| Russian Pages | Home |

---

Введение в нейтринную астрономию

В. А. Наумов, С. И. Синеговский

курс лекций для студентов III курса физического факультета
I семестр, 1998-99

---

Лекция 1. “Зоопарк частиц”. Основные свойства нейтрино.
Кратко излагаются необходимые эмпирические данные о свойствах и взаимодействиях элементарных частиц.

Классификация частиц и взаимодействий. Обзор таблиц Розенфельда.

Законы сохранения в физике частиц.

Фундаментальные составляющие материи (кварки и лептоны), калибровочные поля (фотон, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса, глюоны, гравитоны). Основные идеи Стандартной Модели электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама, Квантовой Хромодинамики и моделей Великого Объединения.

Важнейшие свойства нейтрино.

1. Ограничения на массу, время жизни, заряд и магнитный момент.
2. Понятие о Дираковской и Майорановской массах.
3. Лептонные числа и гипотеза нейтринных осцилляций.
4. Данные о сечениях взаимодействия нейтрино с нуклонами и электронами.

Гипотетические частицы и взаимодействия.

1. Понятие о суперсимметрии. R-четность, супермультиплеты, суперпартнеры.
2. Другая “экзотика” (струны, техницвет, преоны и т.д.).

Лекция 2. Энергетический спектр и состав первичного космического излучения.

Эмпирические сведения о химическом и изотопном составе ядерной компоненты первичных космических лучей (КЛ). Сравнение распространенностей ядер в КЛ и в среднем во Вселенной.

Антипротоны и антиядра в первичном космическом излучении.

Эмпирические сведения об энергетическом спектре протонов и ядер первичных КЛ. Основные модуляционные механизмы.

1. Солнечная модуляция первичного спектра. Высокоширотное обрезание.
2. Геомагнитные эффекты. Эффективная жесткость геомагнитного обрезания.
3. Проблема излома первичного спектра.
4. Поведение спектра КЛ при сверхвысоких энергиях.
5. Механизм Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК).
6. Эмпирические данные о КЛ при энергиях выше порога ГЗК.
7. Некоторые гипотетические механизмы генерации КЛ сверхвысоких энергий. Топологические дефекты (космические струны, текстуры, испарение черных дыр, и др.). О возможной роли нейтринного гало Галактики.

Электрон-позитронная компонента КЛ.

Лекция 3. Основные механизмы генерации космических лучей и нейтрино. Стандартные астрофизические источники.
Рассматриваются (на качественном уровне) основные механизмы генерации частиц высоких энергий (включая фотоны и нейтрино) в космосе. Дается краткий обзор наиболее вероятных астрофизических источников КЛ, гамма квантов и нейтрино.

Генерация нейтрино в цепочках термоядерных реакций в звездах (pp и CNO циклы в Солнце и сверхновых).

“pp”- и “р-гамма” - механизмы генерации КЛ и нейтрино высоких энергий в “космических ускорителях”, атмосферах звезд и планет (рождение нейтрино в распадах p- и K-мезонов, мюонов, t-лептонов и короткоживущих резонансов).

Локальные (“точечные”) источники космических лучей, гамма квантов и нейтрино высоких энергий:

1. остатки молодых сверхновых,
2. аккреция вещества на нейтронные звезды и черные дыры,
3. бинарные и n-арные системы (пульсар/белый карлик + гигант и т.п.),
4. Галактический центр,
5. активные галактические ядра (Сейфертовские галактики, N-галактики, квазары, лацертеиды, блазары и др.),
6. межгалактические струи.

Диффузные потоки нейтрино высоких энергий:

1. галактические нейтрино, включая нейтрино, образующиеся при взаимодействиях космических лучей с галактическим гало барионной темной материи,
2. квазидиффузный фон от активных галактических ядер,
3. нейтрино из межгалактического пространства, включая нейтрино, образующиеся при взаимодействии космических лучей с реликтовым фотонным излучением (“ГЗК”-нейтрино),
4. прегалактические нейтрино и нейтрино от яркой фазы галактической эволюции.

