超新星1987A中微子之谜


超新星1987A:爆发期间和爆发之前

不久前, Bars21发表了一篇关于超新星中微子的好文章。 我真的很喜欢它,并且有片刻(例如关于urka的过程)导致了这样一个事实,我们不仅阅读或聆听同一位老师,而且也许我们彼此认识:)

本文的段落之一(为了更好地理解将来会说些什么,我建议重新阅读)专门讨论了超新星1987A中微子的配准,我想补充一下这一刻。 事实是,检测到中微子爆发的探测器不是3个,而是4个,而爆发本身是2个。但是,即使是专家,更不用说公众,这实际上也是未知的。 更令人侮辱的是,俄罗斯(或您喜欢的苏联)科学家在这一发现中发挥了重要作用(尽管这是一项发现吗?)。

就像那样。

1984年,在勃朗峰下法国和意大利之间的隧道中,建立了由格奥尔基·蒂莫费耶维奇·扎瑟平院士(他的学生瓦迪姆·阿列克谢维奇·库兹明的书中曾提到,尽管不是他的先驱,但他的功劳并非是该领域的先驱)所领导的苏意合作力量。液体闪烁检测器(LSD)。

关于个性
由于我个人知道这个故事的主要人物,由于年龄的差异,我会用他们的名字和名字来称呼每个人。

缩写ahem引起了许多轻浮的想法,但是当我问到这个问题时,都灵大学的教授Piero Galeotti就是这个名字的作者,他以某种笑话开了玩笑。


检测器电路和其操作背后的主要抗中微子反应(在建造过程中预期的反应)

该探测器在铁质容器中装有72个闪烁计数器,尺寸为1 * 1 * 1.5 m。 闪烁体是一种通常基于石油产品(在我们的情况下为石油溶剂油)的物质,其中带电粒子产生闪光,并被光电倍增器捕获。 为了抵御外部放射性,将铁片放在设备的所有侧面,这样每90吨闪烁器可生产约200吨铁。 最初,该装置的主要目标是寻找超新星产生的中微子辐射。

1987年2月23日,世界标准时间2:52(比Bars21中提到的KII,IMB和BUST早5小时),LSD检测器记录了预期的信号:5个事件的能量释放为6-11 MeV,与中微子相互作用非常相似,持续7秒钟。




团队在1987年2月23日上午发现的打印输出以及该团队本身

在世界标准时间7:36,LSD和其他三个探测器一起记录了2个类似事件,能量释放为8–9 MeV。 在LSD中的第一个信号期间,在美国的罗马和马里兰触发了两个重力天线,它们是悬挂在细线上的大圆柱体。 尚未安装像当前LIGO或Virgo安装这样的怪物。 在《神敢传说II》中,还记录了由两个事件组成的信号。


新的年表;)

但是,在一个装有90吨活性物质的小型装置(闪烁器)中,一个包含2000吨水的巨大探测器如何“减少”事件的数量? 第二组事件来自何处? 发生的事情与标准恒星坍塌理论相去甚远,以至于LSD记录的信号是由随机的背景事件解释的(然而,直到1999年的整个安装过程中都没有观察到类似的事件),因此宁愿忘记它。 可能是因为苏联科学家传统上的迟钝,他们试图在铁水变热时需要对其进行锻造的时刻进行仔细检查,这也受到了影响。

在这里有必要深入研究标准崩溃模型有效的条件。 实际上,这是字面上的“真空中的球形马”:恒星不应该旋转,不具有磁场而是球形对称。 我怀疑,在开发此模型的那些年中,具有更复杂边界条件的微分方程组根本无法求解-甚至在数值上也无法求解。 但是,在这种模型中,没有人能够获得恒星壳的抛弃物,我们将其视为超新星闪光。


SN1987A残骸的著名天体物理学家形象

但实际上,恒星根本不是球对称的,通常它们会旋转。 甚至超新星1987A残留物的现代图像也根本不像球对称图片。 因此,我们有理由相信,自然界中超新星的爆发是由于一些更复杂的过程而发生的。 但是哪个呢?

1995年,弗拉基米尔·谢尔盖耶维奇·伊姆森尼克(Vladimir Sergeyevich Imshennik)在德米特里·康斯坦丁诺维奇·纳德津(Dmitry Konstantinovich Nadezhin)的帮助下,完成了一个模型的开发,他称其为旋转坍塌理论。 其实质如下。

如果恒星的铁核(而且我们知道恒星是从氦到铁从氢中产生原子,则较重的核的形成在能量上不利)将在重力压缩的阈值上旋转,这是由整个恒星的“遗传”旋转和转矩守恒律引起的,然后从计算得出,旋转周期为千分之一秒。 自然地,芯在轴向方向上变平并且发生不稳定性。 哑铃是由扁平的圆盘产生的,圆盘被撕成碎片(在最简单的情况下,被切成两半)。 此时,主要发射电子中微子(而不是所有类型的中微子,如标准崩溃模型所述)。

