научная статья по теме УСИЛЕНИЕ ПОТОКА СТЕРИЛЬНЫХ НЕЙТРИНО ПРИ БОЛЬШОЙ ПЛОТНОСТИ И ПОВЫШЕНИИ СТЕПЕНИ НЕЙТРОНИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВА Астрономия

Текст научной статьи на тему «УСИЛЕНИЕ ПОТОКА СТЕРИЛЬНЫХ НЕЙТРИНО ПРИ БОЛЬШОЙ ПЛОТНОСТИ И ПОВЫШЕНИИ СТЕПЕНИ НЕЙТРОНИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВА»

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 41, № 6, с. 286-293

усиление потока стерильных неитрино

при большой плотности и повышении степени

1 НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия 2Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия 3Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия Поступила в редакцию 05.12.2014 г.

Рассчитаны относительные величины потоков активных и стерильных нейтрино в веществе с большой плотностью и разной степенью нейтронизации. Найдено значительное увеличение доли стерильных нейтрино, образующихся в сверхплотном веществе при приближении степени нейтронизации к двум. Полученные результаты могут быть использованы для расчета потоков нейтрино для веществ с большой плотностью и разной степенью нейтронизации в астрофизических процессах, например, при образовании протонейтронного ядра сверхновой звезды.

Ключевые слова: активные и стерильные нейтрино, осцилляции нейтрино, взаимодействие нейтрино с веществом, отношение числа нейтронов к числу протонов, протонейтронное ядро сверхновой звезды.

При гравитационном коллапсе сверхновых звезд основная доля высвобождающейся энергии уносится мощными потоками нейтрино. Нейтрино различных типов (флейворов) рождаются как за счет большого числа процессов, происходящих с участием нуклонов и ядер звездного вещества, так и благодаря процессам осцилляций нейтрино, т.е. переходам одного типа нейтрино в другой. Особенностью процессов осцилляций известных типов нейтрино (электронного, мюонного и тауонного) в веществе является зависимость от распределения плотности числа электронов вещества. При ненулевой электронной плотности осцилляционные характеристики нейтрино изменяются по сравнению с осцилляционными характеристиками нейтрино в вакууме, и при определенных соотношениях между электронной плотностью, разностями квадратов масс, углами смешивания и энергиями нейтрино возникают так называемые резонансы Михеева—Смирнова—Вольфенстейна (МСВ-резонансы). В тех областях вещества,

Электронный адрес: khruschov_vv@nrcki.ru Электронный адрес: yudin@itep.ru Электронный адрес: nadezhin@itep.ru Электронный адрес: fomichev_sv@nrcki.ru

где выполняются условия возникновения МСВ-резонансов, происходит усиление перехода одного типа нейтрино в другой, даже если первоначальное вакуумное смешивание между разными типами нейтрино было незначительным.

Учет усиления за счет МСВ-резонанса перехода одного типа нейтрино в другой в солнечном веществе позволил решить проблему дефицита солнечных электронных нейтрино и определить величины разности квадратов масс Дш^ = ш2 — — ш\ и угла смешивания 012 нейтрино. На основе данных по осцилляциям атмосферных, реакторных и ускорительных нейтрино были также определены другие осцилляционные характеристики нейтрино (см. Олив и др., 2014). В настоящее время наиболее точные значения вакуумных осцилляционных характеристик нейтрино в пределах отклонений на 1а, где а — стандартная неопределенность измерений, получены в ряде работ. Приведем значения осцилляционных характеристик из статьи Гонзалез-Гарсия и др. (2014) для стандартной параметризации матрицы смешивания:

яШ2 012 = 0.304+0013,

0 452+0.052 0 52—0.028 0 57О+0.025 0.037

Дт21/10"5 эВ2 = 7.5010:19,

2. 40' -0:047 _2 4 4910:048

Поскольку известно только абсолютное значение осцилляционной массовой характеристики Дт21, то значения масс нейтрино можно упорядочить двумя способами: а) т1 <т2 <т3 и б) т3 < < т1 < т2, т.е. может осуществляться, как говорят, либо нормальная иерархия ^^ случай а), либо обратная иерархия (Щ, случай б) спектра масс нейтрино.

