（光学专业论文）中微子和等离子体的相互作用及相关的天体物理问题.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 中微子是宇宙中含量最丰富的粒子之一，这种粒子与许多天体现象有着密切 的关系，从大爆炸到太阳中微子失踪之谜，从超新星爆发到暗物质，人们都可以 看到中微子在其中扮演着非常重要的角色。为了了解中微子的各种性质，粒子物 理学家们做出了不懈的努力。人们对超星新爆发的研究开始于上个世纪3 0 年代， 但是超新星的爆发机制，至今没有很好的解决。这个问题和中微子在超新星体内 的传播密切相关。自从中微子延迟爆发模型提出之后，逐渐成为研究的主流。中 微子通过弱相互作用力与其他物质发生作用。由于这个力非常的小，以往很多人 研究中微子与物质的相互作用的时候，都将中微子作为单个粒子来处理。但是在 超新星爆发的过程中9 9 的能量以中微子的形式释放出来，在这种极端的条件 下，我们应该考虑集体非线性过程。中微子传播的背景物质等离子体，在强 流干扰下产生密度扰动，而这个扰动反过来会影响中微子的传播。 本论文主要利用光学度规模型，在弯曲时空中考察了中微子在致密等离子体 中的传播，通过求解狄拉克方程获得中微子波函数，定量估算了入射中微子通过 散射转移到介质背景中的能量及其对超新星爆发过程中再加热机制的贡献。 本文共分五章，第一章是前言；第二章概述了对中微子和超新星的研究历史 和现状，；第三章分析了i i 型超新星爆发过程中涉及的中微子过程；第四章通过 光学度规的方法研究了中微子在致密等离子体中的传播，并对等离子体背景通过 中微子散射吸收的能量做了定量的估算；第五章是总结。 关键词：中微子，等离子体，超新星，光学度规 a b s t r a c t n e u t r i n o sa r ea m o n gt h em o s ta b u n d a n te l e m e n t a r yp a r t i c l e s i nt h eu n i v e r s e - n e u t r i n o sp l a yaf u n d a m e n t a lr o l ei ns o m eo ft h em o s te x t r a o r d i n a r ye v e n t si l l t h e u n i v e r s e ；f r o m t h e b i gb a n g t ot h es o l a rn e u t r i n o p r o b l e m ，f r o ms u p e r n o v a e e x p l o s i o n s t ot h ed a r km a t t e rp r o b l e m t h es t r o n g e s te f f o r tt o w a r d st h eu n d e r s t a n d i n g o ft h en e u t r i n op r o p e r t i e sh a sb e e nm a d eb yt h ep a r t i c l ep h y s i c i s t s h o was u p e r n o v a e e x p l o d e si s s t i l la nu n s o l v e dp r o b l e mr e l a t i n gc r i t i c a l l yt ot h et r a n s p o r to fn e u t r i n o s w i t h i nt h es t a r t h en e u t r i n oh e a t i n gm e c h a n i s mh a sb e e naf o c u si nt h er e s e a r c hf o r t y p e i is u p e r n o v a ee x p l o s i o ns i n c e i tw a sp r e s e n t e d n e u t r i n o si n t e r a c tw i t ho t h e r e l e m e n t a r yp a r t i c l e s v i at h ew e a ki n t e r a c t i o nf o r c e d u et ot h e e x t r e m e l y s m a l l s t r e n g t ho ft h ew e a kf o t e e ，al i n e a rs i n g l ep a r t i c l en o n s e l f - c o n s i s t e n td e s c r i p t i o no f t h ep r o p a g a t i o no fn e u t r i n o si nam a t t e ri su s u a l l ya s s u m e d h o w e v e ri nt y p e i i s u p e m o v a e i ti sc o n s i d e r e dt h a t9 9 o ft h et o t a lc o l l a p s i n ge n e r g yi s r e l e a s e da s n e u t r i n o s u n d e rs u c he x t r e