Нейтринная астрофизика высоких и сверхвысоких энергий: элементарные взаимодействия

Актуальность темы

.

Нейтринная астрофизика — это относительно молодое научное направление, привлекающее в последнее время значительный интерес. Он обусловлен главным образом теми уникальными возможностями, которые открываются при использовании нейтринного излучения с его колоссальной проникающей способностью для исследования как отдельных астрофизических объектов, так и Вселенной в целом.

Магнитные поля не влияют на траекторию нейтрино. Сечение рассеяния нейтрино на межзвездном веществе в ^.//-взаимодействиях мало — его характерная величина для высокоэнергетических нейтрино (Е ^ I г Ю3 ТэВ) составляет ^Ю" 35 т 10~33 см2. Следовательно, при плотности вещества на пути нейтрино всюду равной Галактической (3ГАЛ¹ нуклон/см3 ^ Юб средняя длина оо ОС свободного пробега составляет? 10 см, что значительно больше радиуса Вселенной. Таким образом, нейтринные потоки даже от наиболее отдаленных космических объектов содержат в своих спектрах информацию именно о тех процессах, которые происходили в очень отдаленную эпоху непосредственно в области генерации этих нейтрино.

Весьма примечательной чертой нейтринной астрофизики является ее тесная связь с физикой элементарных частиц, так как решение принципиально важных проблем генерации и регистрации нейтрино в большой мере обусловлено характером и интенсивностью взаимодействия элементарных частиц, принимающих участие в этих процессах.

Из-за малости сечения взаимодействия необходимыми условиями реализации нейтринной астрофизики являются (а) существование в природе мощных источников нейтрино и (б) наличие детекторов очень большой массы, расположенных (для защиты от фоновых излучений) глубоко под землей либо водой. Поэтому представляется важным получение теоретических оценок величин потоков нейтрино от различных космических источников и изучение взаимодействия этих нейтрино в объеме глубоководных детекторов (ГВД). При этом в диссертации обсудим лишь нейтрино высоких и сверхвысоких энергий, т. е. с энергиями в диапазоне I-IO^ эВ.

Таким образом, актуальность теш диссертационного исследования обусловлена практической потребностью теоретического обоснования начатых в последнее время как в СССР, так и за рубежом, экспериментальных работ по сооружению нейтринных телескопов гигантских размеров под водой.

Цель исследования и постановка задачи.

Целью диссертационной работы является теоретическое рассмотрение широкого круга задач, возникакщих в связи с реализацией нейтринной астрофизики высоких и сверхвысоких энергий.

Рассмотрены следующие конкретные задачи: исследование генерации нейтрино сверхвысоких энергий в ^" -столкновениях в космических источникахизучение характера рассеяния нейтрино на нуклонах и электронах при сверхвысоких энергияхвычисление частот появления высокоэнергетических мюонов и ядерно-электромашитных каскадов, генерированных в — и))ввзаимодействиях в объеме ГВДобсуждение возможности использования резонансного процесса т) е+ адроны (B.I) для детектирования сигнала от wбозона, генерированного в г чисто лептонном канале УеВаннигиляциивычисление эффектив-. ных телесных углов раскрытия ГБД при сверхвысоких энергияхизучение возможности использования потоков атмосферных нейтрино высоких энергий для обнаружения пропагаторных эффектов в распределениях по доле переданной адронам энергии в процессах глубоко неупругого рассеяния нейтрино на нуклонах.

При рассмотрении перечисленных задач одной из целей было отделение чисто астрофизической части, связанной с видом спектров сталкивающихся частиц и их потоками, от задачи учета элементарного акта взаимодействия. Основное внимание в диссертации сосредоточено на второй части задачи.

Метод исследования и научная новизна.

В нейтринной астрофизике высоких и сверхвысоких энергий возник целый ряд специфических задач физики элементарных взаимодействий, не рассматривавшихся ранее. +.

