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 1946 г. советский физик Б.М.Понтекорво выдвинул идею, как измерить количество нейтрино. Идея основывалась на реакции:

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 – e²n_e(r) / (πm_eν²(r))), где n_e(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/(πm_em_Hc²) λ²(r)ρ(r)] dr

Значение λ(r) определим из закона излучения Вина:

λT = ν_m = 3*10^-3

Тогда: t = (1/c) ₀ ∫^R √[1 – e² ν_m / (πm_em_Hc²) 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).