Осцилляции и излучение нейтрино во внешних полях и движущихся средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Григорьев Александр Валентинович

ОСЦИЛЛЯЦИИ И ИЗЛУЧЕНИЕ НЕЙТРИНО ВО ВНЕШНИХ ПОЛЯХ И ДВИЖУЩИХСЯ

СРЕДАХ

(01.04.02 - теоретическая физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета

им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор А.И. Студеникин

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН М.И. Высоцкий (ИТЭФ)

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИЯИ РАН С. П. Михеев

Ведущая организация:

Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна

Защита диссертации состоится«_//_» /^Х 2006 года в часов

на заседании диссертационного совета К 501.001.17 МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет, аудитория ■

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «_Ц_» М^р^Л 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 501.001.17, __

доктор физико-математических наук О П. А. Поляков

3053

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена развитию теории флейворных и спиновых осцилляций нейтрино, а также построению теории спинового света нейтрино в гравитационном поле и веществе. В работе также обсуждаются приложения полученных результатов в астрофизике. Исследованы флейворные осцилляции нейтрино в движущейся и поляризованной среде. Изучены спиновые осцилляции и спиновый свет нейтрино в гравитационном поле в присутствии среды и рассмотрены некоторые связанные с данными эффектами астрофизические приложения. Развита последовательная квантовая теория спинового света нейтрино в среде, позволяющая описывать спиновый свет при произвольных плотностях среды (в том числе в плотных и сверхплотных средах), в рамках которой впервые получен энергетический спектр излучаемых фотонов и найдены выражения для угловых распределений вероятности и мощности излучения, а также исследованы поляризационные свойства излучения.

Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что нейтринная физика является одним из наиболее динамично развивающихся разделов современной науки. В ходе ряда недавних нейтринных экспериментов, проведенными различными коллаборациями, были получены убедительные доказательства существования ненулевой массы и смешивания нейтрино. Данные результаты свидетельствуют о необходимости выхода за рамки стандартной модели электрослабых взаимодействий Вайнберга-Салама-Глешоу. В этой связи исследование нейтрино имеет важное значение для определения путей обобщения стандартной модели. Изучение нейтрино в различных внешних условиях

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

1 БИБЛИОТЕКА

«

(в среде и при действии внешних полей), актуально также в свете важной роли этой частицы в астрофизике и на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Целью работы является расчет характеристик смешивания и осцилляций нейтрино в движущейся и поляризованной среде, изучение спиновых осцилляций и спинового света нейтрино в гравитационном поле в присутствии среды, а также построение квантовой теории спинового света нейтрино в среде и получение характеристик данного излучения.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. построена лоренц-инвариантная теория флейворных осцилляций нейтрино в среде, позволившая учесть эффекты движения и поляризации среды;

2. показано, что релятивистское движение среды может существенно изменять характер флейворных осцилляций; изучено влияние движения среды с релятивистской скоростью на условие резонансного усиления вероятности флейворных осцилляций (эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна);

3. изучен критерий адиабатичности для флейворных осцилляций нейтрино в движущейся и поляризованной неоднородной среде; показано, что релятивистское движение среды вдоль направления распространения нейтрино существенно улучшает условие адиабатичности;

4. получено квазиклассическое уравнение для эволюции спина нейтрино в слабом гравитационном поле; на этой основе получена вероятность спиновых осцилляций нейтрино в метрике Керра;

5. изучен спиновый свет нейтрино в гравитационном поле; получено выражение для полной мощности спинового света нейтрино в гравитационном поле произвольной конфигурации и в движущейся и поляризованной среде;

6. изучен спиновый свет нейтрино, движущегося в аккреционном диске черной дыры и в релятивистской струе плазмы (джете), идущей от квазара;

7. построена последовательная квантовая теория спинового света нейтрино в веществе, позволяющая исследовать данное явление в случае произвольных плотностей среды (в том числе плотных и сверхплотных); получен энергетический спектр излучаемых фотонов и найдены выражения для угловых распределений вероятности и мощности излучения, а также исследованы поляризационные свойства излучения.

Практическая ценность диссертации определяется возможностью использования ее результатов при решении задач, связанных в движением и осцилляциями нейтрино в плотных средах и в различных внешних полях в астрофизике и космологии. Результаты работы могут также быть использованы при экспериментальном исследовании изученного в ней спинового света нейтрино и при планировании новых осцилляционных экспериментов.

Апробация диссертации.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях: Ломоносовские конференции по физике элементарных частиц (2001, 2003, 2005 гг.), 7-я Летняя школа по

неускорительной астрофизике (Триест, Италия, 2004 г.), Мориондская конференция (Лез-Арк, Франция, 2003 г.), 6-я Международная конференция по космомикрофизике «КОСМИОН-2004» (Москва -Париж, 2004 г.), 21-я Международная конференция по нейтринной физике и астрофизике (Париж, 2004 г.), Международные конференции «Результаты и перспективы физики элементарных частиц» (Ла-Туиль, Италия, 2003 - 2005 гг.), Еврофизическая конференция по физике высоких энергий (Лиссабон, 2005 г.), 7-я Международная конференция «Квантовая теория поля под действием внешних условий» (Барселона, 2005), 5-я международная конференция по неускорительной новой физике (Дубна, 2005 г.), Международные семинары «Кварки - 2002», «Кварки - 2004».

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 11 опубликованных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы, содержащего 139 наименований. Общий объём 115 страниц, в работе имеется 4 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении к диссертации в разделах 1.1-1.2 обсуждается роль нейтрино в развитии физики элементарных частиц и в современной физической картине мира, а также кратко излагается история развития исследований нейтринных осцилляций. В разделе 1.3 обсуждается современный экспериментальный статус нейтрино и представлены

последние данные по массам и углам смешивания нейтрино. В этом же разделе приводится феноменологическая теория смешивания и осцилляций нейтрино и обсуждается новейшее развитие теории осцилляций нейтрино. В разделе 1.4 излагаются основные результаты диссертации.

