На правах рукописи

Шинкевич Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ВО ВНЕШНИХ ПОЛЯХ И СРЕДАХ МЕТОДОМ

ТОЧНЫХ РЕШЕНИЙ

Специальность 01.04.02 – теоретическая физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор А. И. Студеникин

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор РГГРУ В. Н. Родионов Кандидат физико-математических наук, ассистент МГУ им. М. В. Ломоносова К. А. Кузаков

Ведущая организация: Томский Государственный Университет, г. Томск

Защита диссертации состоится «_17_» мая 2007 года в _16.00_ часов на заседании диссертационного совета К 501.001.17 МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет, ауд..

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 501.001.17, доктор физико-математических наук П. А. Поляков

-2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена развитию метода точных решений квантовых уравнений для волновых функций частиц во внешних полях и средах и исследованию на его основе процессов взаимодействия элементарных частиц, протекающих в экстремальных астрофизических условиях. На основе этого метода развита релятивистская теория протекания урка-процессов в магнитном поле (на примере обратного бета-распада нейтрона) и проведено исследование влияния внешней среды на распространение заряженных лептонов (электронов) в веществе и различных внешних полях. В работе также обсуждаются приложения полученных результатов в астрофизике и космологии.

В работе построена релятивистская теория процесса обратного бета-распада поляризованного нейтрона с учётом эффектов отдачи протона, а также квантования движения протона в магнитном поле. Проведён детальный анализ сечения процесса для различных областей напряжённости поля, поляризации среды и энергии нейтрино и показано, что в случае сверхсильного и сильного магнитного поля наблюдается эффект «прозрачности» поляризованной среды из нейтронов для движущихся нейтрино. Рассмотрены эффекты, связанные с наличием аномального магнитного момента нуклонов.

В рамках данного подхода изучен новый тип электромагнитного излучения — спиновый свет электрона (SLe), движущегося в среде из нейтронов. Развита последовательная квантовая теория спинового света электрона в среде (в том числе плотной и сверхплотной), в рамках которой получены выражения для угловых распределений вероятности и мощности излучения, а также исследованы предельные случаи протекания процесса и поляризационные свойства излучения.

Актуальность темы.

Актуальность работы обусловлена тем, что физика элементарных частиц во внешних полях и средах является востребованным и интенсивно развиваемым направлением исследований в свете быстро растущего числа её приложений в таких областях физики, как астрофизика и космология, интерес к которым в настоящее время также непрерывно возрастает. Последнее обстоятельство в свою очередь объясняется повышением точности экспериментов (что дает возможность исследования более широкого спектра различных явлений), а также возможностью апробации различных новых теорий и моделей, проверка которых в земных условиях не представляется возможной. Изучение процессов, протекающих в сильных внешних полях или плотных средах, привлекает внимание многих специалистов таких областей современной физики, как физика плазмы и ядерного вещества. Кроме того, исследования по данному направлению актуальны сами по себе в свете их значимости для изучения структуры и свойств фундаментальных частиц и их взаимодействий в общетеоретическом плане.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие метода точных решений квантовых уравнений для волновых функций частиц во внешних полях и средах при построении релятивистской теории протекания урка-процессов в магнитном поле, а также при построении квантовой теории спинового света электрона в среде и получение характеристик данного излучения.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1) развита релятивистская теория процесса обратного бета-распада поляризованного нейтрона, e + n p + e, в магнитном поле с учётом эффектов отдачи протона и квантования движения; при этом проведён детальный анализ сечения процесса для различных областей значений напряжённости магнитного поля;

2) обнаружен и исследован эффект «прозрачности» поляризованной среды из нейтронов для движущихся нейтрино в случае сильных и сверхсильных магнитных полей и проведена интерпретация данного явления на основе закона «сохранения проекции спина»;

3) произведён учёт влияния взаимодействия аномального магнитного момента (АММ) нуклонов с внешним магнитным полем и при этом указана разрешённая область протекания процесса в случае сверхсильного поля;

4) построена последовательная квантовая теория нового типа электромагнитного излучения электрона — спинового света электрона в веществе — и изучены его свойства при движении электрона в среде из нейтронов;

излучения и проведен детальный анализ их зависимости от энергии электрона и плотности среды, а также исследованы предельные случаи протекания процесса e e + и поляризационные свойства излучения.

Практическая ценность Полученные в данной работе закономерности определяют возможность использования результатов диссертации при исследовании нейтринных процессов, протекающих в сильных магнитных полях, и решении задач, связанных с движением электронов в плотных средах и в различных внешних полях в астрофизике и космологии. Результаты работы также могут быть использованы для описания структуры различных астрофизических объектов и механизма возникновения импульса отдачи пульсаров, наблюдаемые скорости движения которых достигают значений вплоть до 1000 км/с; при экспериментальном исследовании спинового света электрона в среде и при планировании новых экспериментов.

Апробация диссертации.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 12th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics (Moscow, 2005); 2nd Vienna Central European Seminar on Particle Physics and Quantum Field Theory “Frontiers in Astroparticle Physics” (Vienna, 2005); Научная конференция “Ломоносовские чтения” (Москва, 2006); 14th International Seminar on High Energy Physics “Quarks-2006” (St. Petersburg, 2006); XIII международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2006” (Москва, 2006); 22nd International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (Santa Fe, New Mexico, 2006); 6th Rencontres du Vietnam “Challenges in Particle Astrophysics” (Hanoi, Vietnam 2006); Международная конференция молодых ученых “Молодежь в науке – 2006” (Минск, 2006); 19th – 21st Workshops in Particle Physics “Results and Perspectives in Particle Physics” (La Thuile, Italy, 2005-2007).

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 8 опубликованных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Диссертация состоит из Введения, двух глав, Заключения и списка цитированной литературы, который насчитывает 154 наименования. Общий объём 115 страниц, в работе содержится 15 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. В разделе 1.1 диссертации обсуждается история и роль нейтрино в развитии физики элементарных частиц и место изучаемой частицы в современной физической картине мира. В данной главе в разделах 1.2-1.3 обоснована актуальность исследуемых проблем и сформулирована постановка цели и задач диссертационной работы. В разделе 1.4 излагаются основные результаты диссертации.

Глава 2. Релятивистская теория процесса обратного бета-распада. Данная глава посвящена развитию релятивистской теории протекания урка-процессов в магнитном поле на примере обратного бета-распада нейтрона. В разделе 2.1 проведён расчёт сечения процесса, который основан на релятивистском эффективном лагранжиане локального 4-х фермионного взаимодействия Ферми. В качестве волновых функций заряженных частиц, участвующих в данном процессе, используются точные решение уравнения Дирака в магнитном поле.

Полное сечение процесса обратного -распада поляризованного нейтрона в магнитном поле с учётом эффекта отдачи протона определяется выражением:

где производится суммирование по следующим корням:

В разделе 2.2 диссертации, исходя из выражения для закона сохранения энергии при наличии внешнего магнитного поля, определены две характерные величины напряжённости магнитного поля:

1) электронное критическое поле Вcr, при превышении которого электрон здесь =mn-m' — разность масс нейтрона и протона.

Проведённый анализ позволяет выделить следующие три характерные области