Взаимодействие частиц во внешних электромагнитных полях в различных калибровочных теориях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

л — г- Л Я

Г' I о V л

" г ис, г"' " *

ч л , : > | ■

На правах рукописи ЛИХАЧЁВ ГЕННАДИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ ВО ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ В РАЗЛИЧНЫХ КАЛИБРОВОЧНЫХ ТЕОРИЯХ

Специальность: 01.04.02 — теоретическая физика

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА — 1995

Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители: 4 * доктор физико-математических наук,

профессор И.М.Тернов

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник А.И.Студеникин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Р.Н.Фаустов (НСК РАН) •

кандидат физико-математических наук,

доцент М.Я.Сафин (РУДН)

Ведущая организация: Институт физики высоких энергий (Протвино).

Защита состоится "30 " НО 1995 г. в час. на

заседании Специализированного Совета К 053.05.18 по адресу: 119899, Москва, Воробьёвы горы, МГУ, физический факультет, аудитотрия ^ х АС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан и,» ОКГ.едрЛ 1995 г.

Учёный секретарь Специализированного Совета,

доктор физико-математических наук П.А.Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена изучению проблемы влияния внешних электромагнитных полей на процессы взаимодействия элементарных частиц. В работе рассмотрены процессы рождения заряженным пептоном пары суперсимметрнчных частиц (вино и снейтрпно или слептона и фотино) в присутствии внешнего электромагнитного поля. Изучены новые возможные механизмы энергетических потерь нейтронной звезды за счёт процессов излучения электроном суперсимметрнчных частиц, а также за счёт процесса обратного распада мюона п определены условия, при которых указанные механизмы могут играть существенную роль в эволюции нейтронной звезды. Исследованы осцилляции нейтрино под действием сильного магнитного поля, и проанализированы связанные с ними эффекты, возникающие в условиях Солнца, межзвёздного галактического газа, сверхновых и нейтронных звёзд.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ обусловлена широким спектром реальных физических ситуаций, в которых может возникнуть необходимость учитывать влияние электромагнитных полей на протекание различных процессов. Помимо возможного использования результатов теоретического исследования взаимодействий различных частиц (в том числе и гипотетических — пока не обнаруженных экспериментально) во внешнем поле при анализе данных ускорительных экспериментов по физике высоких энергии, большой интерес представляют также их астрофизические приложения.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является теоретическое исследование протекания во внешних электромагнитных полях процессов рождения суперсимметричных частиц электроном, влияния сильного магнитного поля • на процесс обратного распада мюона, изучения осцилляции нейтрино в условиях сильного магнитного поля, а также анализ возможных астро-

I

физических приложений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в том, что в ней впервые:

1) получены полные выражения для вероятностей трёхчастичных процессов с участием заряженных и нейтральных фермпонов и скалярных и псевдоскалярных бозонов с учётом всех масс и спинов взаимодействующих частиц,

2) получены и исследованы выражения для вероятностей трёхчастичных процессов с участием суперсимметричных частиц во внешнем поле,

3) изучен процесс обратного распада мюона в сильном магнитном поле,

4) исследованы осцилляции нейтрино в сильном магнитном "поле,

5) исследованы астрофизические приложения процессов с участием суперсимметричных частиц, обратного распада мюона п осцилляции нейтрино в магнитном поле.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ диссертации определяется тем, что результаты работы могут быть использованы при теоретических исследованиях процессов взаимодействия частиц при высоких энергиях на ускорителях, в астрофизических условиях, а также при планировании новых экспериментальных исследований.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИИ И ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Научной конференции Отделения ядерной физики АН СССР "Все-

I

союзная конференция по фундаментальным взаимодействиям элементарных частиц" (Москва, 1990 г.), Ломоносовских чтениях (Москва, 1991 г.), Всесоюзной школе молодых учёных МГУ "Элементарные частицы и внешние поля" (Ярославль, 1992 г.), 6-и Ломоносовской конференции по физике элементарных частиц "Космомикрофнзпка и калибровочные поля" (Москва, 1993 г.), на Школе по неускорительной астрофизике элементарных частиц (Триест, 1993 г.), Научной конференции Отделения ядерной физики РАН "По фундаментальным взаимодействиям элементарных частиц" (Москва, 1994 г.), в Летнем институте по ядерной физике и астрофизике (Гран Сассо, 1994 г.), на международной конференции "Результаты и перспективы физики элементарных частиц" (Туиле, Италия, 1995 г.), на семинарах кафедры теоретической физики физического факультета МГУ, а также на семинарах по теоретической физике и физике высоких энергий и элементарных частиц в ряде университетов Италии, Германии и Греции в 1990 — 1995 г.

