<< 7.3 Два типа энергетических ... | Оглавление | 8. Введение в OTO >>
7.4 Роль нейтрино в эволюции звезд
Выше мы уже отмечали качественное отличие процессов с рождением нейтрино от других механизмов потерь энергии. Рождаясь нейтрино практически беспрепятственно уходят из звезды и навсегда уносят с собой энергию. Как и остальные процессы (диссоциация ядер, рождение пар и пр.), нейтринные процессы сопровождаются затратой энергии и понижением давления. Однако если раньше мы имели только изменение состояние равновесия из-за рождения новых частиц, то теперь вследствие энергетических потерь полного равновесного состояния вообще нет: ( -- энтропия). Энтропия иногда падает! В этом нет противоречия: падает энтропия вещества в центре ядра, но возникает энтропия нейтрино, улетевших от звезды.
Но неполное равновесие тоже можно излучать. Например, гремучий газ: -- мы можем рассматривать его расширение, сжатие и прочее, причем все эти процессы будут равновесными, кроме одного -- процесса сгорания. То же можно сказать и о любой смеси веществ (например, , если иметь в виду ядерные реакции), так как полное равновесие -- это ядра железа.
В состоянии полного термодинамического равновесия концентрация нейтрино пропорциональна . Плотность энергии и давление . Однако в звездах нейтрино рождаются и уходят, поэтому их истинная концентрация гораздо меньше равновесной.
При рассмотрении горения водорода мы уже учитывали рождение нейтрино. Но тогда учет нейтрино сводился просто к эффективному уменьшению калорийности ядерного топлива. Например, если скорость реакции
Пусть имеется стабильное ядро . Ядро с тем же ядерным весом -- ядро трития -- неустойчиво и распадается по схеме -распада,
Главную роль играет экспоненциальный множитель кэВ, т.е. при комнатной температуре в скорость этого процесса входит число . Но при температуре порядка 10 кэВ (K) процесс может идти. Однако одновременно в таком веществе тритий опять распадается:
При высоких температурах, когда уже нет ядер, урка-процесс идет таким образом:
Нейтрон тяжелее протона на 0,8 МэВ. Поэтому плато с достигалось бы при МэВ. Однако Пинаев заметил, что при таких температурах появляются позитроны и начинает эффективно идти процесс
Выпишем без расчета величину энергопотерь, связанных с обсуждаемыми процессами:
Для объяснения всех экспериментальных проявлений слабых взаимодействий до недавнего времени достаточно было считать, что все частицы взаимодействуют в одной точке (причем взаимодействуют -- это значит и рождаются). Например:
(7.2) |
Здесь знак (тильда) обозначает античастицу, а скобки объединяют частицы, входящие в реакцию всегда по одну сторону от стрелочки. Запись (2) расшифровывается так: если встречается символ некоторой частицы, то это обозначает гибель данной частицы, либо рождение ее античастицы. Например, первый член в (2) символизирует реакцию
В действительности есть еще реакции с мюоном и мюонным нейтрино , например, распады
Расстояние, которое проходит -бозон до распада, можно оценить из соотношения неопределенностей
Квантовомеханическая амплитуда процессов с рождением -бозона должна иметь вид
Гамильтониан наблюдаемых процессов тогда выглядит следующим образом:
Процесс , т.е. -- это рассеяние нуклонов за счет слабого взаимодействия. Его наблюдать трудно, так как есть рассеяние за счет сильного взаимодействия. Но слабое взаимодействие приводит к несохранению четности, и в этих процессах, например, должны появляться -кванты с круговой поляризацией.
Процесс -- рассеяние нейтрино на электронах:
Интересно, что Райнес в свое время дал для процесса экспериментальное значение сечения , но это оказалось ошибкой. Сейчас
Процесс
Если ``раскачивать'' кусок вещества, то электромагнитные волны он излучать не будет, так как вещество электронейтрально, но данный нейтринный процесс может идти, так как он не компенсируется протонами, т.е. при колебании вещества возникает нейтринное излучение.
Данный вид взаимодействия приводит к тому, что между любыми двумя телами есть дальнодействующая сила, потенциал которой пропорционален .
В гамильтониане есть член
Есть и другие процессы с излучением нейтрино. Это плазменные колебания с испусканием нейтринно-антинейтринных пар. На стадии горения углерода нейтринное излучение может быть равно фотонному.