В главе 2 построена теория флейворных осцилляций нейтрино в произвольно движущейся и поляризованной среде. Получены выражения для энергии и эффективного потенциала нейтрино, зависящие от трех величин: скорости нейтрино /3, скорости среды v и вектора поляризации частиц среды С- В адиабатическом приближении найдено выражение для вероятности нейтринных осцилляций, при этом определены эффективный угол смешивания и эффективная длина осцилляций в среде. Исследуется эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна (МСВ) резонансного усиления амплитуды вероятности нейтринных осцилляций при различной величине и относительной ориентации указанных трех векторов. Под влиянием движения и поляризации среды может происходить существенное смещение резонансного условия МСВ. Показано, что наиболее явно указанные эффекты проявляются при релятивистском движении и полной поляризации среды (Ç —у 1). В частности, для неполяризованной среды в случае ее релятивистского движения вдоль (против) направления распространения нейтрино наступление резонанса предсказывается при значительно больших (меньших) по отношению к нерелятивистскому случаю плотностях среды. Рассмотрены осцилляции нейтрино в неоднородной среде. Для данного случая исследовано условие, определяющее возможность применения адиабатического приближения, при котором реализуется стационарное распространение массовых состояний нейтрино. Показано, что релятивистское движение

среды вдоль направления распространения нейтрино существенно улучшает условие адиабатичности. В заключительном параграфе главы выводится обобщенное уравнение Дирака для майорановского нейтрино, распространяющегося в плотной движущейся и поляризованной среде.

Глава 3 посвящена изучению спиновых осцилляций и эффекта спинового света нейтрино в гравитационном поле в присутствии вещества. Получено квазиклассическое уравнение эволюции вектора спина нейтрино в слабом гравитационном и электромагнитном полях в присутствии вещества. Показано, что спиновая прецессия в слабом гравитационном поле возможна только при отличных от нуля компонентах дт (г = 1,2,3) метрического тензора, что соответствует полям вращающихся объектов. Для случая движения нейтрино в поле, описываемом метрикой Керра, находится решение полученного уравнения, с использованием которого затем выводится формула для вероятности спиновых осцилляций в указанном случае. В рамках квазиклассического подхода к описанию спинового света нейтрино на основе уравнения для эволюции спина данной частицы получено выражение для мощности спинового света нейтрино в гравитационном поле и в движущейся поляризованной среде. В качестве приложения рассматривается спиновый свет нейтрино, движущегося в аккреционном диске черной дыры и в релятивистской струе плазмы (джете), идущей от квазара. Для первого случая показано, что на малых расстояниях от черной дыры основной вклад в спиновый свет может давать взаимодействие с гравитационным полем. Во втором случае вклад среды может быть значительно подавлен за счет ее релятивистского движения, что может иметь место и на больших расстояниях от источника.

В главе 4 на основе точных решений обобщенного уравнения Дирака

для нейтрино в среде развивается последовательная квантовая теория спинового света нейтрино в веществе. При этом найдены угловые распределения вероятности и мощности излучения, а также впервые найден энергетический спектр излучаемых фотонов. Проводится анализ полученного спектра фотонов для различных значений спиральностей начального и конечного нейтрино. Также проводится детальное исследование углового распределения мощности спинового света. Найдены его полная вероятность и мощность для различных предельных соотношений между массой т и импульсом р нейтрино и параметром плотности среды а. Исследуются поляризационные свойства спинового света. Получены угловые распределения излучения для линейной и круговой поляризаций фотонов и на их основе сделан вывод о практически полной круговой поляризации фотонов в плотной среде при больших значениях импульса нейтрино.

В заключении перечислены полученные результаты и кратко сформулированы основные выводы диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации можно кратко сформулировать следующим образом.

1. Построена лоренц-инвариантная теория флейворных осцилляций нейтрино в среде, позволяющая учесть эффекты движения (в том числе с релятивистской скоростью) и поляризации среды. Показано, что энергия распространяющихся в среде флейворных нейтрино зависит от взаимной ориентации трех векторов: скорости нейтрино Д., скорости среды уе и вектора поляризации частиц среды £е. В

адиабатическом приближении найдено выражение для вероятности флейворных осцилляций нейтрино в произвольно движущейся и поляризованной среде. В пренебрежении поляризацией данное выражение для случая смешивания нейтрино только двух типов -электронного и мюонного - имеет вид

= Sin2 2Oeff Sin2 -j^, (1)

Leff

где эффективный угол смешивания и эффективная длина осцилляций в движущейся среде определяются, соответственно, соотношениями

• 2пл Д2 sin2 20

sm 2oeff =-s-т—,

И (Д cos 20 - А) + Д2 sin2 2в

г __2тг_

6// " / 2 ==' лДДсоз20-Л) + Д2 sin2 26

в которых эффективный потенциал А равен

A = V2GF~^L=(l-f3ve). (2)

V1 -ч

В приведенных формулах Д = 5ш2/2р, 5m2v = т\ — т\, где -массы нейтрино.

2. Рассмотрены возможные эффекты осцилляций нейтрино в веществе в зависимости от величины и взаимной ориентации трех векторов: /9, ve, £е- Показано, что релятивистское движение среды может существенно изменять характер флейворных осцилляций. Движение и поляризация среды приводят к сдвигу условия резонансного усиления вероятности осцилляций, которое в случае

неполяризованной среды определяется равенством

с 2

сое 20 = А, (3)

где А дается выражением (2). В частности, релятивистское движение среды вдоль (или против) направления распространения нейтрино существенно смещает точку резонанса, что приводит к возникновению резонанса при значительно больших (меньших) плотностях по сравнению со случаем неподвижной среды.

3. Рассмотрено движение нейтрино в неоднородной среде с плавно меняющимися параметрами. Для массовых состояний нейтрино найдено условие адиабатичности, являющееся критерием стационарного распространение массовых состояний нейтрино в среде указанного типа.