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, список которых приведён в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы, содержащего 159 наименований. Общпй объём 128 страниц, в работе имеется 10 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В § 1 введения обосновывается актуальность проблемы взаимодействия элементарных частиц во внешних электромагнитных полях и даётся обзор исследований, выполненных по данной теме. В параграфе 2 даётся краткое изложение вопросов, рассматриваемых в последующих главах диссертации.

Далее в главе 1 в рамках метода точных решений рассматриваются процессы рождения заряженным лептоном ■ I пары суперсимме-' тричных частиц I —» wi> ш I —* l'y (здесь w обозначает вино, v — снейтрино, I — слептон, а ) — фотино) и распада заряженных суперсимметричных частиц (вино или слептона) w -+ 1й и I Щ в присутствии внешнего постоянного поля и получены дифференциальные и полные вероятности этих процессов. При этом учитываются все массы и спиновые характеристики частиц, участвовавших во взаимодействии. В качестве исходного выбирается внешнее постоянное магнитное поле и с помощью известных точных решений уравнений Дирака и Клейна-Гордона для частиц в магнитном поле проводится • вычисление (§§ 3,4) вероятностей процессов в магнитном поле. После этого в предположении, что частицы ультрарелятивистскпе, а также, что квантовые числа частиц велики, исследуются указанные процессы в скрещенном поле (§ 5). Проведено исследование (§ 6) характера поведения вероятностей процессов в различных областях полевого параметра х — Р±Н/тН0 (где m — масса лептона, H — напряжённость внешнего поля, #0 = т2/е « 4.41 х 1013 Г с — характерное критическое значение магнитного поля) и для различных возможных соотношений

между массами частиц (§ 7). В-параграфе 8 изучены поляризационные спиновые эффекты. Проведено сравнение вероятностей процессов

I

рождения суперсимметричных частиц с вероятностями процессов, идущих по схеме электрослабой стандартной моделп для различных значений масс суперсимметричных частиц и напряжённостей внешнего поля (§ 9). Определены оптимальные условия для энергии начального леп-тона и напряжённостей внешнего поля, при которых вероятности суперсимметричных процессов могут быть одного порядка по величине с вероятностями процессов стандартной модели.

Во второй главе диссертации в качестве астрофизического приложения полученных в главе 1 результатов изучены новые возможные механизмы остывания нейтронной звезды и рассмотрен вклад процессов рождения суперсимметричных частиц электроном (е —* шй, е -+ ёу) в энергетические потери нейтронной звезды. Используя формулы для вероятностей данных процессов, рассчитаны скорость потерь энергии и светимость нейтронной звезды для различных значений напряжённости магнитного поля (§§ 12,13) и исследована температурная зависимость светимости нейтронной звезды (§ 12). В параграфе 14 проводится сравнение вкладов в энергетические потери нейтронной звезды за счёт излучения пары суперсимметричных частиц с соответствующими вкладами за счёт стандартных механизмов излучения пары нейтрино электроном. Получены условия для масс и напряжённостей магнитного поля, при которых эти вклады могут быть одного порядка по величине (§ 14).

В последующих параграфах главы 2 проведено детальное исследование процесса обратного распада мюона е —> ¡-ши в спльном магнпт-

ном поле нейтронной звезды. Приводится общая формула для процесса I —♦ 1'ий (§ 15), и обсуждаются условия, при которых энергетические потери нейтронной звезды за счёт процессов е —+ /ши и е —» еии могут быть одного порядка (§ 16).

