Введение к работе
В диссертации с единой точки зрения исследованы процессы взан-одействия элементарных частиц в присутствии сильных внешних попі. В основе развитых методов расчета лежит использование точных >лновых функций и пропагаторов частиц в заданном внешнем элек-ромагнитном поле.
Актуальность темы обусловлена развитием методов получения ятенсивных электромагнитных полей (сфокусированное излучение мощах лазеров, импульсные магнитные поля порядка 107 Гс, поля моно-лісталлов ~ 108 Гс), постоянным ростом энергии и интенсивности у'чков частиц п ускорителях и накопителях, существованием в космических условиях сверхспльных магнитных полей, напряженности >торых могут существенно превышать критическое швингеровское їачение поля Ве = >п%/е — 4,41 1013 Гс. Согласно современным эедставлениям о таких процессах как слияние нейтронных звезд или ірьів сверхновой напряженность поля в момент катаклизма может до-гнгать значений ~ 1015 4- Ю17 Гс. Прп описании этих явлений необ->дпмо учитывать влияние сильных магнитных полей на динамику ггывания остатка катаклизма, поскольку остывание обусловлено, в :новном, излучением слабовзаимодействуюшнх с веществом частиц, і процессы с участием которых поле оказывает сильное катализи-дощее влияние. Исследования подобного рода могут оказаться эф-рктнвными при получении новых ограничений на параметры частиц ш их новые взаимодействия. Более того, звезды (большие плотно-:и вещества, высокие температуры, сильные магнитные поля) рас-
_4 —
сматриваются в наши дни как своеобразные лаборатории, где эффект с участием слабовзаимодействующих частиц могут проявиться на; более ярко. В условиях ранней Вселенной на стадии электрослабо] фазового перехода могли бы существовать сильные, так называемь "первичные", магнитные поля с напряженностью существенно преві шающей швингеровское значение. Таким образом, астрофизичесю объекты и условия ранней Вселенной дают уникальную возможное! исследования квантовых процессов и свойств частиц в экстремальнк условиях, в частности, в сильных внешних электромагнитных полях
Целью работы является развитие теории взаимодействия злемеї тарных частиц высоких энергий в сильных внешних электромагнит ных полях и плазме, представляющей значительный интерес для npi ложений в астрофизике и космологии; разработка эффективных новы методов расчета таких процессов и развитие уже известных методої получение ограничений на параметры новых, гипотетических части!
Научная новизна. В диссертации получены следующие основну новые результаты, которые выносятся на защиту:
-
Получено выражение для эффективного а77~взаимодействия (а псевдоскалярная частица) во внешнем электромагнитном поле, он сываемого трехточечными петлевыми диаграммами. Развит уш версальный метод вычисления трехточечных петлевых диаграм во внешнем скрещенном поле.
-
Эффективное а77-взаимодействие используется для исследовани процессов а —> 77) 7 ~* lat 77 ~* а и 7 "+ а во внешнем поле.
качестве псевдоскалярной частицы рассматривался наиболее широко обсуждаемый акснон, возникающий при спонтанном нарушении глобальной U(1) />д-сіішір.трип, введенной Печчеи и Квшш для решения проблемы нарушения СР-чстностп в квантовой хро-модинамике.
-
Вычислены потери энергии из оболочки сверхновой за счет процессов 7 —> 7а' 77 —> а и 7 -> а в условия, когда из двух компонент активной среды (плазмы и магнитного поля) магнитное поле доминирует.
-
В произвольном магнитном поле получены выражения для массового оператора аксиона и эффективной связи фотона с аксионом д,п, включающей как известное а77-пзаимодействие в вакууме, так и индуцированный полем вклад.
-
Исследован индуцированный внешним магнитным полем распад псевдоскалярной частины на пару заряженных фермионов а -> // в двух классах аксионных моделей: в моделях типа DFSZ, в которых аксноны взаимодействуют с фермионами на древесном уровне, п в моделях типа KSVZ, в которых аксноны имеют только индуцированное взаимодействие с "обычными" фермионами. Получены выражения для времени жизни аксиона в магнитном и скрещенном полях.
-
Во втором порядке теории возмущений вычислено точное по внешнему магнитному полю выражение для вершины эффективного аксион-нейтринного (аг/^-взаимодействия. Исследовано влияние поля на нейтринный распад аксиона а -4 vv и распад массив-
-6 —
ного нейтрино ї/, —) Uja (і ф j) в модели со смешиванием в леї тонном секторе. Получены простые формулы для вероятносте распадов в предельных случаях сильного и относительно слабог поля.