Лекция 4. Проблема скрытой массы Вселенной.

Краткий обзор эмпирических данных о скрытой массе галактик, галактических кластеров и суперкластеров (сверхскоплений).

Некоторые кандидаты на роль составляющих холодной темной материи:

1. барионное вещество (пыль, молекулярный водород, массивные компактные неизлучающие объекты, такие как “юпитеры”, коричневые карлики, странные или гибридные звезды и т.д.);
2. небарионное вещество (массивные нейтрино, легчайшие суперсимметричные частицы, аксионы, майороны, зеркальная материя, техникварковая материя, топологические дефекты, такие как космические струны, вортоны, текстуры, магнитные монополи, черные дыры).

Генерация нейтрино при аннигиляции частиц холодной темной материи в Земле, Солнце и Галактическом гало. Связь с проблемой поиска антивещества в первичном космическом излучении.

Лекция 5. Ядерно-каскадные процессы в веществе.

Основные закономерности взаимодействия адронов и ядер с ядрами.

1. Полные сечения. Ограничение Фруассара. Ускорительные данные. Результаты, полученные из экспериментов с КЛ.
2. Инклюзивные и эксклюзивные сечения взаимодействия. Важнейшие экспериментальные данные. Фейнмановский скейлинг и предельная фрагментация. Идеология партонной модели.

Распады элементарных частиц. Кинематика и спектры вторичных частиц на примере двухчастичного распада.

Основные закономерности ядерно-каскадного процесса в веществе (качественный анализ).

Роль электромагнитных взаимодействий (энергетические потери заряженных частиц на ионизацию и возбуждение атомов среды, образование дельта-электронов). Электромагнитный каскад.

Основные величины теории переноса (поток, интенсивность, энергетический и импульсный спектры, средняя энергия, угловые распределения).

Лекция 6. Z-факторный метод: нуклонный каскад при средних и высоких энергиях.

Глубина среды. Пробег до взаимодействия. Оптическая толщина среды.

Вывод системы одномерных уравнений переноса для протонов и нейтронов без учета энергетических потерь. Кинематика. Следствия изотопической симметрии.

Z-факторный метод.

1. Формальное общее решение уравнений переноса для нуклонов.
2. Основное приближение (обобщенная формула Зацепина).
3. Первая итерационная поправка.
4. Эффективные пробеги поглощения нуклонов.

Анализ точного решения уравнений переноса в “ССС”-модели (степенной первичный спектр + скейлинг + независящие от энергии полные неупругие сечения взаимодействия).

Лекция 7. Z-факторный метод: нуклон-мезонный каскад при средних и высоких энергиях.

Пробег до распада, критическая энергия, критическая плотность.

Глубина в атмосфере, как функция высоты и зенитного угла.

Вывод системы одномерных уравнений переноса для нуклонов и пионов без учета энергетических потерь. Регенерация и перезарядка пионов.

Формальное решение уравнений переноса для пионов (Z-факторным методом) в пренебрежении процессами рождения нуклонов в пион-ядерных взаимодействиях. Анализ решения в “ССС”-модели.

Энергетические потери. Электромагнитный пробег. Характеристическое уравнение в дифференциальной и интегральной формах и общие свойства его решения.

Вывод полной системы тремерных и одномерных уравнений переноса нуклон и мезонов.

Лекция 8. Матричный метод: нуклон-мезонный каскад при высоких и сверхвысоких энергиях. I.

Генерации нуклон-антинуклонных пар при взаимодействии заряженных пионов с ядрами при высоких энергиях.

Система уравнений переноса для нуклон-пионного каскада в приближении “стабильных пионов”.

Гипотеза универсального асимптотического поведения полных неупругих сечений взаимодействия адронов.

Формулировка матричного метода.

Решение системы уравнений переноса в первом приближении, в рамках в “ССС”-модели.