4. Получено обобщенное уравнение Дирака для майорановского нейтрино в движущейся и поляризованной среде. Данное уравнение отличается от соответствующего уравнения для дираковского нейтрино удвоением потенциала взаимодействия и отсутствием в нем векторной части.

5. Получено квазиклассическое уравнение эволюции вектора спина нейтрино в слабом гравитационном и электромагнитном полях в присутствии среды. Показано, что спиновая прецессия в гравитационном поле в данном приближении возможна только в тех случаях, когда компоненты метрического тензора (г = 1,2,3) отличны от нуля (что соответствует полям вращающихся объектов).

6. Найдено решение уравнения эволюции спина нейтрино, движущегося в поле, описываемом метрикой Керра. На его основе исследованы

спиновые осцилляции нейтрино в данном случае и получено выражение для вероятности спиновых осцилляций.

7. Исследован эффект спинового света нейтрино в гравитационном поле. Получено общее выражение для полной мощности излучения в произвольном гравитационном поле и в движущейся и поляризованной среде. Изучен спиновый свет нейтрино, движущегося в аккреционном диске черной дыры и в релятивистской струе плазмы (джете), идущей от квазара. Для первого случая показано, что на малых расстояниях от источника гравитационного поля вклад гравитационного взаимодействия превалирует над вкладом среды. Во втором случае возможно значительное подавление вклада среды за счет ее релятивистского движения, что может иметь место как на малых, так и на больших расстояниях от квазара.

8. На основе точных решений обобщенного уравнения Дирака для нейтрино в среде построена последовательная квантовая теория спинового света нейтрино в веществе, в рамках которой возможно описание указанного эффекта в случае произвольных плотностей среды (в том числе плотных и сверхплотных). Впервые получен энергетический спектр излучаемых фотонов и найдены выражения для угловых распределений вероятности и мощности излучения.

9. Для различных предельных соотношений между массой т и импульсом р нейтрино и параметром плотности среды а детально исследовано угловое распределение мощности спинового света и найдены полная вероятность и мощность излучения.

10. Исследованы поляризационные свойства спинового света. Получены угловые распределения излучения для линейной и круговой поляризации фотонов. Показано, что в плотной и сверхплотной среде при больших значениях импульса нейтрино р спиновый свет характеризуется практически полной круговой поляризацией.

Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в следующих работах:

1. Grigoriev A., Lobanov A., Studenikin A. Effect of motion and polarization in neutrino flavour oscillations // Phys. Lett. B. - 2002. - Vol. 535.

- P. 187.

2. Dvornikov M., Grigoriev A., Studenikin A. Spin light of neutrino in gravitational fields // Int. J. Mod. Phys. D. - 2005. - Vol. 14. - No. 2.

- P. 309.

3. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Quantum theory of neutrino spin-light in matter //Grav. & Cosm. - 2005. - Vol. 11. - P. 132.

4. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Quantum theory of neutrino spin light in dense matter // Phys. Lett. B. - 2005. - Vol. 622.

- P. 199.

5. Grigoriev A., Lobanov A., Studenikin A. Suppression of MSW effect in moving and polarized matter // in: «Frontiers of Particle Physics» (Proceedings of the 10t/l Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, MSU, Moscow, 23 - 29 Aug, 2001) / Ed. by A. Studenikin -Singapore: World Scientific, 2003. - pp. 32 - 38.

6. Grigoriev A., LobanovA., Studenikin A. Neutrino flavour oscillations in moving matter // in: «Frontiers of the Universe» (Proc. of the 3rd Blois Conference 'Recontres de Blois', Blois, 17-23 June, 2002) - 2002. - pp. 257 - 259.

7. Dvornikov M., Grigoriev A., Studenikin A. Spin light of neutrino in gravitational fields // in: Proceedings of the Seventh School on Non-Accelerator Astroparticle Physics (ICTP, Trieste, Italy, 26 July - 6 August 2004) / Ed. by R. Carrigan, G. Giacomelli, N. Paver - Italy: ICTP, 2005. - P. 301.

8. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Generalized Dirac-Pauli equation and spin light of neutrino in matter // in: «Particle Physics in Laboratory, Space and Universe» (Proceedings of the 11th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, MSU, Moscow, 21 - 27 Aug, 2003) / Ed. by A. Studenikin - Singapore: World Scientific, 2005. - pp. 55 - 64.

9. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Quantum theory of neutrino spin light in dense matter // in: Proceedings of Les Recontres de Physique de la Vallee d'Aoste «Results and Perspectives in Particle Physics» (March 2005, La Thuile, Italy) / Ed by M. Greco - Italy: Frascati Physics Series - 2005. - Vol. 35. - P. 127.

10. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Spin Light of Neutrino in Dense Matter // in: Proceedings of the International Conference DARK2004 (College Station, USA, October 3-9, 2004) / Ed. by H. V. Klapdor-Kleingrothaus and R. Arnowitt - Amsterdam: Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg - 2005. - P. 534.

г

Подписано к печати 10 ОН. Об Тираж ■/00 Заказ бО

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

3039

1 Введение

1.1 Нейтрино в современной физике элементарных частиц

1.2 История развития идеи об осцилляциях нейтрино.

1.3 Осцилляции нейтрино (современное состояние проблемы) . . 8 1.3.1 Экспериментальное исследование нейтринных осцилляций.

1.3.2 Экспериментальные ограничения на массу и параметры смешивания нейтрино.

1.3.3 Теория осцилляций нейтрино.

1.3.4 Новейшее развитие теории осцилляций нейтрино в среде и во внешних полях.

1.4 Основные результаты диссертации.

2 Флейворные осцилляции нейтрино в движущейся и поляризованной среде ф 2.1 Характеристики движущейся и поляризованной среды

2.2 Эффективный гамильтониан нейтрино

2.3 Осцилляции нейтрино в однородной среде.

2.4 Осцилляции нейтрино в неоднородной среде.

2.5 Обобщенное уравнение Дирака для нейтрино в среде

2.5.1 Дираковское нейтрино.

