкчесЕН упорядоченной субъядерной ыат< Здесь {) г. с с м а у р) 1 в ае ч • сг влияние оонлой структуры нейтронных 3 и ей в христаяличесюм поле кеоднородкостей на с/и сьетныость тронов. Интенсивность уй иолученид вычисляется, с помощью ховсс5{х волновых функций нуююннш: гаааич&стнц а аркстал. скок ядериок коле. Удельную ий саетнкость вырожденных не! кое в хрмсгаллкчески упорядоченной суб'ьядерной материн к записать а виде суммы по векторам обратной решетки кристал

019угйп1 ¡Вк|2 г ¿XX*

¿Го к ^к/т (ехр х — — А^/Т2

где В 1С - амплитуда рассеяния нейтрона на кластере с перевор спина к

Дк--— ~ 1 МоВ

— расщепление иежду виергетмчесгимк оонаык нейтрона в яра яическоы ядерном попе.

Ио втой формулы следует, что рассматриваемое уи иопуче системе вырожденных нзйгрокоз воокожно лишь, если 2рР > иначе в сумме ко вежторам обратной решетвм не будет ни одно? гасмого. Этооначкт, что существует пороговое окачение гшот. нейтронов в кристалле, ниже ¡которого иопученке невооможко трехмерной ОД К решетки Пег = (2гт/3 )\/2пс к Зпс. Легко п смысл отого порогового оиачення плотности нейтронов. Нейч с импульсом р < Ктхп(2 не рассеиваются в статическом христ Скорость нейтронов меньше скорости светя поэтому иолу нейтринных пар возможно лишь при переходах нейтронов ко

ей ооны в нижнюю. При высоких температурах (в энергетических циницах) Т А, удельная ий светимость нейтронов в хркстал-ическом ядерном лоле сводится к той, что получена для неупоря-оченной субъядерной материн. Однако, при температурах ниокнх о сравнению с онергетнческо щелью состояния верхней ооиы оа-ошшотся нейтронами экспоненциально мало к эффекты югерент-ости подавляют нейтринное получение. Получение, в отом случае адает с температурой быстрее, чем Г3 и, для его вычисления еде-ань? модельные численные расчеты, где рассмотрено рь> нолучешее трехмерных яристалличемкх стружтурах со сферичесянмк неод-ородностяым. Выполнены также расчеты и и иолучеикя нейтронов двумерных зрксталлкческих стругтурах иеодородгюстек сильно ытянутых а одной! направлении. Для вычислений мспояьоуетса ноа-модействие нейтрона с иеоднородностямк в ядерном веществе а риближешш оптической модели.

Пзаш! 4 содержит исследование юияектквных эффектов при коге-¡интноч 1.лссез> :аи нейтрино на атомных ядрах в неидеальмоя худо-ювекой плазме, ; ;.иесь раовита техииа?. вычислений сечений кваоиу-ругих процессов, учитывающая вдааимодейсгэке между частицами реды в которой распространяются нейтринные потоек. Рассматривается случай нерелятквистсянх бессшшозых ядер, а энергии нен-■риио считаются меньшими или порядка десяти МэВ, В втом случае е-бромлезсяая длина волны нейтрино больше или порядка раашроа дра и можно считать, что нейтрино когерентно воаимодемстаует о всеми А — Я -г N нуепоааии. В рамгах этих ограничений, исход« га лагранжиана стандартной модели слабого воаммодекствля, полу-[ена общая формула для сечения дваоиупругого рассеяния нейтрино . проиавольиой среде, состоящей но. ядер одного сорта н елезхтро-;ов. Отнесенное е одному ядру дифференциальное сечение можно апнеать в самом общем виде, ислальауя Фурье преобразование ди-¡аынчесяон парной хорреляциошюй функции плотности ядер в ерзде, ¡ли, эквивалентно, спектральное распредетенке флуктуации шгатко-тк ядер {6п\}иу.