Лекция 9. Матричный метод: нуклон-мезонный каскад при высоких и сверхвысоких энергиях. II.

Расчет поправок к первому приближению. Численная оценка поправок на глубине эффективной генерации мюонов и нейтрино в атмосфере.

Система уравнений переноса для каонов без учета регенерации.

Анализ решения. Роль процессов генерации каонов при взаимодействии заряженных пионов с ядрами.

Качественные оценки вкладов основных неучтенных эффектов (распад пионов, регенерация каонов, рождение пионов в двух- и трехчастичных распадах K^± , K⁰_S и K⁰_L-мезонов).

Лекция 10. Генерация мюонов в ядерно-каскадном процессе. Атмосферные мюоны.

Уравнение переноса мюонов в приближении непрерывных потерь. Функция генерации.

Решение уравнений переноса для мюонов. Вероятность выживания. Качественный анализ асимптотического поведения решения при низких и сверхвысоких энергиях.

Качественная оценка эффекта зависимости форм-факторов K_l3-распадов от Q² (квадрата 4-импульса, уносимого лептонной парой).

Атмосферные мюоны: краткий обзор численных результатов и эксперимента.

О проблеме “быстрых мюонов” (т.е. мюонов, образующихся при распаде очарованных адронов).

Лекция 11. Генерация нейтрино в ядерно-каскадном процессе. Атмосферные нейтрино.

Уравнение переноса нейтрино без учета поглощения и регенерации.

Атмосферные нейтрино: обзор некоторых численных результатов.

1. Влияние геомагнитных эффектов и эффекта солнечной модуляции первичного спектра.
2. Зенитно-угловые распределения.
3. Основные источники неопределенностей в расчетах потока атмосферных нейтрино низких энергий (неопределенности первичного спектра и состава КЛ, неопределенности в инклюзивных сечениях рождения пионов и каонов).
4. Вклад атмосферных нейтрино быстрой генерации (от распадов очарованных мезонов и гиперонов).
5. Флейворное отношение. О роли поляризации мюонов и эффекта форм-факторов полулептонных распадов каонов.

Неучтенные эффекты и трудности теории при низких энергиях (3-мерность каскада, вклад от частиц возвратного альбедо, тонкая структура пенумбры) и при высоких энергиях (неопределенности моделей взаимодействия адронов и ядер и, в частности, проблема нарушения скейлинга и проблема рождения и распада очарованных адронов).

О возможности нормировка потока атмосферных нейтрино на измеренные потоки мюонов в атмосфере, на уровне моря и под землей.

Основные методы детектирования нейтрино высоких энергий. Классификация событий в подземных нейтринных детекторах.

Сравнение с данными измерений потока АН подземных детекторах NUSEX, Frejus, Kamiokande, IMB, SOUDAN-2, MACRO и Super-Kamiokande.

Лекция 12. Прохождение нейтрино высоких энергий через вещество.

Общий анализ проблемы генерации и переноса нейтрино в веществе. Оценки критических плотностей.

1. Поглощение и регенерация нейтрино за счет реакций, индуцированных заряженными и нейтральными токами. Специфика переноса электронных антинейтрино. Резонанс Глэшоу-Березинского-Газизова.
2. Эффект регенерации через адронный каскад, инициируемый нейтрино в разреженной протяженной среде (фотосфера Солнца, звезда Торна-Житкова).
3. Эффект регенерации мюонных нейтрино за счет рождения и распада мюонов.
4. Эффект регенерации тау-нейтрино за счет рождения и распада тау-лептонов.

Генерация мюонов при прохождении мюонных нейтрино через плотную среду.

1. Вывод функции генерации.
2. Уравнение переноса мюонов в приближении непрерывных потерь.
3. Точные формулы для дифференциального и интегрального спектров мюонов.
4. Равновесные (дифференциальный и интегральный) спектры мюонов.

---

Список рекомендуемой литературы

---

| Top | Russian Pages | Home |