Аргумент в пользу гипотезы
об осцилляции нейтрино
Как известно, источником энергии Солнца и других звезд является термоядерная реакция превращения четырех протонов водорода в ядра атома гелия. Реакция сопровождается излучением двух нейтрино. Зная светимость Солнца и энергетический эффект одной реакции, можно узнать количество нейтрино, испускаемых в единицу времени. Это количество равно 1039 сек-1, а поток их на Земле – 1015 м-2 сек-1
В
ν + Cl37 → Ar37 + e-
Берется большое количество вещества, богатого хлором (например, жидкость перхлорэтилен – C2Cl4), при взаимодействии ядра хлора с нейтрино мы получаем радиоактивный изотоп аргона, излучение которого и фиксируется.
Эти опыты в течение 20 лет ставил американский физик Дэвис. Результат его опытов состоял в том, что число зафиксированных нейтрино было в 7 раз меньше, чем должно быть. Причем ошибка эксперимента не превышает 10%.
Были предложены две гипотезы, как объяснить это явление. Одной из гипотез была “гипотеза осцилляций”, предложенная Б.М.Понтекорво. Эта гипотеза состоит в том, что нейтрино в пути как бы “распадаются”, превращаясь из электронных в мюонные, которые детектор не может фиксировать. Эта гипотеза требует признания наличия у нейтрино массы покоя. Если эта гипотеза подтвердится, то предстоит внесение серьезных изменений в физику элементарных частиц.
Другая гипотеза, высказанная Фаулером, состоит в том, что если нейтрино прорываются сквозь солнечные недра фактически мгновенно, то оптическое излучение, рожденное в ходе ядерных реакций в недрах Солнца, просачивается из солнечных глубин к поверхности в течение многих лет. Тогда получается следующее. Много лет назад интенсивность ядерных реакций в недрах Солнца была высокая, а сейчас низкая. Нынешний поток нейтрино является отражением нынешней низкой интенсивности ядерных реакций, а нынешнее оптическое излучение Солнца является отражением высокой интенсивности ядерных реакций, которая была тысячи лет назад. Через несколько тысяч лет и оптическая интенсивность излучения Солнца упадет, что приведет к очередному ледниковому периоду (которые, по некоторым утверждениям, повторяются периодически). Данные изменения интенсивности ядерных реакций на Солнце объясняются перемешиванием вещества в его недрах. Эту гипотезу защищает И.С.Шкловский [1].
Однако с этой версией спорит астроном Ю.Ефремов [2], говоря, что Шварцшильд создал теорию эволюции звезд главной последовательности, основанную на предположении о том, что перемешивания не происходит – и выводы этой теории подтверждены многими наблюдениями.
Чтобы определить, какая из этих гипотез верна, определим, за какое же время оптическое излучение проходит из недр Солнца к его поверхности. Если за очень большое время, то тогда теория перемешивания верна и гипотеза об осцилляциях нейтрино является излишней. Если очень быстро – то тогда теория перемешивания ошибочна, и теория осцилляций нейтрино имеет право на существовавние.
Чему равна скорость распространения света в плотной среде? Скорость эта равна v = c/n, где c – скорость света в вакууме, n – показатель преломления. Тогда, учитывая, что радиус Солнца – R, а показатель преломления меняется с расстоянием от центра Солнца как n(r), для времени движения светового луча будем иметь:
t =0 ∫R dr/v(r) = (1/c) 0 ∫R n(r)dr
Учитывая, что n = √εμ ≈ √ε и подставляя значение диэлектрической проницаемости для плазмы, получим:
t = (1/c) 0 ∫R √(1 – e2ne(r) / (πmeν2(r))), где ne(r) – концентрация электронов в плазме, а ν(r) – зависимость частоты излучения от расстояния до центра Солнца (в центре оно из-за высокой температуры близко к рентгеновскому или даже γ-δиапазону, а оптическим становится уже в фотосфере)
Примем к сведению, что вещество в Солнце практически полностью ионизировано и предположим, что это преимущественно водород. Преобразуем концентрацию в плотность вещества, а частоту – в длину волны:
t = (1/c) 0 ∫R √[1 – e2/(πmemHc2) λ2(r)ρ(r)] dr
Значение λ(r) определим из закона излучения Вина:
λT = νm = 3*10-3
Тогда: t = (1/c) 0 ∫R √[1 – e2 νm / (πmemHc2) ρ(r)/T2(r)] dr
Подставим численные
значения:
t = (1/c) 0 ∫R √[1 –5*10-4ρ(r)/T2(r)] dr
Конкретные значения величин
найдем из [3]:
R/R☼ (от центра) |
T(K) |
ρ (г/см3) |
0 |
1,5*109 |
150 |
0,2 |
107 |
36 |
0,5 |
3,4*106 |
1,3 |
0,8 |
1,3*106 |
0,035 |
0,98 |
105 |
0,001 |
Отсюда получаем ρ(r) / T2(r):
R/R☼ (от центра) |
ρ(r) / T2(r) |
0 |
6,7*10-11 |
0,2 |
3,6*10-10 |
0,5 |
1,2*10-10 |
0,8 |
2*10-11 |
0,98 |
10-10 |
Получаем, что величина под
корнем практически неотличима от единицы:
t = (1/c) 0 ∫R 1 dr = (1/c) 0 ∫R dr = R☼/c = 700 тыс.км / 300 тыс. км/сек = 2,3 сек.
Получаем вывод, что теория
перемешивания вещества в недрах Солнца не выдерживает критики, и,
следовательно, теория осцилляций нейтрино имеет право на существование и теория
элементарных частиц должна сделать из этого свои выводы.
Уже после написания данного
материала поступила информация, что в эксперименте «Супер-Камоканде»
в Японии было получено прямое свидетельство осцилляции солнечных нейтрино. В
более ранних экспериментах измерялось количество только электронных нейтрино от
Солнца, которых действительно было в несколько раз меньше, чем предсказывала «стандартная
модель» строения Солнца. Однако в эксперименте «Супер-Камиоканде»
был измерен поток не только электронных нейтрино, а поток нейтрино всех трех
типов (электронные, мюонные и тау) Он оказался равным
(5,44 ± 1) ·106 см-2с-1, что соответствует теоретическому
значению 5 ·106 см-2с-1. Таким образом,
гипотеза об осцилляции подтвердилась (источник информации – журнал «Успехи
физических наук», 2002 год, т. 172, стр. 216).