2.5.2 Майорановское нейтрино

3 Спиновый свет нейтрино в гравитационном поле

3.1 Уравнение эволюции спина нейтрино

3.2 Спиновые осцилляции.

3.3 Спиновый свет нейтрино в гравитационном ноле.

4 Квантовая теория спинового света нейтрино в среде

4.1 Решение обобщенного уравнения Дирака для нейтрино в среде.

4.2 Амплитуда процесса.

4.3 Энергетический спектр фотонов.

4.4 Условия применимости квазиклассического подхода.

4.5 Вероятность и мощность излучения.

4.6 Угловое распределение.

4.7 Поляризация спинового излучения нейтрино.

1.1 Нейтрино в современной физике элементарных частиц

Нейтрино с самого момента его предсказания Паули в 1929 году занимает особое место в физике элементарных частиц. Эта частица сыграла ключевую роль в развитии теорий слабого взаимодействия, явившись необходимым элементом первой теоретической модели слабых взаимодействий, которая была нредложенна Ферми в начале 30-х годов. Более глубокое понимание свойств нейтрино позволило затем сформулировать V — А теорию слабых взаимодействий, что последовало за открытием несохранения четности в 1956 году Ву и др. и измерением спиральности нейтрино в эксперименте Голдхабера в 1958 году. Следующим этапом развития физики слабого взаимодействия стало объединение слабых и электромагнитных взаимодействий в единую схему - стандартную модель электрослабых взаимодействий Вайнберга-Салама-Глешоу (ВСГ), структура которой также существенным образом зависит от свойств нейтрино. Первым экспериментальным указанием на справедливость этого объединения стало открытие в 1973 году нейтральных токов в нейтринном эксперименте на ускорителе CERN. С нейтрино также связан и завершающий этап в построении стандартной модели - установление количества кварк-лептонных поколений, что было сделано путем измерения числа легких флейворных нейтрино в экспериментах на ЪЕР в 90-х годах. Нейтрино также занимает важное место в структуре теорий Великого объединения, являясь с позиций этих теорий существенным элементом физической картины мира.

В настоящее время нейтрино еще в большей степени, чем раньше, находится в центре внимания ученых-теоретиков и экспериментаторов. Это связано с существованием ряда парадоксов или «загадок» таких, например, как обнаружение отклонений результатов атмосферных и солнечных нейтринных экспериментов от теоретических предсказаний, основанных на стандартной модели. В рамках современных представлений решения указанных парадоксов основаны на идее об осцилляциях нейтрино. Доказательство существования осцилляций и наличия ненулевой массы у нейтрино с теоретической точки зрения означает выход за рамки стандартной модели, а измерение масштаба массы определяет возможные пути дальнейшего ее обобщения.

Теоретические исследования, связанные с нейтрино, стимулированы, кроме того, его важной ролыо в ядерной физике, а также в астрофизике и космологии. В ядерной физике нейтринно-ядерные реакции являются эффективным методом исследования структуры ядер и нуклонов. Сечения реакций нейтрино с ядрами, необходимые для экспериментального исследования нейтринных потоков от различных источников, также определяются в рамках ядерной физики. Говоря об астрофизическом аспекте физики нейтрино отметим, прежде всего, важную роль этой частицы при взрывах сверхновых и в эволюции нейтронных звезд, а также вклад в темную материю, образование реликтового фона и др. В космологии нуклеосинтез Большого взрыва в значительной степени определяется характером нейтринных взаимодействий и числом легких нейтрино, а распад тяжелого майорановского нейтрино, возможно, играет важную роль в механизме образования избытка барионов над антибарионами.

Несмотря на достигнутые успехи в физике нейтрино и то, что эта область является одной из самых динамично развивающихся разделов физики, в ней до сих пор не решен ряд принципиальных вопросов, как то: наличие смешивания лептонных поколений, величина массы нейтрино, существование ненулевого магнитного момента, принадлежность нейтрино к частице дираковского или майорановского типа и др. И хотя в настоящее время считается практически доказанным существование смешивания и осцилляций, полной ясности в вопросе о свойствах нейтрино достичь не удалось. Сложившаяся ситуация связана с уникальными свойствами нейтрино: данная частица обладает нулевым зарядом, малыми величинами массы и магнитного момента и имеет чрезвычайно «слабое» взаимодействие с другими частицами. Сечение слабого взаимодействия нейтрино при энергии Еи ~ 50 МэВ по порядку величины для упругого рассеяния на нуклонах оценивается как сг^ ~ Ю-39 см2, для обратного /3-распада - как ареР ~ Ю-40 см2 и для упругого рассеяния на электронах - как сг„ее ~ Ю-43 см2. Данные свойства нейтрино делают весьма затруднительным его экспериментальное исследование и являются причиной возникающих в нейтринных экспериментах неопределенностей, связанных как с измерением значения какой-либо характеристики нейтрино, так и со статистическим анализом событий.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в статьях [96, 129-132, 134-138] и были доложены на следующих конференциях:

Ломоносовские конференции по физике элементарных частиц (2001, 2003, 2005 гг.), 7-я Летняя школа по неускорительной астрофизике (Триест, Италия, 2004 г.), Мориондская конференция (Лез-Арк, Франция, 2003 г.), б-я Международная конференция по космомикрофизике «КОСМИОН-2004» (Москва - Париж, 2004 г.), 21-я Международная конференция но нейтринной физике и астрофизике (Париж, 2004 г.), Международные конференции «Результаты и перспективы физики элементарных частиц» (Ла-Туиль, Италия, 2003 - 2005 гг.), Еврофизическая конференция по физике высоких энергий (Лиссабон, 2005 г.), 7-я Международная конференция «Квантовая теория поля иод действием внешних условий» (Барселона, 2005), 5-я международная конференция по неускорительной новой физике (Дубна, 2005 г.), Международные семинары «Кварки - 2002», «Кварки - 2004».