¿(соз 9) 4т

к2

х V1 4Е?} У-оо 2-КТ1А

Одесь к — р — р" - переданный при рассоашш икну лье и ш — В — FJ переданная среде оперта; £ = sin2 ©w « 0.23, ©i^-yron Вайнберга. Учитывал, что рассеяние происходит кваоиупруго, переданный при рассеянии импульс свяоак с углом рассеяния нейтрино соотношением k ~ 2Еsin (0/2). Если переданный при рассеянии импульс мал по сравнению с обратным средним расстоянием между частицами среды, то нейтрино не раояичает отдельных частиц. Поотому мягкие нейтрино рассеиваются на флуктуациях плотности частиц. 13ри переданных импульсах к меньших или порядка обратного радиуса Де бад D~l, аооыожна интерференция г/А рассеяния с ve рассеянием ш шежтрснах, ¡заключенных в дебаепской сфере, та? как они адиабата чесхк следуют еь медленными ионами, охранируя слабое vA ьоаимо действие д-ns мягких нейтрино. Эта интерференция практически н схааыааатсх на вваоиулругом рассеянии мюопнык н тауонных ней трнно (верхний o«az), но существенно подавляет рассеяние мягки оиектроиных нейтрино (нижний оках). Поэтому иевооможно отдел! вое рассмотрение з/ее и vtA рассеяния мягких нейтрино.

Анали© полученной формулы начинаете^ с рассеяния ыюо.чнь к тауонных нейтрино. Б отоы случае молено пренебречь вкладе ©кегтроноь и рассматривать рассеяние на ядрах "з чистом виде Спехтральное распределение флухтуаций плотности ядер с

здестьенно оависит от спектра элементарных возбуждений в ср.ер ноэтому от взаимодействия между частицами среды оависит и i роятность рассеяний нейтрино. Если ядра среды образуют поч-идеальный rao к взаимодействием между ними можно нргнебре (бесстолкновнтекьнаа идеальная плаоыа или rao нейтральных ат мов), то непосредственное вычисление приводит к новестноыу ее шш когерентного рассеяния нейтрино на единичном ядре в вахуу [5]. В случае купоновской системы можно ввести параметр, ней аоыюстн среды xas отношение средней потенциальной энергии поповского взаимодействия между двумя ионами с зарядом Ze к средней кинетической онергии (температуре среды)

где а = (3/4хгг0)1/3 - среднее расстояние между ионами (ядрам! среде. Сверхплотная материя холлапсирующей овеоды представл собой сильно цеидеальную кулонопехую систему с параметром Г 2

ниоволновие флуктуации в таюй среде представляют собой поклонного овула и/ — кщ, где - саорость ионного авука в плаоме, i температурах Т <С и,/а флу!туации плотности ядер в термо-аынчески равновесной среде представляют собой набор почти не шодействующнх между собой фонолой. Кваоиупругое рассеяние грино на ядрах, в отом случае, сводится а иолучению и погяоще-I одного фонола движущимся в среде нейтрино. Это приводят к естпенной оавнсимостм рассеяние нейтрино от уравнения состой и температуры среды. Б пределе малых переданных импульсов, «Х I и к -С Т/щ флуктуации имеют плассичесний гкдродинами-£ий вид и для нейтрино ниогих энергий, сечение иваоиупрутег© сеяния отличается от сечения, полученного в одмочастнчном при-жении, фактором T/Muf, где М- масса ядра. Этот фактор есть драг отношения тепловом сгоросги ядер в идеальном гаое з снохи ионного онуга в плаоме. В случае сильно кекдеальном пяаааш ирожденных ионов н вырожденных ультрарелятквистсзих вяеа-

IHOD.

т зт

Л/u? ZEfí

< I

алогично, ш< '-г- -юаимодеиствмя ненов друг с другом, подавляется а <:сеянке usíííí'.x олегтронных ней три но. Поотому дяж нейтрино с ргиями На 1 и Е «С Т/м,- дифференциальное сечете рассеяния зет йнд:

da CIE2 ЗТ Г й/ху^+^Г«««

В случае олехтронных нейтрино при переданных импульсах к < В" «рентным валад нейтронов ядра в рассеянна а он&чмтелыюй мере шелсируется олеатронами.Для среды состоящей ко атомов, оаду-положить дебаевсЕий радиус О равным радиусу боровсинх орбмт «тронов кц- Если переданный мыпульс много меньше обратного :сгоиния между атомами (к'2 а1 <С I), то < Д.-5а' «С 1. В отом пае дифференциальное сечение авапиупругого рассеяний ыейтри-в идеальном гаое ио нейтральных атомов имеет вмд

-----------со*?-.

¿eos© 4я

Ввлад шюгофолонных процессов в иогерентиое рассеяние и зримо на ядрах можно оценить аоспояыэовавшнсь моделью впаи действующих гармонических осцилляторов. Такая оценка покаоы ет> что рассеянием с одновременным излучением или поглощеш более одного фонона можно пренебречь, если к3/2М -С где и тонная пя&оыенная частота.