I. Генерация нейтрино через распады % - и Дмезонов при столкновениях протонов очень высоких энергий (Ер ~ 10^ f то о т 10х эВ) с фотонами малых энергий (от ^ 10 эВ до сотен КэВ).

Основное внимание обращалось на разделение астрофизического и ядерного аспектов. Для степенных спектров были определены и вычислены так называемые выходы нейтрино — безразмерные функции, которые по величине потока протонов при энергии Е и известному спектру фотонов низких энергий в источнике сразу позволяют определить величину излучаемого потока высокоэнергетических нейтрино при той же энергии Е. Таким образом, вся информация об элементарном акте взаимодействия заключена в выходах нейтрино, численно расчитанных в диссертации для нескольких характерных значений показателя интегрального спектра протонов и нескольких типов спектров фотонов. Результаты вычислений приведены в виде графиков и таблиц. Найдены довольно простые аналитические выражения, позволяющие определять асимптотические значения выходов нейтрино как в низкоэнергетическом, так и в высокоэнергетическом пределах для спектров фотонов произвольного вида и любого показателя степенного спектра протонов.

2. Рассеяние нейтрино на нуклоне при энергии ^ 10^ эВ, когда квадрат энергии в Ц-системе ?> tU^ 7 и вследствие про-пагаторного и КХД-эффектов существенно изменяются поведение сечений Л^-взаимодействий и вид распределений по доле передаваемой вторичным адронам энергии (^ -распределений).

3. Рассеяние нейтрино на электронах, которое благодаря резонансному процессу (B.I), аналогичному резонансной реакции Глэшоу + е~ — IV" — ^ (В.2) но существенно отличающейся от нее тем, что в (В.I) практически вся энергия нейтрино передается вторичному каскаду, а в (В.2) мюоны уносят лишь часть энергии первичного нейтрино), оказывается очень важным в области сверхвысоких энергий, так как сечение процесса (B.I) содержит резкий и высокий пик, превышакщий при? «б ПэВ сечения всех остальных процессов.

Помимо изучения особенностей самого элементарного акта, ставилась задача детально рассчитать те характеристики, которые будут измеряться в реальном эксперименте в ГВД — частот появления ядерно-электромагнитных ливней и мюонов в объеме установки и потоков мюонов, проходящих через установку. С этой целью в диссертации использовалась методика моментов распределений по переданной энергии, благодаря которой, как и в пункте I, удалось отделить чисто астрофизическую часть задачи от задачи учета элементарного акта: вычисленные моменты позволяют по потоку нейтрино с энергией? в предположении степенного характера их спектров сразу определить величину потока мюонов с энергией Е, Пересекающих детектор, и частоту появления каскадов с той же энергией Е, генерируемых в ГВД. Значения мюонных и адронных моментов приведены графически для нескольких характерных величин показателя интегрального спектра нейтрино.

В диссертации рассмотрена также возможность регистрации сигнала от резонансного процесса (ВЛ) для детектирования Wбозона в чисто лептонном канале и калибровки таким образом установки. Показано, что для Wбозона с массой ^ 80 ГэВ сигнал, представляющий собой резкий пик в спектре энерговыделения в каскады, значительно превосходит суммарный вклад всех остальных фоновых процессов, также приводящих к появлению ливней с той же энергией в конечном состоянии в ГВД.

Обсуждена возможность регистрации сигнала от Wбозона и с помощью резонансной реакции Глэшоу (В.2). Показано, что детектирование достаточно тяжелых Wбозонов (Л1у > 20 ГэВ) с помощью этого процесса невозможно из-за большого числа фоновых мюонов, генерируемых в ^^-столкновениях.