Благодарности

В заключение автор хочет выразить благодарность своим соавторам Максиму Сергеевичу Дворникову, Андрею Евгеньевичу Лобанову и Алексею Игоревичу Тернову за плодотворное сотрудничество, а также своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Александру Ивановичу Студеникину за научное руководство и поддержку, оказанную автору в течении периода совместной работы.

Автор также признателен всем сотрудникам кафедры теоретической физики за доброжелательное отношение, а также ее руководству -Андрею Алексеевичу Славнову и Владимиру Чеславовичу Жуковскому за внимание к проблемам автора и понимание.

Заключение

Диссертация посвящена развитию теории распространения и осцилляции нейтрино в веществе и различных внешних полях, а также рассмотрению приложения полученных результатов в астрофизике.

1. Понтекорво Б. М. Мезоний и антимезоний // ЖЭТФ- 1957. - Т. 33.- С. 549.

2. Wu С. S. et all Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay // Phys. Rev. 1957. - Vol. 105. - P. 1413.

3. Landau L. D. On the Conservation Laws for Weak Interactions // Nu-cl Phys. 1957. - Vol. 3. - P. 127.

4. Lee T. D. and Yang C. N. Parity Nonconcervation and a Two Component Theory of the Neutrino // Phys. Rev. 1957. - Vol. 105. - P. 1671.

5. Salam A. On Parity Conservation and Neutrino Mass // Nuovo Cim. -1957. Vol. 5. - P. 299.

6. Понтекорво Б. M. Обратные /^-процессы и несохранение лептонного заряда // ЖЭТФ 1958. - Т. 34. - С. 247.

7. Maki Z., Nakagava М., Sakata S. Remarks on the unified model of elementary particles // Prog. Theor. Phys. 1962. - Vol. 28. - P. 870.

8. Danby G. et al. Observation of High-Energy Neutrino Reactions and the Existence of Two Kinds of Neutrinos // Phys. Rev. Lett. 1962. - Vol. 9.- P. 36.

9. Понтекорво Б. M. Нейтринные опыты и вопрос о сохранении лептонного заряда // ЖЭТФ -1967. -Т. 53. С. 247.

10. Gribov V., Pontecorvo B. Neutrino Astronomy and Lepton Charge // Phys. Lett. B. 19G9. - Vol. 28 - P. 493.

11. Bilenky S. M., Pontecorvo В. M. Quark-Lepton Analogy and Neutrino Oscillations 11 Phys. Lett. B. 197G. - Vol. 61. - P. 248.

12. Билепький С. MПонтекорво Б. M. Аналогия между лептонами и кварками и леитонный заряд // ЯФ 1976. - Т. 24. - С. 603.

13. Bilenky S. M., Pontecorvo В. M. Again on Neutrino Oscillations // Lett. Nuovo Cim. 1976. - Vol. 17. - P. 569.

14. Wolfenswten L. Neutrino oscillations in matter // Phys. Rev. D. 1978.- Vol. 17. P. 2369.

15. Михеев С. П., Смирнов А. Ю. Резонансное усиление осцилляций нейтрино в веществе и спектроскопия солнечных нейтрино // ЯФ -1985. Т. 42. - С. 1441.

16. Lee В. W., Shrock R. Е. Natural suppression of symmetry violation in gauge theories: Muon- and electron-lepton-nuinber nonconcervation // Phys. Rev. D. 1977. - Vol. 16. - P. 1444.

17. Fujikawa K., Shrock R. E. Magnetic Moment of a Massive Neutrino and Neutrino-Spin Rotation // Phys. Rev. Lett. 1980. - Vol. 45. - P. 963.

18. Волошин M. Б., Высоцкий M. И. Магнитный момент нейтрино и вариация потока солнечных нейтрино во времени // ЯФ 1986. -Т. 44. - С. 845.

19. Окунь Л. Б. Об электрическом дипольном моменте нейтрино // ЯФ- 1986. Т. 44. - С. 847.

20. Волошин М. Б., Высоцкий М. И., Окунь Л. Б. Об электромагнтных свойствах нейтрино и возможных полугодовых вариациях потока нейтрино от Солнца // ЯФ 1986. - Т. 44. - С. 677.

21. Волошин М. Б., Высоцкий М. И., Окунь Л. Б. Электродинамика нейтрино и возможные эффекты для солнечных нейтрино // ЖЭТФ 198G. - Т. 91. - С. 754.

22. Cisneros A. Effect of magnetic moment on solar neutrino observations // Astrophys. Space Sci 1971. - Vol. 10. - P. 87.

23. Schechter J., Valle J. W. F. Majorana neutrinos and magnetic fields // Phys. Rev. B. 1981. - Vol. 24. - P. 1883.

24. Lim C.-S., Marciano W. Resonant spin-flavor precession of solar and supernova neutrinos // Phys. Rev. D. 1988. - Vol. 37. - P. 1368.

25. Akhmedov E. Resonant amplification of neutrino spin rotation in matter and the solar-neutrino problem // Phys. Lett. B. 1988. - Vol. 213. -P. G4.

26. Baheall, J. N., Gonzales-Garcia M. C. and Pena-Garay C. Solar neutrinos before and after neutrino 2004 // JEEP 2004. - Vol. 0408. -P. 016.

27. Abdurashitov J. N. et al. Measurement of the Solar Neutrino Capture Rate with Gallium Metal // Phys. Rev. C. 1999. - Vol. 60. - P. 055801.

28. Harnpel W. et al. GALLEX Solar Neutrino Observations: Results for GALLEX IV 11 Phys. Lett. B. 1999. - Vol. 447. - P. 127.

29. Fukuda S. et al. Determination of solar neutrino oscillation parameters using 1496 days of Super-Kamiokande-I data // Phys. Lett. B. 2002. -Vol. 539. - P. 179.

30. Ahmad Q. R. et al. Measurement of the charged current interactions produced by B-8 solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. 2001. - Vol. 87. - P. 071301.