二元系统开始围绕共同的质心旋转,主动发射重力波,因此,能量和旋转力矩都被带离系统。 原子核的碎片汇聚在一起,因此传质的时刻到了:较轻的组分开始将物质倾倒在较重的物质上,继续旋转。 当光分量的质量变成太阳能的大约10%时,它变得不稳定并爆炸,而较重的分量则崩溃了,这大概是根据标准情况得出的(此刻我个人认为,在整个模型中,此刻我总是觉得很大)。

尽管在两种情况下(旋转坍塌星和标准坍缩星)的恒星核心物质密度都接近核,但在第二种情况下,核中心的温度却高出两个数量级。 因此,中微子诞生时具有很高的能量-100-200 MeV,但是在这种物质密度下,即使中微子也会反复相互作用。 散射和辐射后,能量为10-20 MeV的所有类型的中微子都到达表面。 由于温度低,在旋转的坍缩星中,中微子形成的主要反应是电子“推动”到质子中:

e-+ p→n +νe

在这种情况下,中微子的能量大约为30-40 MeV,中微子在极坐标附近需要克服的物质数量要少得多。 相似的中微子无需相互作用即可到达恒星表面,保持其30-40 MeV的能量。

为了检测第一次爆发时发出的电子中微子,非常适合使用原子核(例如氘,碳和重中子富集元素,例如铁,铅等)。 仅在LSD中存在足够数量的此类元素(BPST也包含铁,但相对较小,并且配置不太成功)。 因此,该设置是唯一可以在第一次闪光期间可靠“看到”某些东西的设置。 中微子与水配方中所含氧气的相互作用也会产生一些事件(确实发生了,但是Kamiokande II小组没有做广告),但是如果我们计算每单位质量的影响,它比铁要少得多。

事实是,由于电子中微子与铁的相互作用,形成了钴和电子。

νe + 56铁→e-+ 56 Co *

56钴核(由于纯粹的核原因)总是以兴奋而不是基本的状态诞生。 通过发射一个或多个伽马射线可以消除这种激发。 如果铁中生出的电子可能不会从铁中逸出,那么中性伽马射线(特征能量为1.7、1.8、4或7 MeV)具有更大的穿透力,几乎可以肯定会落入闪烁层中。


LSD闪烁检测器中中微子与铁相互作用的方案。

闪烁体中的能谱将由公式dE / E描述,其最大最大值约为7 MeV。 对它的主要贡献将来自去除钴激发的伽马射线以及由于电子对铁的抑制作用而由电子产生的伽马射线。

看起来,超新星1987A的谜题是使用旋转坍缩模型来解决的。 扎特谢平的另一名学生Olga Georgievna Ryazhskaya实际上是负责苏联LSD实验的负责人,他在与Imshennik举行的几次会议上发表讲话,试图说服这个发现的世界(在我看来,它的规模使诺贝尔奖获得了)。 但是,科学界对LSD实验的长期结果非常不信任(实际上,“如您所称,游艇会漂浮”),并且浪费了时间(有可能仅在15年后的2000年代初期将实验数据与计算结果进行比较)爆发本身之后),因此这种解释并未得到广泛认可。 仅在俄罗斯,就出现了更多竞争性理论,这些理论声称可以解释超新星爆炸的机理和中微子的产生。 在缺乏实验证据的情况下,所有这些理论都仍然是模型,或者,如果您愿意,仅是假设。

可以肯定地从这个故事得出的唯一结论是,需要构建一种不仅可以记录电子反中微子与质子的“普遍公认”相互作用,而且可以记录所有类型的中微子相互作用的装置。 为此,不仅需要用水的契伦科夫探测器或纯粹的闪烁装置,而且还希望使用铁或铅这样的重元素,使其具有蜂窝结构(某种具有测量能量的中微子热量计)。


LVD 由于矿井空间不足,他总是从一个角度拍摄照片,并且只有在他前面没有其他装置的情况下

LSD实验的后续产品是类似的装置-LVD检测器(大体积检测器),位于意大利亚平宁山脉Gran Sasso地下Borexino地下实验室旁的大厅内。 它包含约1000吨的闪烁体和与承载模块相同的铁,并且在我们银河系中心发生超新星爆发时,可以成功记录多达1000个纯中微子事件。 this,这种现象非常罕见,并且在其工作的多年中(2001年它已经完全建成,但是观察是在几年前开始的),直到今天,他并不幸运。 我用过去时来描述它,因为不幸的是,明年计划将其退役。 也许人类将永远错过解决宇宙奥秘之一的机会。

但是我仍然相信最好的。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN450620/


All Articles