Навигация
7. НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИКА.
Физические свойства нейтрино, и особенно наличие у нейтрино массы интересно и важно не только для физики микромира, но и для астрофизики. Мы коснемся только одного вопроса - о связи между массой нейтрино и плотностью вещества во вселенной.
Как ранее упоминалось, согласно экспериментальным данным, полученным в ИТЭФе, нейтрино в 20 000 раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не взаимодействующая частица должна играть определяющую роль во Вселенной? Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем более, чем в миллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 5 * 10-32 г, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10-29 г/см3, а это примерно в 30 раз превышает плотность всего другого, "не нейтринного" вещества. И, значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей кинематику расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3% "примеси" к основной массе Вселенной - к массе нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мы живем в нейтринной вселенной.
Этот вывод имеет интересное следствие.
Важнейшим вопросом, касающимся эволюции Вселенной, является вопрос о том, будет ли вечно продолжаться ее расширение.
Ответ зависит от того, чему равна средняя плотность материи во Вселенной:
если плотность материи больше некоторого критического значения
крит, то тяготение этой материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и
заставит галактики сближаться друг с другом - Вселенная сменит расширение на сжатие. Если же плотность меньше критического значения крит, тогда
тяготения материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная будет расширяться вечно.
Критическая плотность, по современным оценкам, равна крит ~ 10-29 г/см3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во Вселенной составляет обычное вещество, для которого крит ~ 10-31 г/см3. Это
- 49 -
означало, что вещ-ва < крит и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической
~ 10-29 г/см3 ~ крит . Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтрино, есть еще мюонные и тау - нейтрино. Об их массе покоя ничего не известно из
прямых экспериментов, однако, из теории и косвенных экспериментов следует, что если отлична от нуля масса покоя электронных нейтрино, то, вероятно, отлична от нуля и масса покоя других сортов нейтрино. Причем, вероятно, массы покоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Если это учесть, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше
критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет, расширение Вселенной смениться сжатием, и причиной этого "сильнейшего" вывода оказалась "слабейшая" из частиц - нейтрино.
Обратимся к вопросу о происхождении структуры Вселенной. В начале ее расширения вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе распадалась на комки, которые развились в небесные тела и их системы? Как появились зачатки скоплений галактик?
Согласно мнению большинства специалистов, подобный процесс происходит из-за гравитационной неустойчивости: маленькие случайные начальные сгустки вещества, своим тяготением стягивают вещество и за счет этого усиливаются - сгущаются и разрастаются. Эти сгустки вещества при определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие начало скоплениям галактик. Основы теории описывающей этот процесс, были сформулированы еще в 1946 г. отечественным физиком Е.М. Лившицем.
Теперь мы можем считать, что во Вселенной тяготение нейтрино оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо, прежде всего, учитывать при анализе роста неоднородностей вещества под действием гравитационной неустойчивости.
Общая картина роста неоднородностей представляется следующей. В самые первые мгновения после начала расширения Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности в распространении плотности материи в пространстве. Спустя всего 1 секунду после начала расширения плотность вещества уже достаточно велика, чтобы препятствовать свободному полету сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период имеют еще
- 50 -
очень большую энергию и летят со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей, создается более равномерное распределение нейтрино. Однако происходит это только в малых пространственных масштабах - в районе сравнительно малых нейтринных сгущений.
Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемещаться с другими нейтрино достаточно быстро, усредняя, сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени, тем большие по размеру неоднородности нейтрино успевают рассосаться. Так будет продолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей, чем скорость света. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после начала расширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут успевать вылетать из комков большого размера. И такие комки, имеющие сначала сравнительно малую плотность, могут усиливаться тяготением, сгущаться, и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.
Можно подсчитать, какой будет масса таких нейтринных облаков. Поскольку, главным образом только первые 300 лет происходило выравнивание плотности, и нейтрино двигались с около световой скоростью, мы приходим к выводу, что выравнивание успело произойти в участках с размерами, не превышающих 300 световых лет. В больших масштабах, в нейтринных сгустках большего размера, повышенная плотность нейтрино сохранялась, затем усиливалась, и эти сгущения дали начало нейтринным облакам. Следовательно, масса этих облаков определяется количеством нейтрино, находившихся в сфере радиусом 300 световых лет через 300 лет после начала расширения Вселенной.