Так как регистрация потоков атмосферных нейтрино является одной из ближайших задач, доступных ГВД даже не очень больших масс, ниже отдельно рассмотрена задача о возможности экспериментального различения пропагаторных эффектов wбозонов с Q массами 80 и 300 ГэВ в установке массой ~10^ тонн. Отмечается большая трудность осуществления такого эксперимента из-за (а) — тенденции КХД-эффектов компенсировать пропагаторный эффект- (б) — некоторой неопределенности в величине примеси у^ в полном потоке всех нейтрино, которая также имитирует пропагаторный эффект в распределениях по переданной энергии, и (в) -довольно больших погрешностей измерений энергии детектором, приводящих в условиях регистрации падающих спектров нейтрино к имитации пропагаторного эффекта.

И тем не менее, показано, что есть возможность различить пропагаторные эффекты этих л/-бозонов в предлагаемых для измерения распределениях cLJf (>Epijf)/cly. Оптимальной энергией, при которой пропагаторный эффект уже заметен, а статистика еще достаточно велика, оказалась энергия ~ 2 ТэВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следущие положения:

I) Способ вычислений и вид выходов нейтрино сверхвысоких энергий, генерированных в ^^-столкновениях в космических источниках,.

II) Вычисления сечений, средних долей переданной энергии адронам и распределений по доле переданной энергии для д Jfрассеяния с учетом пропагаторного и КХД эффектов, а также аналогичные вычисления длярассеяния в рамках теории ВГС.

III) Способ вычисления частот появления событий различного типа (мюонов либо ядерно-электромагнитных каскадов от адро-нов и электронов), генерируемых высокоэнергетическими нейтрино в ГВД, а также потоков мюонов, пересекающих установку. Способ состоит в определении и вычислении моментовраспределений (дифференциальных и интегральных, мюонных и адронных) i>Jfи 9 врассеяний,.

IV) Обоснование возможности регистрации сигнала от W-болзона по резонансной реакции *адроны, используемого для калибровки ГВД в области сверхвысоких энергий.

V) Доказательство возможности наблюдения пропагаторных эффектов W" -бозонов в распределениях в потоках атмосферных нейтрино и возможности различить пропагаторные эффекты W-бозонов с массами 80 и 300 ГэВ при оптимальной энергии Ej я* 2 ТэВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Кратко перечислим основные результаты, полученные в диссертации.

Рассмотрены три основные задачи, связанные с реализацией нейтринной астрофизики высоких и сверхвысоких энергий:

1 — вычисление спектров нейтрино сверхвысоких энергий, генерированных в ^^-столкновениях в космических источниках;

2 — изучение характера взаимодействий нейтрино с нуклонами и электронами при? 171ц- ;

3 — вычисление частот появления событий различного рода в объеме ГВД, и обоснование возможности детектирования 1л/ -бозонов с помощью резонансной реакции * W —адроны и наблюдения пропагаторных эффектов tyбозонов в потоках атмосферных нейтрино.

Для вычисления спектров p]fнейтрино введены в рассмотрение и рассчитаны выходы нейтрино — безразмерные функции, содержащие всю информацию об элементарном акте взаимодействия и спектрах протонов и фотонов в источнике. Найдены асимптотические формулы, описываицие поведение этих выходов. В высокоэнергетическом пределе выходы постоянны: они не зависят от вида спектра фотонов и полностью определяются величиной показателя интегрального спектра протонов jf*. В низкоэнергетическом пределе выходы растут с ростом C^-E^CJD/i7lp пропорционально E. J**. Зависимость выходов нейтрино от вида спектра фотонов отфакторизовывается — они пропорциональны моменту степени нормированного энергетического спектра фотонов. Относительная погрешность выполненных вычислений меньше 10? 15% при всех ?^ .

Рассмотрены процессы рассеяния нейтрино высоких энергий на нуклонах. Отмечена важность учета КХД-эффектов, приводящих при k^lTltf к более быстрому по сравнению со скейлинговым случаем росту сечений т^-рассеяния. Предложено использовать в вычислениях методику восстановленного скейлинга, состоящую в том, что ' все кварковые распределения берутся при фиксированном У. Показано, что точность такого приближения при $$>/71^ довольно высока, так как вклад больших Q > ПЪ-^ в дифференциальные сечения dS/cLijподавлен пропагатором Wбозона.