31. Ahmad Q. R. et al. Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. 2002. - Vol. 89. - P. 011301.

32. Aharrnim D. et al. Electron energy spectra, fluxes, and day-night asymmetries of 8B solar neutrinos from measurements with NaCl dissolved in the heavy-water detector at the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. C. 2005. - Vol. 72. - P. 055502.

33. Eguehi K. et al. First results from KarnLAND: Evidence for reactor antineutrino disappearance // Phys. Rev. Lett. 2003. - Vol. 90. - P. 021802.

34. Hirata K. S. et al. Experimental study of the atmospheric neutrino flux // Phys. Lett. D. 1988. - Vol. 205. - P. 416.

35. Bionita R. M. et al. Contained neutrino interactions in an underground water detector // Phys. Rev. D. 1988. - Vol. 38. - P. 768.

36. Aglietta M. et al. Experimental study of atmospheric neutrino flux in the NUSEX experiment // Europhys. Lett. 1989. - Vol. 8. - P. 611.

37. Daum K. et al. Determination of the atmospheric neutrino spectra with the Frejus detector // Z. Phys. C. 1995. - Vol. 66. - P. 417.

38. Fukuda Y. et al. Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos // Phys. Rev. Lett. 2001. - Vol. 81. - P. 1562.

39. Fukuda Y. et al. Measurement of the flux and zenith-angle distribution of upward through-going rnuons by Super-Kamiokande // Phys. Rev. Lett. 1999. - Vol. 82. - P. 2644.

40. Fukuda Y. et al. Tau neutrinos favored over sterile neutrinos in atmospheric muon neutrino oscillations // Phys. Rev. Lett. 2000. - Vol. 85.- P. 3999.

41. Sanchez M. et al. Observation of Atmospheric Neutrino Oscillations in Soudan 2 // Phys. Rev. D. 2003. - Vol. 68. - P. 113004.

42. Ambrosio M. et al. Atmospheric neutrino oscillations from upward throughgoing muon multiple scattering in MACRO // Phys. Lett. D.- 2003. Vol. 566. - P. 35.

43. Ashie Y. et al. Measurement of atmospheric neutrino oscillation parameters by Super-Kamiokande I // Phys. Rev. D. 2005. - Vol. 71. -P. 112005.

44. Ahn M. H. et al. Indications of Neutrino Oscillation in a 250 km LongBaseline Experiment // Phys. Rev. Lett. 2003. - Vol. 90. - P. 041801.

45. Schechter J., Valle J. W. F. Comment on the lepton mixing matrix // Phys. Rev. D. 1980. - Vol. 21. - P. 309.

46. Schechter J., Valle J. W. F. Neutrino masses in SU(2) <g> U(l) theories // Phys. Rev. D. 1980. - Vol. 22. - P. 2227.

47. Schwetz T. Neutrino oscillations: Current status and prospects // Acta Phys. Polon. D. 2005. - Vol. 36. - P. 3203.

48. Apollonio M. Search for neutrino oscillations on a long base-line at the CHOOZ nuclear power station // Eur. Phys. J. C. 2003. - Vol. 27. -P. 331.

49. Goldman I., Aharonov Y., Alexander G., Nussinov S. Implications of the supernova SN1987A neutrino signals // Phys. Rev. Lett. 1988. -Vol. 60. - P. 1789.

50. Lattimer J. M., Cooperstein J. Limits on the Neutrino Magnetic Moment from SN1987A // Phys. Rev. Lett. 1988. - Vol. 61. - P. 23.

51. Лихачев Г. Г., Студеиикии А. И. Осцилляции нейтрино в магнитном поле солнца, сверхволновых и нейтронных звезд // ЖЭТФ 1995. -Т. 108. - Вып. 3(9) - С. 769.

52. Akhrnedov Е., Fukuyama Т. Supernova prompt neiitronization neutrinos and neutrino magnetic moments // JCAP 2003. - Vol. 0312. - P. 007.

53. Rafealt G. Stars as laboratories for fundamental physics Chicago Univ. Press, 1996.

54. Dvornikov M., Studenikin A. Electric charge and magnetic moment of massive neutrino // Phys. Rev. D. 2004. - Vol. 69. - P. 073001.

55. Дворников M. С., Студеиикии А. И. Электромагнитные формфакторы массивного нейтрино // ЖЭТФ 2004. - Т. 126. -С. 288.

56. Веасот J. Р., Vogel P. Neutrino magnetic moments, flavor mixing, and the Super-Kamiokande solar data // Phys. Rev. Lett. 1999. - Vol. 83.- P. 5222.

57. Liu D. W. et al. Limits on the neutrino magnetic moment using 1496 days of Super-Kainiokande-I solar neutrino data // Phys. Rev. Lett. -2004. Vol. 93. - P. 021802.

58. Daraktchieva Z. et al. Final results on the neutrino magnetic moment from the MUNU experiment // Phys. Lett. B. 2005. - Vol. 615. - P. 153.

59. Xin B. et al. Production of electron neutrinos at nuclear power reactors and the prospects for neutrino physics // Phys. Rev. D. 2005. - Vol. 72.- P. 012006.

60. Raffelt G. G. Limits 011 neutrino electromagnetic properties: An update // Phys. Rep. 1999. - Vol. 320. -P. 319.

61. Smirnov A. The Geometrical phase in neutrino spin precession and the solar neutrino problem // Phys. Lett. B. 1991. - Vol. 260. - P. 161.

62. Vidal J., Wudka J. Nondynamical contributions to left-right transitions in the Solar neutrino problem // Phys. Lett. B. 1990. - Vol. 249. -P. 473.

63. Akhmedov E., Lanza A., Sciarna D. Resonant spin-flip precession of neutrinos and pusar velocities // Phys. Rev. D. 1997. - Vpl. 56. -P. 6117.

64. Egorov A., Lobanov A., Studenikin A. Neutrino oscillations in electromagnetic fields // Phys. Lett. B. 2000. - Vol. 491. - Pp. 137-142. -hep-ph/9910476.