m ec o n d i t i o n s ，i ti se x p e c t e dt h a te v e nc o l l e c t i v en o n l i n e a r p r o c e s s e si n v o l v i n g n e u t r i n o ss h o u l do c c u r ：i n t e n s en e u t r i n of l u x e s p r o p a g a t i n g t h r o u g h t h e p l a s m ab a c k g r o u n dp e r t u r b t h ee l e c t r o nn u m b e rd e n s i t y , a n dt h e p e r t u r b a t i o n sw i l la f 艳c tt h ep r o p a g a t i o no f l i e u t r i n o s i nt h i sp a p e ran e wf o r m a l i s mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do nt h eo p t i c a lm e t r i c s t h e p r o p a g a t i o no f n e u t n n oi nt h ep l a s m ab a c k g r o u n di st r e a t e da sp r o p a g a t i n gi nt h e c u r v e ds p a c e t i m e t h ew a v ee q u a t i o no fn e u t r i n oi nt h eb a c k g r o u n do fp l a s m ai s d e r i v e d a n dt h es o l u t i o no ft h ee q u a t i o ni so b t a i n e d t h el o s se n e r g yo fn e u t r i n o s a b s o r b e db yp l a s m ab a c k g r o u n di se s t i m a t e dq u a n t i t a t i v e l y , t h e r ea r ef i v ec h a p t e r si nt h i sp a p e r t h ec h a p t e rli sf o r e w o r d i nc h a p t e r2 a b r i e fr e v i e wo nt h es t u d yo fn e u t r i n oa n ds u p e r n o v a ei sd e s c r i b e d i nc h a p t e r3 t h e n e u t r i n op r o g r e s s e si nt h ee x p l o s i o no f t y p e i is u p e r n o v a e i sd i s c u s s e d i nc h a p t e r 4 ， t h e t r a n s p o r to f n e u t r i n o s i nt h ed e n s e p l a s m a a r es t u d i e di nt e r m so f o p t i c a lm e t r i c t h e c h a p t e r5 i st h eo v e r v i e wo ft h ew h o l e p a r e r , k e y w o r d ：n e u t r i n o ；p l a s m a ；s u p e r n o v a e ；o p t i c a lm e t r i c 上海大学硕士学位论文 第一章 刖舌 超新星的爆发是非常难得一见的天体现象，也是天体物理研究的热点问题。 为了解释超新星的爆发机制问题，人们提出过两种模型：鼹时爆发模型【1 7 1 和中 微子延迟爆发模型8 1 2 】。而这两种模型都与中微子在超新星内部的传输密切相 关，尤其是第二种中微子延迟爆发模型，更是依赖于中微子在超新星内部等离子 体中的传播【1 3 】。在超新星的爆发过程中，有大量的中徽子从超新星的内部产生 并散发到宇宙中去，由于这些中微子携带了超新星喷发的大多数能量，因此它在 超新星内部的传播过程中和星核内部等离子体的能量交换就成为中微子延迟爆 发模型成功与否的关键。 为了解决中微子与等离子体的能量交换问题，很多科学家做出了不懈的努 力，例如b i n g h a m “】等人就利用克莱因一格登方程考察了中微子核等离子的相互 作用，其结果显示当高能中微子入射到等离子体中的时候，能与等离子体发生非 线性的相互作用，激发等离子体波，中微子的能量有一部分通过朗道阻尼被等离 子体吸收。 在本篇论文中我们将利用“光学度规”模型来重新考虑这个闯题，并得出我 们的结论。论文的安排如下： 第一章，前言； 第二章。中微子物理和超新星；关于中徽子物理主要介绍了中微子的二分 量理论、太阳中微子和中微子振荡以及中微子的质量问题；关于 超新星主要介绍了恒星的演化、超新星的分类和超新星的爆发。 