Рассеяние на ядрах нейтрино с онергиями Е < 10 МоВ прс ходит жваоиунруго. Иоотому, учитывая, что спектральное рас.г деление флуктуации плотности при каждом фиксирован

оначенми к имеет рсокий всниеск на собственной частоте io.ii зшй среды ш(к) <ЗС Б, можно и исходном формуле распростраи интегрирование по бы до бесконечности. Тогда для нейтрино с тересующным мае онергиями Б < 10 МоВ получки:

d(coä ©) 4т 1 1 + fcs¿>3

S(k

где к — 2E sin G/2 и - конный структурный фактор среды. При Г 1 структурный фактор мал для i/i 1

47'

ZEf,

в приближает« к единице для ка 1. Численные расчеты о турного фактора кеидеальной однокомпонентной кулоновской i мы при промежуточных значениях ка выполнены в работе [С].

Далее в ГЪаье 4 получено выражэкие для интеграла столкно! В уравнении Больцыана. для нейтрино когерентно рассеиваю!! на адрах в неидеальных хулоновских системах ионов и шар о. ных ультрарелятивистских олектронов. Здесь также численн лучено транспортное сечение, когерентного рассеяния нейтри ядрах в сверхплотном веществе яоллалсирующей материи овео раопичных оначеннях параметра иеидеальности. Пели оаписач транспортное сечение в виде atr(E) — :р{2Еа) где о - с] расстояние между ядрами я

— транспортное сечение рассеяния нейтрино в идеальном rant то функция ip имеет вид изображенный на. рисунке 1.

Ркс. Г. Отношение гт,г(Е)/с®г(г?) в оавнсккости от беоразмер-~о параметра 2Еа лля рассеяние олехтрскных нейтрино а сильно •.'¿сальной гулонозсхай системе ионов к олеетроноз, Е - виергжк [трино; а - средние расстояние между кона*га. Числа о тало арн-* — значения параметра Г.

Но приведенных графиков следует, что взаимодействие между йога в нендеальной жулоновской плавке подавляет рассеяние асех те-нейтрино имеющих энергию Е < 1/а.

Для мягких нейтрино (Еа < 1) получено аналитическое выра-гие для транспортного сечения. Для электронных нейтрино оно ;ет дополнительный минимум, свяоашшй с экранированием сяа-о 1>А взаимодействия олектронами среды.

Заканчивается Глава 4 разделом, где аналконруется длина ево-иого пробега нейтрино относительно когерентного рассеянм на IX и, а свете проблемы ниогоопергичного окна для нейтрино, обдаются возможные изменения в сценарии коллапса эгезды. Сверхгное вещество колпапсярующей материи представляет собой ашь-ендеапьную плазму, з которой средняя окергаг гуковоаского ьиа-цействкя между соседними ионами ка один - два порядка лревы-т их среднюю кинетическую впергию (температуру). Поэтому :мотренный в диссертации оффегт подавления когерентного рас-

сегнка нейтрино на ядрах в неидеалыюй плаоые может играть пал ную роль в оволюцнн коллапса предсаерхновой овеоды.

Когерентное рассеаике нейтрино на атомных ядрах традицией! считается основным источником непроорачпости нещестш». для ыя асих лейтрнно в условиях вырождения нейтринного гаоа. Существе; Кое подавление отого рассеяния расширяет ниохоонергичное окно способствует увеличению нейтринного потока ио коллапсирующс огсоды. Детальные численные расчеты гидродинамического кол л пег [7] покалывают, что учет рассмотренных выше коллехтнвнь оффежтов сдвигает момент наступления нейтринной непрозрачное! (гогда скорость падения вещества сравнивается со скоростью дифф. o¡m нейтрино наружу) в область больших плотностей. Это привод» г существенной делептоииоап.ии коллапсирующей материи и вьшо< дополнительной оноргин, хоторад может депонироваться во внешн» обсяочхах. Уже один эффект олсктролпок охраниронхи Л взаим действия, имеющий место при любых ¡значениях Г. Изменяет когк фкциелт диффуоик нейтрино примерно в 1,5-2 рапа, и может опач тельно повлиять на динамику коллапса свеоды [й]. Поотому оф|>с; электронно" окранировхи Л рассеяния и тем более эффект под элгния рассеяния всех типов нейтрино корреляциями между ядраь. з нсидеалькой плаоме обязательно должны учитываться в реалист ческих численных расчетах динамики коллапса оьеод.

В Отключении сведены воедино основные результаты, получе иые в диссертации и выносимые на защиту, а также обсуждают некоторые перспективы дальнейших исследований в отом напраьл ник.