65. Дворников M. С., Студепикии А. И. Осцилляции нейтрино в ноле линейно поляризованной электромагнитной волны // ЯФ 2001. -Т. 64. - С. 1705.

66. Дворников М. С., Студепикии А. И. Параметрический резонанс при осцилляциях нейтрино в периодически меняющихся электромагнитных полях // ЯФ 2004. - Т. 67. - С. 741.

67. Nunokava Н. et al. Neutrino conversions in a polarized medium // Nu-cl. Phys. B. 1997. - Vol. 501. - Pp. 17-40. - hep-ph/9701420.

68. Bergmann S., Grossman Y., Nardi E. Neutrino propagation in matter with different general interactions // Phys. Rev. D. 1999. - Vol. 60. -P. 093008. - hep-ph/9903517.

69. Lobanov A., Studenikin A. Neutrino oscillations in moving and polarized matter under the influence of electromagnetic fields // Phys. Lett. B. -2001. Vol. 515. - Pp. 94-98. - hep-ph/0106101.

70. Mezaros P. Theories of gainma-ray bursts // Ann. Rev. Astron. Astro-phys. 2002. -Vol. 40.

71. Тернов И. M. Введение в физику спина релятивистских частиц -Москва: Изд-во Московского университета, 1997.

72. Nunokava H., Semikoz V., Smirnov A., Valle J. W. F. Neutrino conversions in a polarized medium // Nuel. Phys. B. 1997. - Vol. 501. -P. 17.

73. Studenikin A. I., Ternov A. I. Neutrino quantum states and spin light in matter // Phys. Lett. B. 2005. - Vol. 608. - P. 107. - hep-ph/0410297. - hep-ph/0412408.

74. Pantaleone J. Dirac neutrino helicity flip in dense media // Phys. Lett. B. 1991. - Vol. 286. - P. 227; Dirac neutrinos in dense matter // Phys. Rev. D. - 1992. - Vol. 46. - P. 510.

75. Kiers K., Weiss N. Coherent neutrino interactions in a dense medium// Phys. Rev. D. 1997. - Vol. 56. - P. 5776.

76. Kiers K., Tytgat M. Neutrino ground state in a dense star // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 57. - P. 5970.

77. Berezhiani Z. G., Vysotsky M. I. Neutrino decay in matter // Phys. Lett. B. 1987. - Vol. 199. - P. 281.

78. Giunti C., Kim C. W., Lee U. V/., W.P.Lam W. P. Majoron decay of neutrinos in matter // Phys. Rev. B. 1992. - Vol. 45 - P. 1557.

79. Berezhiani Z., Rossi A. Majoron decay in matter // Phys. Lett. B. -1994. Vol. 336. - P. 439.

80. Dvornikov M., Studenikin A. Neutrino spin evolution in presence of general external fields // J.High Energy Phys. 2002. - Vol. 09. - P. 016.

81. Studenikin A. Neutrino in electromagnetic fields and moving matter // Phys. Atom. Nucl. 2004. - Vol. 67. - P. 993; // Studenikin A. New effects in neutrino oscillations in matter and electromagnetic fields, //- hep-ph/0306280.

82. Борисов А. В., Жуковский В. Ч., Тернов А. И. Электромагнитные свойства массивного дираковского нейтрино во внешнем электромагнитном ноле // Известия ВУЗов Сер. «Физика»- 1988. Vol. 3. - Р. 64.

83. Скобелев В. В. Взаимодействие массивного нейтрино с полем плоской волны // ЖЭТФ 1991. - Т. 100. - С. 75.

84. Radomski М. Neutrino magnetic moment, plasinon Cerenkov radiation, and the solar-neutrino problem // Phys. Rev. D. 1975. - Vol. 12. -P. 2208.

85. Grimus W., Neufeld H. Cherenkov radiation of neutrinos // Phys. Lett. B. 1993. - Vol. 315. - P. 129.

86. Sakuda M. Proposed method to measure the neutrino magnetic moment // Phys. Rev. Lett. 1994. - Vol. 72. - P. 804.

87. Sakuda M., Kurihara Y. Transition Radiation of the Neutrino Magnetic Moment // Phys. Rev. Lett. 1995. - Vol. 74. - P. 1284.

88. Grimus W., Neufeld H. Transition Radiation of Ultrarelativistic Neutral Particles // Phys. Lett. B. 1995. - Vol. 344. - P. 252.

89. Lobanov A., Studenikin A. Spin light of neutrino in matter and electromagnetic fields // Phijs. Lett. B. 2003. - Vol. 564. - Pp. 27-34.

90. Studenikin A. The four new effects in neutrino oscillations // Nu-cl. Phys. B. (Proc. Suppl.) 2005. - Vol. 143. - P. 570.

91. Студепикип А. И. Нейтрино в электромагнитных нолях и движущихся средах // ЯФ 2004. - Т. 564. - С. 1014.

92. Studenikin A. Neutrino in magnetic fields: from the first studies to the new effects in neutrino oscillations // Proceedings of Les Recontres de Physique de la Vallee d'Aoste / Ed. by M. Greco - Italy: Frascati Physics Series - 2004. - P. 155.

93. Studenikin A. Quantum treatment of neutrino in background matter // J. Phys. A.: Math. Gen. 2006. - Vol. 39.

94. Lobanov A., Studenikin A. Neutrino self-polarization effect in matter // Phys. Lett. B. 2004. - Vol. 601. - P. 171.

95. Lobanov A. E., Pavlova O. S. On classical description of radiation from neutral fermion with anomalous magnetic moment // Phys. Lett. A. -2000. Vol. 275. - Pp. 1-4.

96. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Dirac and Majorana neutrinos in matter // ЯФ 2006. - в печати.

97. Brill D. R., Wheeler J. A. Interaction of neutrinos in gravitational fields // Rev. Mod. Phys. 1957. - Vol. 29. - P. 465.

98. Maiwa H., Naka S. Neutrino oscillations in gravitational fields // -hep-ph/0401143.

99. Fornengo N., Giunti C., Kim C. W., Song J. Gravitational effect on the neutrino oscillation // Phys. Rev. D. 1997. - Vol. 56. - P. 1895.