Расчет показывает, что типичная масса нейтринного облака выражается только через фундаментальные природные константы: 
– постоянную Планка, G - гравитационную постоянную и m -
массу покоя нейтрино. Первые три константы известны, и если принять, что масса покоя нейтрино действительно равна 35 эВ = 6 * 10-32 г, то окажется, что масса типичного нейтринного облака составляет примерно 1015 солнечных масс.
Форма нейтринных облаков, согласно Я.Б. Зельдовичу, должна быть очень сильно сплюснутой, что по форме они должны быть похожи на блины. Соединение множества таких "блинов", хаотично расположенных в пространстве, даст в совокупности картину гигантских, невидимых нейтринных сот.
- 51 -
Итак, к нашему времени в пространстве должна возникнуть ячеистая структура невидимых нейтринных облаков. Таким образом, огромное море нейтрино, собранных в облака, в которых они движутся со скоростью порядка 1000 км/с, по-видимому, представляет собой то самое "нечто", которое раньше не учитывалось при исследовании Вселенной, и без которого невозможно было объяснить многие важные ее черты.
Как говорят астрофизики-теоретики, теперь, после того как появилась основание ввести массу покоя нейтрино, многие непонятное ранее встало на свои места.
- 52 -
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Что происходит в нейтринной физике сейчас, в данную минуту?
Положение можно сравнить с накапливанием сил перед очередной атакой. Должно пройти несколько лет, и мы узнаем...
Составляет ли масса нейтрино десятки электроновольт или ее верхний предел опустится в область просто электроновольт. Тогда понадобятся новые идеи и новые методы для поиска массы этой массы.
Справедливы ли предположения лионской группы о существовании нейтринных осцилляций.
О новых результатах большой программы изучения солнечных и космических нейтрино.
Исследователи двойного 
- распада продвинуться в
точности своих опытов еще на порядок и будут работать в области периодов полураспада 1023-1024 лет.
Мы получим количественные результаты о взаимодействии реакторных 
е с электроном, детоном, более сложными ядрами.
Нейтрино начнет решать практические задачи.
В заключении можно привести две цитаты, разделенные семнадцатилетним периодом:
" Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными "целями".
М.А. Марков, 1964 г.
"...Всего за полвека из ускользающей сущности нейтрино превратилось в фундамент нашего существования... Произошла "нейтринная революция". Эта революция затрагивает самые фундаментальные основы мира, в котором мы живем. Она произвела переворот и в нашем подходе к физическим явлениям".
Я.Б. Зельдович, М.Ю. Хлопов, 1981 г.
.
- 53 -
ЛИТЕРАТУРА1. Боровой А. А. Как регистрируют частицы. М., Наука, 1981.
2. Боровой А. А. 12 шагов нейтринной физики. М., Знание, 1985.
3. Нейтрино, Сборник статей.(Серия: "Современные проблемы физи- ки"). М., Наука, 1970.
4. Понтекорво Б.М. Нейтрино. М., Знание, 1966.
5. Новиков И. Гравитация, нейтрино и вселенная - Наука и жизнь, 1982, #2, с.22.
Похожие работы
... экспериментах с применением галлия (SAGE и GALLEX), чувствительных к мягким солнечным нейтрино, дефицит подтвердился на уровне около 60% SSM. Этот дефицит, известный под названием "проблемы солнечных нейтрино", по всей видимости, связан с nе-осцилляциями, хотя убедительных доказательств еще нет. Такими доказательствами могли бы стать: 1) искажение энергетического спектра солнечных нейтрино, 2) ...
... словами, основное состояние почти чистое если плотность вещества мала, и почти чистое если плотность вещества неограниченно возрастает. В 1985 году важную теоретическую работу, относящуюся к нейтринным осцилляциям, опубликовали С.П. Михеев и А.Ю. Смирнов. Они показали, что в веществе с плавно меняющейся плотностью (в частности, на Солнце) может в принципе, иметь место практически полный ...
... частицы отталкиваются от антимассивных». Если бы они притягивались, то массивные частицы соединились бы с антимассивными, превратившись в нейтральную массу и разрушив всю космическую картину Вселенной. То же самое происходит с фотонами и антифотонами – они взаимоотталкиваемы, но когда они оказываются вместе, их электромагнитные заряды нейтрализуются. Электроны притягиваются позитронами, а ...
... и искомыми величинами. Последовательность действий, которые надо выполнить, чтобы от исходных данных перейти к искомым величинам, называют алгоритмом. 2. Историческое развитие моделей элементарных частиц 2.1 Три этапа в развитии физики элементарных частиц Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932гг (Элементарные частицы - "атомы Демокрита" на более глубоком уровне) Когда греческий ...
0 комментариев