Наряду с приведенными значениями осцилля-ционных характеристик нейтрино достаточно давно существуют указания на аномалии величин потоков нейтрино в различных процессах, происходящих на Земле, которые нельзя объяснить осцилляциями только активных, т.е. электронных, мюонных и та-уонных нейтрино и антинейтрино. К таким аномалиям относятся LSND/MiniBooNE, реакторные и галлиевые аномалии (см. Абазаджян и др., 2012; Копп и др., 2014), которые могут быть объяснены существованием одного или двух дополнительных нейтрино, не взаимодействующих в рамках Стандартной модели (СМ) с другими частицами. Такие нейтрино получили название стерильных нейтрино. Характерный масштаб масс стерильных нейтрино, необходимый для описания отмеченных выше аномалий, составляет 1 эВ. Однако надо отметить, что недавно полученные наблюдательные астрофизические данные, относящиеся к формированию галактик и их кластеров, могут быть объяснены существованием стерильных нейтрино с массами 1 кэВ и выше, и такие стерильные нейтрино являются кандидатами в частицы холодной темной материи (см. Доделсон, Уидроу, 1994; Кузенко, 2009). Больше деталей о возможном существовании стерильных нейтрино и их характеристиках можно найти в многочисленных работах (см., например, Ляо, 2006; Абазаджян и др., 2012; Беллини и др., 2013; Конрад и др., 2013; Ан и др., 2014; Копп и др., 2014).

Большой интерес представляют модели с тремя активными и тремя стерильными нейтрино (см. Бхупал Дев и Пилафтсис, 2012; Дюер и др., 2013; Конрад и др., 2013; Раджпут и др., 2013; Хрущев, 2013; Зысина и др., 2014; Хрущев и Фомичев, 2014), которые могут быть включены в теории великого объединения, обладающие лево-правой симметрией. В работах Зысиной и др. (2014) и Хрущева и Фомичева (2014) были получены оценки масс трех активных и трех стерильных нейтрино и рассчитаны вероятности рождения и выживания

активных и стерильных нейтрино в Солнце с учетом МСВ-резонансов. Хотя в моделях с тремя активными и тремя стерильными нейтрино существуют трудности, связанные с согласованием числа эффективных нейтрино и суммы их масс с данными космологических наблюдений, относящихся к первичному нуклеосинтезу, анизотропии реликтового излучения и наблюдаемой крупномасштабной структуре Вселенной (см. Коматсу и др., 2011; Аде и др., 2013), такие согласования зависят от используемой космологической модели и существует возможность обойти прямую связь между числом дополнительных релятивистских степеней свободы и числом стерильных нейтрино путем перехода к более общим космологическим моделям (см. Хо и Шеррер, 2013; Горбунов, 2014; и приведенные там ссылки). В нашей работе для общности рассматривается модель с тремя стерильными нейтрино, в которой выбраны феноменологические параметры с целью демонстрации эффекта усиления выхода стерильных нейтрино при определенных условиях. Эти параметры не противоречат имеющимся экспериментальным ограничениям. Существует простой способ подавить рождение и термализацию стерильных нейтрино в ранней Вселенной, который может быть применен и в нашей модели — это уменьшение или зануление параметров смешивания между активными нейтрино и одним, двумя или тремя стерильными нейтрино и вывод всех или некоторых стерильных нейтрино из термодинамического равновесия на ранних стадиях образования Вселенной. То есть, модель допускает редукцию к двум или одному стерильному нейтрино.

В настоящей работе рассматривается изменение флейворного состава нейтринного потока за счет когерентного рассеяния нейтрино на электронах и нейтронах вещества. Учет нейтронов не приводит к изменению осцилляционных характеристик, если рассматривать только активные нейтрино. Если учесть вклад стерильных нейтрино, то влияние нейтронной плотности вещества становится заметным. Более того, как показано в настоящей работе, когда отношение числа нейтронов к числу протонов близко к двум, происходит значительное усиление выхода стерильных нейтрино. Такое усиление возникает при больших или сверхбольших значениях плотности вещества (>107 г/см3), поэтому данный эффект может иметь значение только в астрофизических условиях, например, при образовании протонейтронного ядра сверхновой звезды. В моделях с участием стерильных нейтрино этот эффект является дополнительным к МСВ-эффекту и может приводить к новым следствиям при вспышках сверхновых звезд. Несмотря на то, что влияние стерильных нейтрино на процессы в сверхновых звездах рассматривались во многих работах (см., например, Хидака, Фуллер, 2006,

2007; Тамборра и др., 2012; Ву и др., 2014; Уоррен и др., 2014), эффект усиления выхода стерильных нейтрино при отношении числа нейтронов к числу протонов в веществе п = Nп/Мр & 2 ранее не был замечен.

(3 + 1 + 2)-МОДЕЛЬ АКТИВНЫХ И СТЕРИЛЬНЫХ НЕЙТРИНО

Приведем ниже основные положения (3 + 1 + + 2)-модели с тремя активными и тремя стерильными нейтрино, исследованной в статьях Зысиной и др. (2014) и Хрущева и Фомичева (2014). В рамках (3 + 1 + 2)-модели нейтрино определенных типов (флейворов) , как активные, так и стерильные, являются смесью массивных нейтрино , обладающих определенной массой. Массы нейтрино задаются набором = , где г = 1,2,3, г' = 1', 22, 3', при этом массы

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