I

В Дополнении к диссертации исследовано влияние сверхснльнь •магнитных'нолей, возникающих на стадии нейтринной непроора кости горячей нейтронной овеоды, на спектр флуктуаций спинов< плотности в нейтронной ферыи - жидкости и получены формул: позволяющие рассчитать сечения рассеяния нейтрино на нейтрон, в присутствии внешнего магнитного поля. Здесь же аналиоируе csí вклад парамагнетизма нейтронов в олектроыагнитную верши! нейтрино, движущегося в оамагниченном нейтронном море.

В приложение вынесены оценки сечения переворота спина не трона при столкновении с яеоднородностями плотности нуклонов,

Эсншшмс результаты, псшучсчшыс в диссертации;

1) Н рамках стандартной подели слабого поанмодейстаня лохаоа-что ииаимодейстиие нуклоноп непрерывного спектра с град иен та-нлотности ядерного вещества двухфаоной субъядерной материн водит к интенсивной генерации нейтринных нар асех типов череп тральные слабые токи.

2) Получена простая формула для удельной светимости тормооно-'¡/ получения нейтронон в неупорядоченной субъядерной материн, ¡агорой следует, что интенсипность получения пронорцнолаль-пестой степени температуры и обратно пропорциональна длине бодного пробега нейтрона но отношению к перевороту его спина [ рассеянии на кластерах в нейтронном море. Этот реоультат не и» ит от модели ядерного взаимодействия нейтрона с кластерами.

3) Оценки длины свободного пробега нейтрона дают уцеш.иую Уи тимость - Ю^Г/уЮ9*'")6 орг/см3с.

4) Неоаннснмо от модели ядерных взаимодействий понааяно, что [»екты кристаллической упорядоченности иеоднородностей ясубъ-рной материи подавляют получение нейтрино я антинейтрино [тронами при температурах (в энергетических единицах) много п.ших 1 Мо13. В рамках ядерного потенциала, оптической ноде-чиспенно получена иависимосЪч» интеискзиости чО получений* от ¿ператури.

5) I! рамках стандартной подачи сяибих шшшодейстаин аиалн-«ски получено сечение аннигиляции нейтринных пар на нуяюн&х :сеивающихся на неоднородностях в субъядерной материн.

6) Раи вита теория киаонумругого рассеяния нейтрино в не идешпч* х кулоиовских системах ядер и вырожденных олехтронов, учиты-ощзм корреляции ыежду частицами среды.

7) С /юмощыо теории флуктуации иокаоано, что неаависимо от жени неидеальности кулоиовской плаомы, имеет место существен-ч подавление когерентного рассеяния на ядрах олектронных ней-и;ю с длиной волны де Бройля порядка олектронного дебаевского диуса. Этот же реоультат получен в рамках релятивистского при-ижения случайных фао.

8) Ио распитой в диссертации теории следует, что кулоновское аиыодействие между ионами з сильно неидеальной плаоме ядер и /рожденных электронов подавляет жваоиулругое рассеяние мягких йтрино всех типов на несколько порядков величины по сравнению

с аналогичным рассеянней в идеальной гаое.

9) Вычисленные с учетом коллективных оффектоп дли1гг^ своб кого пробега мягких нейтрино в сверхплотном веществе копи лисп; ющих овеод на 2 г 3 порядка больше, тех же величин, вмчисленн бео учета коллективных оффектов.

10) В рамках теории фсрмк-жидкости получены формулы j спектрального распределения флуктуации спиновой плотности в магниченной нейтронной материи.

11) Вычислен вклад нарамагнетиоыа нейтрино» п олектромнгн ную вершину нейтрино в оаыагничениой нейтронной ферыи-жидке

Личный вклад автора

В диссертацию включены результаты, полученные лично an ром, либо те результаты, в получение которых автором инесен ог делающий вклад. Более половины вошедших в диссе;) глиию ра выполнена и опубликована бео соавторов. В работах, шкшнеш в соавторстве, автор непосредственно участвовал в постановке дачи и аиалмое результатов, расчеты выполнялись лично авторе

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах

1)ЛеинсонЛ. Б. "Рассеяние нейтрино на ядрах в веществе" 1 Письма в ЖЭТФ, 51, 237-238

2) Леинсон'Л. Б., Ораевский В. П., Сеыикоо В. Б. "Упр: рассеяние нейтрино на ядрах в иоотропной плаоме" 1988, ЯФ, 1513-1516

3) Леинсон Л. Б., Ораевский В. 11., Семиков В. В., Смородин* Я. А. "Электродинамика нейтрино в сплошных средах" 1990, У .160, 150-151