В рамках теории ВГС вычислены сечения процессов 96 -рассеяния. Показано, что при сверхвысоких энергиях сечение резонансного процесса (B.I) значительно превышает в резонансной области сечения всех остальных процессов.

В прикладных целях введены и вычислены моменты у «распределений, дифференциальные и интегральные адронные и мюонные моменты, моменты генерации мюонов — безразмерные функции, определяюцие частоты появления событий различного рода в объеме ГВД и величины равновесных потоков мюонов, пересекающих детектор. Найдены асимптотические выражения для этих функций.

Обсуждены способы детектирования сигналов от Wбозона в ГВД. Показано, что частота появления ядерно-электромагнитных каскадов, обусловленных резонансной реакцией (B.I), в резонансной области превосходит суммарную частоту появления каскадов, вызванных всеми остальными процессами. Частота появления резонансных событий слабо зависит от разрешения установки, движения электронов в водной мишени, радиационных поправок, искажающих форму резонансного пика. Она непосредственно связана с интегральным потоком что позволяет осуществить калибровку ГВД по энергии. Положение максимума в спектре энерговыделения в каскады жестко связано с массой Wбозона — / ?0 •.

Вычислены зависимости эффективных телесных углов раскрытия ГВД от энергии нейтрино. При высоких энергиях эти углы существенно отличаются от kff ср из-за поглощения нейтринных потоков в Земле и воде, обусловленного ростом с энергией сечений АУ-рас-сеяния.

Обсуждена возможность детектирования wбозона с помощью резонансной реакции Глэшоу W^ч +J*. Показано, что для ]л/ -бозонов с массой ffl-tf > 20 ГэВ такое детектирование практически невозможно из-за больших фонов, связанных с реакциями +.

Рассмотрена возможность детектирования пропагаторных эффектов V] -бозона в ГВД в потоках атмосферных нейтрино высоких энергий. Отмечены трудности, возникающие при реализации такого эксперимента. Наиболее заметно пропагаторные эффекты проявляются в величинах dJf^E^)/^. Показано, что при использовании этой величины пропагаторные эффекты Ыбозонов с массами 80 и 300 ГэВ могут быть различены при оптимальной энергии 2 ТэВ.

Следует отметить, что хотя в диссертации обсуждалось осуществление нейтринной астрофизики высоких энергий лишь на базе глубоководных детекторов, все основные результаты могут быть без труда перенесены и на планируемые эксперименты по детектированию таких нейтрино в толще льдов и в соляных шахтах.

И, наконец, отметим, что в диссертации рассмотрен лишь небольшой круг задач, доступных для решения с помощью ГВД. Существует еще много возможностей использования этих установок для поиска, например, гипотетических легких лептокварков / 142 /, тяжелых монополей / 143 /, регистрации потоков фотино и многого другого. Хочется надеяться, что по мере совершенствования таких установок круг задач, исследуемых методами нейтринной астрофизики, будет расширяться.

В заключение мне хотелось бы выразить глубокую благодарность В. С. Березинскому за постановку задач и плодотворные обсуждения используемых подходов и результатов, полученных в диссертации. Большинство результатов были получены в совместных работах автора с В. С. Березинским / 12, 13, 63, 64, 92, 115, 119, 136 /.

Автор выражает глубокую признательность академику Г. Т. Зацепину за внимание к работе и полезные обсуждения. Весь круг обсуждаемых задач формировался под влиянием идей Г. Т. Зацепина.

Я благодарен А. А. Богупгу и И. С. Сацункевичу за внимание к работе и полезные обсуждения некоторых вопросов, затронутых в диссертации, а также Ю. П. Никитину за активное участие и принципиальные замечания на начальной стадии выполнения работы.

Хочется поблагодарить всех участников теоретического семинара лабораторий теоретической физики и физики высоких энергий Института физики АН БССР.