-
Исследовано влияние плазмы на циклотронное излучение акси она е~ -> е~а, процесс аннигиляции е+е~ —) а и распад аксион а —у е+е~, индуцированные магнитным полем. Эти процессы воз можны даже в отсутствии прямого аксион-электронного взаимо действия и имеют резонансный характер при определенной энер гии излученного (распадающегося) аксиона в канале через промо жуточный плазмон.
-
Вычислена аксионная светимость плазмы для наиболее реалистич ного в астрофизике случая, когда из двух компонент активної среды плазменная компонента доминирует над магнитной. Приво дится оценка величины напряженности магнитного поля, при ко торой можно обсуждать получение новых ограничений на параме тры аксиона. Вычислено время жизни аксиона в среде (веществ* и поле), в условиях ранней Вселенной с горячей невьірожденної плазмой.
-
В рамках стандартной модели (СМ) со смешиванием в лептон ном секторе и модели с минимальной кварк-лептонной симметрие] типа Пати-Салама, основанной на группе 517(4) у х 5(7(2) і х Gr изучен радиационный распад массивного нейтрино i/,- -* v^ (і у j) с изменением аромата во внешних электромагнитных поля: различных конфигураций. Приведен анализ сильного катализи
-7 —
рующего влияния внешнего поля. Получено выражение для "сечения" радиационного распада нейтрино сверхвысоких энергий (Е„ > 100 ГэВ) в электрическом поле ядра. Обсуждаются условия, при которых лептокварковыи вклад в вероятность распада может доминировать по сравнению с вкладом ТУ-бозона.
В рамках СМ с учетом возможного смешивания в лептонном секторе вычислен эффективный лагранжиан взаимодействия нейтрино с фотоном 1/^7 индуцированный внешним магнитным полем. Полученный результат применим для магнитного поля произвольной напряженности, когда частицы находятся вне массовой поверхности. Эффективное г/г/7-взаимодействие используется для исследования расщепления фотона 7 -* vv и индуцированного гамма-излучения в диагональном по аромату переходе и —> wy.
Получены ковариантные выражения для средней потери энергии-импульса нейтрино в процессе v -> vy как в случае сильного поля, так и в случае нейтрино высоких энергий, оценки асимметрии потери импульса, приводящей к возникновению "толчковой" скорости остатка сверхновой, и потери энергии из области его "полярных шапок".
В рамках ЄМ со смешиванием лептонов получены вероятности недиагональных по аромату переходов заряженных лептонов /, —> lj и нейтрино і>і —> Uj (і ф j) в поле монохроматической циркулярно поляризованной волны частоты ш. Проведен анализ поляризационных эффектов.
-8 —
Практическая ценность диссертации состоит в том, что по* ченные в ней результаты широко используются и успешно развивают специалистами, работающими в области теории взаимодействий э: ментарных частиц. Они могут быть использованы для приложений астрофизике и космологии, а также при постановке экспериментов проверке стандартной модели электрослабых взаимодействий в облас высоких энергий и сильных внешних полей.
Апробация диссертации и публикации. Основные результат диссертации докладывались автором и обсуждались на Научных ко ференциях Отделения ядерной физики РАН по фундаментальным вза модействиям элементарных частиц (Москва, ИТЭФ, 1991-1998), на с минарах DESY (Hamburg, Germany, 1998), на Международном симп зиуме по слабым и электромагнитным взаимодействиям в ядрах "WE1 92" (Дубна, 1992), на III Международной конференции по новейші достижениям в феноменологии элементарных частиц (Trieste, Ital 1994), на Международных конференциях "Particles and Nuclei" PANK XIII (Perugia, Italy, 1993), "Results and Perspectives in Particle Physic. (La Tlmile, Aoste Valley, Italy, 1994), XXXth Rencontres de Moriond "< Electroweak Interactions and Unified Theories" (Les Arcs, France, 199E XXXI Ind Rencontres de Moriond "97 Electroweak Interactions and Ui fied Theories" (Les Arcs, France, 1997), International Workshop on Partic Physics and the Early Universe "COSMO-97" (Lancaster, England, 199^ First International Workshop on Non-Accelerator New Physics (ОМ.Я. Дубна, 1997), 5th IFT Workshop on Axions (Gainesville, Florida, US, 1998), "New Trends in Neutrino Physics" (Ringberg Castle, German
9 —
)8), на Международных семинарах "Quarks-94" (Владимир, 1994),
!uarks-96" (Ярославль, 1996), "Quarks-98" (Суздаль, 1998). Рсзуль-
ты систематически докладывались на научных семинарах ИТЭФ и
Ш.
Материалы диссертации опубликованы в 27 работах, список кото-
IX приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве-пия, шести глав, заключения, четырех приложений и списка ли-ратуры. Общий объем диссертации составляет 224 страницы. Дис->тация содержит 21 рисунок, 1 таблицу и список литературы из 228 именований.