100. Crocker R., Giunti C., Mortlock D. Neutrino interferometry in curved spacetime // Phys. Rev. D. 2004. - Vol. 69. - P. 063008.

101. Cai Y. Q., Papini G. Neutrino helicity flip from gravity-spin coupling// Phys. Rev. L. 1991. - Vol. 66. - P. 1259.

102. Casini H., Montemayor R. Chirality transitions in gravitational fields // Phys. Rev. D. 1994. - Vol. 50. - P. 7425.

103. Smirnov A. Neutrinos: oscillations, gravitational effects, refraction // Proc. of Vlllth Rencontres de Blois (Blois, 1996) Ed. by J. Trail Thanh Van.

104. Ahluwalia D. V., Burgard C. Gavitationally induced neutrino oscillation phase // Gen. Rel. Grav. 1996. - Vol. 28. - P. 1161.

105. Piriz D., Roy M., Wudka J. Neutrino oscillations in strong gravitational filed // Phys. Rev. D. 1996. - Vol. 54. - P. 1587.

106. Cardall C. Y., Fuller G. M. Neutrino oscillations in curved spacetime: an heuristic treatment // Phys. Rev. D. 1997. - Vol. 55. - P. 7960.

107. Ahluwalia D. V. On a new non-geometric element of gravity // Gen. Rel. Grav. 1997. - Vol. 29. - P. 1491.

108. Grossman Y., Lipkin H. J. Flavor oscillations from a spatially localized source: A simple general treatment // Phys. Rev. D. 1997. - Vol. 55. -P. 2760.

109. Konno K., Kasai M. General relativistic effects of gravity in quantum mechanics // Prog. Theor. Phys. 1998. - Vol. .100 - P. 1145.

110. Ahluwalia D. V., Burgard C. Interplay of gravitation and linear superposition of different mass eigenstates // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 57. - P. 4724.

111. Bruggen M. Neutrino spin-flips in curved space-time // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 58. - P. 083002.

112. AdakM., Bereli Т., Ryder L. H. Neutrino oscillations induced by spacetime torsion // Class. Quant. Grav. 2001. - Vol. 18. - P. 1503.

113. Wudka J. Mass dependence of the gravitationally-induced wave-function phase // Phys. Rev. B. 2001. - Vol. 64. - P. 065009.

114. Ahluwalia-Khalilova В. V. Charge conjugation and Lense-Thirring Effect: A new Asymmetry // Int. J. Mod. Phys. B. 2004. - Vol. 13. -P. 2361.

115. Singh B. Neutrino Helicity and Chirality Transitions in Schwarzschild Space-Time // gr-qc/0401044.

116. Mukhopadhyay B. Neutrino asymmetry in presence of gravitational interaction // gr-qc/0401095.

117. Nieves J. F., Pal P. B. Gravitational couplings of neutrinos in a medium // Phxjs. Rev. B. 1998. - Vol. 58. - P. 096005.

118. Athar H., Nieves J. F. Matter effects on neutrino oscillations in gravitational and magnetic fields // Phys. Rev. B. 2000. - Vol. 61. - P. 103001.

119. Nieves J. F., Pal P. B. Momentum-dependent contributions to the gravitational coupling of neutrinos in a medium // Phys. Rev. B. 2001. -Vol. 63. - P. 076003.

120. Девитт В. С. Динамическая теория групп и полей. Москва: Наука, 1987; Биррел Н., Девие П. Квантованные поля в искривленном пространстве-времени. - Москва: Мир, 1984.

121. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. 7-е изд. - Москва: Наука, 1988. - Т. 2 из Теоретическая физика. - С. 428.

122. Шапиро С. Л., Тыоколъски С. А. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды Москва: Мир, 1982.

123. Липунов В. М. Астрофизика нейтроных звезд Москва: Наука, 1987.

124. Burgio G. F., Schulze H.-J., Weber F. On the maximum rotational frequency of neutron and hybrid stars // Astron. Astrophys. 2003. -Vol. 408. - P. 675.

125. Razzaque S., Meszaros P., Waxman E. TeV neutrinos from core collapse supernovae and hypernovae // astro-ph/0407064.

126. Lobanov A. E. High energy neutrino spin light // Phys. Lett. B. 2005.- Vol. 619. P. 136.

127. Лобанов А. Радиационные переходы нейтрино в плотном веществе при высоких энергиях // ДАН Сер. «Физика» - 2005. - Т. 402. -С. 475. - hep-ph/0411342.

128. Соколов А. А., Тернов И. М., Жуковский В. Ч., Борисов А. В. Квантовая электродинамика Москва: Изд-во Московского университета, 1983. - 135 с.

129. Grigoriev A., Lobanov A., Studenikin A. Suppression of MSW effect in moving and polarized matter // Procceedings of the 10г/г Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics / Ed. by A. Studenikin -Singapore: World Scientific, 2003. - pp. 32 - 38.

130. Grigoriev A., Lobanov A., Studenikin A. Neutrino flavour oscillations in moving matter // Proc. of the 3rd Blois Conference «Recontres de Blois» - 2002. - pp. 257 - 259.

131. Grigoriev A., Lobanov A., Studenikin A. Effect of motion and polarization in neutrino flavour oscillations // Phys. Lett. B. 2002. - Vol. 535.- P. 187.

132. Dvornikov M., Grigoriev A., Studenikin A. Spin light of neutrino in gravitational fields // Int. J. Mod. Phys. D. 2005. - Vol. 14. - №2.-P. 309.

133. Grigoriev A. V., Studenikin A. I., Ternov A. I. Quantum theory of neutrino spin light in dense matter // Phys. Lett. B. 2005. - Vol. 622. - P. 199.

134. Pivovarov I., Studenikin A. Neutrino propagation and quantum states in matter // PoS(HEP2005) 2006. - pp. 191i - 1914.