Наконец, при высокой температуре ( K) самым главным становится процесс (он остается сравнимым с урка-процессом Пинаева).
Пары в этом процессе рождаются с вероятностью гораздо меньшей, чем пары -квантов в процессе
Отметим принципиально новые результаты семидесятых годов в области слабого взаимодействия и их астрофизическое значение.
В 1974 г. был открыт третий член ряда, первые два которого представляют собой электрон и мюон. Эта частица обозначается и называется тау-лептон. Физика вступает в противоречие с филологией: лептон по-гречески значит ``легкий'', и это было правильно применительно к и . Масса равна 1780 МэВ, т.е. он в 1,9 раза тяжелее протона, легким его назвать нельзя. Но свойства подобны свойствам и . Поэтому, придавая слову ``лептон'' новый смысл -- ``фермион, обладающий слабым и электромагнитным, но не сильным, взаимодействиями'', мы называем лептоном. Предполагается, что существует и соответствующее этому лептону нейтрино, , а также его античастица , подобно тому как мюону соответствует и . Следовательно, распады идут так: или . Распад с образованием пионов и других адронов невозможен для мюона, но возможен для тау-лептона благодаря большой массе этой частицы.
Второе открытие -- существование нейтрального тока. Процессы, протекающие через посредство промежуточных бозонов , называют зависимыми от заряженного тока. Феноменологически эти процессы записаны так, что каждый член в выражении для тока (в наших обозначениях для амплитуды ) меняет заряд на единицу, а общий заряд сохраняется, потому что гамильтониан содержит произведение двух токов, одного уменьшающего и другого увеличивающего заряд. Но в теории Салама-Вейнберга предполагается, что наряду с существует аналогичный тяжелый векторный (спин 1) промежуточный (в слабом взаимодействии) и притом нейтральный бозон. Будучи нейтральным, он должен распадаться на пары нейтрино-антинейтрино или пары заряженных частиц или античастиц: , Аналогично этому происходит и взаимодействие с адронами7.3. Как всегда в таких формулах можно перенести античастицу справа налево, превращая ее в частицу. У самого -бозона нет античастицы, или точнее он сам является своей античастицей, так как истинно нейтрален, также как фотон.
На опыте при энергиях, недостаточных для реального рождения -бозона (такая ситуация продлится вероятно до 1985 г.), наблюдаются процессы типа рассеяния: . Предсказывается также слабое взаимодействие электронов с ядрами, которое обнаруживается при рассеянии релятивистских электронов, а также в оптическом поведении атомов. Это взаимодействие качественно было предсказано одним из авторов (Я.Б.Зельдовичем) еще в 1958 г. В настоящее время его можно считать доказанным.
Каковы астрофизические следствия существования нейтрального тока?
С одной стороны, расширяются возможности производства пар нейтрино-антинейтрино. Теперь возможны процессы
Какова роль нейтринных процессов в эволюции звезд вообще? На стадии главной последовательности нейтринное излучение, казалось бы, малосущественно. Однако нельзя забывать, что, во-первых, без слабого взаимодействия, а значит и без излучения нейтрино, вообще не возможно горение водорода. А, во-вторых, нейтрино позволяет в принципе заглянуть в самые центральные области звезд и проверить наши теории. Для Солнца это уже делается (опыты Дэвиса).
На поздних стадиях эволюции нейтринное излучение может играть решающую роль, поскольку
достигаются высокие температуры, и нейтрино эффективно отводит тепло. Без нейтрино
трудно объяснить образование планетарных туманностей, взрывы сверхновых. Нейтринное излучение сильно
ускоряет остывание горячих белых карликов и нейтронных звезд. Поэтому, сравнивая
предсказания теории эволюции звезд, рассчитанные с учетом и без учета нейтрино,
с наблюдениями реальных объектов, можно проверить теорию слабых взаимодействий,
т.е. установить наличие в природе тех процессов, которые в лаборатории пока не наблюдались.
<< 7.3 Два типа энергетических ... | Оглавление | 8. Введение в OTO >>
Публикации с ключевыми словами:
Эволюция звезд - внутреннее строение звезд - термоядерные реакции - физические процессы
Публикации со словами: Эволюция звезд - внутреннее строение звезд - термоядерные реакции - физические процессы | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> |