Глава 3 посвящена исследованию осцилляции нейтрино в сильном электромагнитном поле. В первых параграфах главы 3 проведено общее рассмотрение (§§ 17,18) влияния взаимодействия дпраковских и майорановских нейтрино с веществом и переменным магнитным полем на нейтринные осцилляции, и определено значение критического поля Якр(ДтЗ, 0, п3фф,Еи, <£(*)) (§ 19), как функция разности масс нейтрино (Дт1 — т| — энергии нейтрино Е„, магнитного (или переходного) момента нейтрино, вакуумного угла смешивания в, эффективной концентрации вещества пафф, зависящей от концентраций электронов пе и нейтронов п„, и фазы <£(<), характеризующей изменение поперечного магнитного поля Н{1) = Показано, что в случае переменно-

го поля критическое поле Нкр может быть меньше соответствующего значения Нкр, определённого без учёта изменения поля (ф == 0). Из этого следует, что в случае переменного магнитного поля процессы ос- • цилляций нейтрдно становятся заметными при меньших значениях напряжённости магнитного поля и магнитного момента нех1трино, чем в случае постоянного поля, что подробно продемонстрировано (§ 23) на примере осцилляций в Солнце. В следующих параграфах проанализировано (§ 20) влияние сильного магнитного поля на осцилляции нейтрино в нейтронной звезде и исследован (§ 21) так называемый "пограничный" эффект, который может приводить к "потере" значительного

числа нейтрино (переходу до половины от общего числа нейтрино пз активной фазы в стерильную) при прохождении через границу нейтронной звезды или между двумя слоями внутри звезды. При этом обсуждается справедливость адиабатического приближения. Исследована (§ 22) возможная роль осцилляций нейтрино, вызванных влиянием магнитного поля, при взрыве сверхновой и получены ограничения на величину магнитного момента нейтрино. Рассмотрены также осцилляции нейтрино в галактическом магнитном поле (§ 24).

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты работы, изложенной в диссертации, можно кратко сформулировать следующим образом:

1. На основе проведённого исследования процессов рождения пары суперсимметричных частиц (вино и снейтрино или слептона и фотино) заряженным лептоном и кросс-симметричным к ним процессов распада тяжёлых суперсимметричных частиц (вино или слептона) с учётом влияния внешнего поля получены общие выражения для вероятностей процессов, в которых учтены массы всех участвующих во взаимодействии частиц. Для случая различных значений полевого динамического параметра х найдены асимптотические формулы для вероятностей процессов.

В случае малых значений параметра х (х ^ (^1,2 + VI,2)^1,2 (где А1>2 (то,у/т)г, ц\£ = (т^ ¡/т)2, г? = /х - 1 для процессов рождения

суперсимметричных частиц I йй п I —* 1у и у'/Ззй* С А' ^ 1 для процессов распада суперсимметричных частиц ш —> И> и / —» ¿у) вероятность процессов рождения суперсимметричных частиц оказываются экспоненциально малыми величинами (к^д ~ ХехР(~''"у5'))' а вероятности процессов распада суперсимметричных частиц отличаются от соответствующих выражений в вакууме малыми вкладами, пропорциональными х2-

В случае больших значений полевого параметра (% >■ (1 + $ + или х 1, соответственно) вероятности процессов рождения и распадов суперсимметричных частиц оказываются одного порядка, зависят от параметра х как х2^3 и могут иметь большие значения (так как значения вероятностей возрастают с ростом х)- Для процессов рождения суперсимметричных частиц рассмотрена область промежуточных значений параметра х: (^1,2+^1,2)^^1,2 + М 1,2 + А^г)3''2 (которая возникает, если т^о > т';^), и показано, что вероятности процессов пропорциональны х2 и могут быть немалыми величинами.

2. Из рассмотрения поляризационных спиновых эффектов-вышеназванных процессов, следует, что лептоны с ориентацией спина по шлю более стабильны относительно распада на вино и снейтрино (чем лептоны с ориентацией спина против поля), а лептоны со спином, направленным. против по^я более стабильны относительно распада на фотино и слептон.

3. Показано, что вероятности процессов с участием суперсимме-

I

тричных частиц могут становиться одного порядка по величине с вероятностями процессов в стандартной модели Вайнберга-Салама-Глэшоу

в случае высоких энергий начальных пептонов и/или больших значений напряжённостей внешних магнитных полей.