4) Леинсон Л. Б., Ораевский В П., Семикоо В. Б. "Pai плаомона /,г —» vi> в плотной плаоме холлапсирукицих оиеод" 1 Письма в А Ж, 14(3), 277-280

5) Леинсон Л. Б., Ораевский В. Н., Сс.:нкоо В. Б. "Упр рассеяние нейтрино на ядрах в иоотропной плаоме" п сб. "Фи нейтронных овеод. Образование, строение и эволюция" Ленин 1988, 17С-180

6) Леинсон Л. Б., Ораевский В. Н., Семикоо В. Б. "Кулоно! рассеяние нейтрино на ядрах в плотной астрофизической нлал» сб. Всесоюон. коиф, "Фиаика космической нлачим" Крсиан. , Мм 1989, Агщ. Наук Арм. ССР

Леинсон JI. Б. "Всшшодейстяие нейтрино с коллективными шодмн нейтронной материи", 1989, Письмэ. в ЖЭТФ, 49, 55-

Леннсон Л. Б., Ораевсяий В. П. "Индуцированное воакмоден-нейтршю с магнитным пояем в нейтронной матерки", 1989, 19, 1657-1664

Леинсон Л. Б., Ораевский В. И. "Индуцированный магнитный äT нейтрино в магнитоупорядопезшых средах", 1088, Письма я .'Ф, 48, 58-60

i) Leinsoa L. В., Oraevsky V. N., Semikoz V. В. "Coulomb scattering leutriao from nuclei in a dense plasma" 1988, Phys. Lett. В203,

i) Leinson L. B. "Quasi-elastic neutrino scattering in superdeuse зг of a collapsing star" 1992, Astropbys. and Space Sei., 190, 271-

l) Leinson L. B. "E!a3tic neutrino scattering by nuclei in aonideai a" International school Low Erscrgy Weak Inteiactioi), Dubaa, Sept, 1990, p .145-147

3) Leinson, L. D. 1S93, "Neutrino luminosity of the bubble phase in a hot aeuiroa etar", Письма з ЖЭТФ, 57, 257-231

4) Leinson, L. В. 1993, "Neutrino emission from the bubble phase ellar nuclear matter'5, Astropbys. J., 415, 759-76S

5) Leinson L. B. "Neutrino collective interactions with collapsing star lei" Contributions oi the International School "Low, Energy Weak raction" (LSWI-9Q) Dubna, September 4-13, 1990, p.21

.6) Lei й son L.B. "Neutrino scattejiag by auciej in imperfect media" :eediag of thö joint Varecna-^Ab&sfdroani—ESA—Nagoya—Potsdam ksbop on "Plasma Astrophysics" held in Telavi, Georgia, USSA, 4-Jauo 1090, 305-307 •

17) Leinson, L. В. "Neutrino emission from the bubble phase of stellar [ear matter", Proceedings of III International Symposium on Weak Electromagnetic Interactions in Nuclei, 1992, Edited by Ts. D. ov, World Scientific, 48^-492 ■' '

Б ибянография

(1) Киселев С. М., Суржов Е. JI., Чечетжин В. М., Чуяно "Уравнение состояния нейтронной овеоды и двухнукпонн кое воаиыодейстйие" 1979, Ядерная Фиоика, 29, 708-719

[2] Lorenz С,Р. Ravenhall D.G. and Pethiclt C.J. , "Nout - crusts*, 1993, Phys. Rev. LeU. 70, 379-382

[3j Baym G., Bethe II. A., and Pethick C. J. "Neutron star 1971, Nucl. Phys. A175, 255-271

[4] WambacL J., Ainswortb T. L. and Pines D. "Neutron Stare and Observations", NATO ASI 1990, Ed. by J. Ventura and (Kluwcr Academic Publ., Dordrecht)

[5] Freedman D. Z. 1974, Phys. Rev. D9,1389

[6] Naoki Itoh and Shinichi Mitake, Hirosi Iyetomi, and Setsuo "Electrical and thermal conductivities of dense matter in t metal phase. I. High temperature results" 1983, Astroplm 774-782

[7] ilerunt. M., Benz W., Шх W.R., fryer Ch.L. and Colj "Inside the Supernova: A Powerful Convective Engir University of California Observatories, Lick Observatory, Series No. 22; Astrophysical Journal, 1994, November, No

[8] Banerjee В., Chitre S. M. "Effect of electron screening of the diffusion of neutrinos in supernova star" Preprint TIFI 35, 1991

(9J Cristopher Thompson and Robert C. Duncan "Neutron sta and the origins of pulsar magnetism", 1993, Astrophysica 408, 194-217