4. Проведено сравнение полученных результатов для энергетических потерь нейтронной звезды за счёт процессов излучения суперспм-метричных частиц с соотвествуюпшм вкладом от нейтринного излучения за счёт процесса е еий в магнитном поле. Показано, что новые предложенные механизмы могут вносить вклад в энергетические потери нейтронной звезды, сравнимые с вкладом от магннтотормозного излучения нейтрино и, такпм образом, играть заметную роль в эволюции нейтронной звезды, в случае высоких энергий начальных электронов и/или при действии сильных магнитных полей.

5. Показало, что при наличии очень сильного магнитного поля светимость нейтронной звезды за счёт процесса обратного распада мюона е —» ции становится одного порядка со светимостью нейтронной звезды за счёт процесса е -+ еиТ/.

6. Определено критическое значение магнитного поля Нкр, зависящее от типа и характеристик нейтрино и свойств вещества, при превышении которого (Н > Нкр) осцилляции нейтрино', вызванные магнитным полем, становятся существенными.

7. Предсказан и проанализирован эффект перехода половины активных нейтрино в стерильные нейтрино при пересечении потоком нейтрино границы нейтронной звезды ("пограничный" эффект) и при пересечении границы между внутренними слоями нейтронной звезды. Показано также, что при взрыве сверхновых, на Солнце и в межзвёздном га-

лактическом газе действие сильных магнитных полей может привести к заметным осцилляцпям нейтрино. Получено ограничение на величину магнитного момента нейтрино из рассмотрения осцилляций нейтрино при взрыве сверхновых.

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

1. Лихачёв Г.Г., Студеникин А.И., Тернов И.М. Рождение заряженным лептоном пары супер симметричных частиц во внешнем поле.// Ядерная физика. — 1991. — Т.53. — С.1614-1626.

2. Лихачёв Г.Г., Студеникин А.И. Распады и астрофизические эффекты суперсимметричных частиц во внешнем поле.// Ядерная физика. — 1992. — Т.55. — С.150-157.

3. Лихачёв Г.Г., Студеникин А.И. Супер симметричные частицы во внешнем электромагнитном поле.// Известия вузов. Физика. — 1991. — No 2. — С. 126.

4. Лихачёв Г.Г., Студеникин А.И. Излучение и распады суперсимметричных частиц во внешнем поле. — Материалы VI Гродненской областной конференции молодых учёных и специалистов "Наука —

■ Практике". — Гродно. — 1990. — СЛ47-148.

5. Likhacliev G.G., Studenikin A.I. Magnetic Field Induced Contributions of Super symmetric Particles to Energy Losses of Neutron Star. — Preprint of International Centre for Theoretical Physics. — Trieste. — Italy. — July 1993. — IC/93/168. — 7 p.

6. Likhacliev G.G., Studenikin A.I. Influence of Supersymmetric Particle Pair Emission by Electron on Evolution of Neutron Star. Preprint of International Centre for Theoretical Physics. — Trieste. — Italy. — April 1994. — IC/94/60. — 12 p.

7. Likhachev G.G., Studenikin A.I. Influence of Supersymmetric Particle Pair Emission by Electron on Evolutien of Neutron Star. — In

"Particle Physics, Gauge Fields and Astrophysics". — (Ed. by A.Studenikin, Published by Accademia Nazionale dei Lincei, Roma, Italy, 1994). — P. 37-54.

8. Likhachev G.G., Studenikin A.I. Muon Inverse Decay and Cooling of Neutron Star.// Abstract of the Reports at the Internatinal School-. Seminar "Multidimensional Gravity and Cosmology". — Moscow. — 1994. — P.78.

9. Likhachev G.G., Studenikin- A.I. Neutrino Oscillations in Strong Magnetic Fields, j/ Preprint of the International Center for Theoretical Physics. — Trieste. — Italy. — July 1994. — IC/94/170. — 8p. -

10. Likhachev G.G., Studenikin A.Î. Neutrino Oscillations in Twisting Magnetic Fields. // Gravitation k. Cosmology. — 1995. — V.l. — No. 1. — P.22-24.

11. Likhachev G.G., Studenikin A.I. Neutrino Oscillations in Magnetic Fields of the Sun, Supernovae and Neutron Star. // Hadronic Journal. — 1995. — V.18. — No. 1. — P.l-14.