第三章， i i 型超新星爆发的中微子过程；主要介绍了i i 型超新星的两种爆 发机制，i i 型超新星爆发过程中可能的中微子与物质的相互作用 和i i 型超新星爆发的中微子光变曲线。 第四章，中微子在致密等离子体中的传播：本章利用“光学度规”模型考 察了中微子在等离子体中的传播问题。得到了等离子体背景中的 中微子波动方程。通过求解弯曲空间的狄拉克方程，获得了中微 子波函数。定量估算了入射中微子通过散射转移到等离子体背景 上海大学硕士学位论文 中能量及其对超新星爆发过程中在加热机制的贡献。 第五章，总结； 2 圭塑奎兰堡主兰垒兰奎 一 一一第二章 中微子和超新星 提要：简要介绍了中微子物理的各个方面和对超新星爆发研究的发展和主要理论 2 1 引言 中微子是意大利科学家泡利于1 9 3 0 年为了鳃释原子核口衰变中电子射线能 量的连续分布而假设的一种静质量极小的中性粒子。1 9 3 4 年意大利科学家费米 发展了这个假说，建立了完善的声衰变理论，并正式将这种粒子命名为中微子。 19 5 6 年，赖英斯( f r e i n e s ) 和考恩( cc o w a n ) 矛u 用反应： 匕+ j p 一门+ e + 捕获到反中微子，从而证实了中微子的存在。赖英斯也因此荣获1 9 9 5 的诺贝尔 物理学奖。中微子的发现，给物理学界带来了极大的影响，由于中微子遍布整个 宇宙，它能给我们的科学家带来遥远天体的相关信息。现在中微子观测已经成为 人们获得天文学信息的非常重要的渠道之。自从发现中徼子至今，美国、日本、 前苏联、意大利等国纷纷建立了各自的大型观测站，对中微子进行观测。过去的 几十年中，由于探测技术的进步，人们对中微子的研究不断深入，对中微子这种 粒子的认识也取得了长足的进步。 超新星的理论研究，开始于1 9 3 4 年 1 5 - 1 6 1 ，研究曾经预言：i i 型超新星的爆 发与中微子的产生、输运和辐射的关系极为密切i ”i 。八十年代后期，科学家在 对标号为s n l 9 8 7 a 的i i 型超新星的研究过程中，发现中微子和物质的相互作用 在其爆炸过程中，的确起着非常关键的作用，从而验证了这个理论预言的正确性。 于是人们对中微子，尤其是中微子与物质相互作用的研究掀起了一个新的高潮， 并提出了很多的研究成果，形成了天体物理中的个分支学科中微子天文 学。 本章主要介绍了人们对中微子和i i 型超新星爆发认识的发展过程。 圭查查兰堡主兰篁篓窒一 2 2 中微子物理 从泡利提出之后，中微子一宣吸引着物理学家们。纵观认识中微子的整个历 史，该粒子常常使面对艰难实验挑战的物理学家们激动不已。字称破坏的发现和 标准模型的第一个实验证据的获得，以及中性流的发现，说明中微子也是我们更 好的了解基本粒子物理和基本相互作用的得力工具。 2 2 1 发现中微子 微观世界是个量子化的世界，能量的吸收与发射是不连续的。原子光谱是 不连续的，原子核中放出韵住射线和7 射线能谱也是不连续的。但是，很奇怪的 是口能谱却是连续的。这个谜团困扰了一代科学家。一种解释是，原子核放射出 的电子是有确定能量的，只是因为它与周围的原子核或电子发生碰撞，或多或少 的损失了一部分能量。但是，人们没有从实验中测到这部分损失了的能量，因而 这个解释被否决了。另外一个解释是衰变过程中，能量不守恒。这显然很难让 人接受。转机出现在1 9 3 0 年的1 2 月4 日，意大利物理学家泡利在给参加图宾 根物理学讨论会的“从事放射性工作的女士们和先生们”的一份公开信中提出了 个假设。他认为：在夕衰变过程中，除了电子以外，同时还有一种不带电的、 质量极小而与物质相互作用极弱以至于无法探测到的新粒子放射出去，使它带走 了一部分能量。泡利当时将这种粒子叫做“中子”。1 9 3 2 年，查德威克发现了与 氢原子核差不多重的真正的中子。1 9 3 3 年，费米提出了口衰变定量理论，指出 自然界中存在弱相互作用。口衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个 电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了芦连续能谱和卢衰变半 衰期的规律，所以为人广为接受。这时，他将泡利的“中子”正名为“中微子”。 存在中微子的假设虽然被物理学家广为接受，可是人们一直未能从实验上证 实中微予的存在。1 9 4 1 年，王淦昌先生建议用7 挽原子核的k 轨道电子俘获测量 7 三f 原子核的反冲能，即：7 鼬+ e 。- - - l i + p 来证明中微予的存在。阿伦( j s 4 上海大学硕士学位论文 a l l e n ) 根据王淦昌先生的建议用实验间接证实了电子中微子的存在。但是由于 中微予的反应截面非常小( 在低能时约为1 0 - 4 4 c m 2 量级) ，所以中微子存在的直 接实验证据直到1 9 5 6 年由赖英斯( f r e i n e s ) 和考恩( cc o w a n ) 获得。1 9 6 2 年莱德曼( l l e d e r m a n ) 等人在美国布鲁海文实验室的3 3 g e v 加速器上证实了 子中微子和电子中微子是两种不同的中微子。2 0 0 0 年八月，实验证实了r 予中微 子。 2 2 2 中微子的二分量理论 自然界中的每种粒子都有它的反粒子，中微子自然不会例外。中微子和反中 微子都不带电，它们的区别体现在手征性上。手征性也叫空间螺旋性，表示一个 粒子的自旋方向和它的运动方向之间的相对关系。根据中徽子的二分量理论，中 微子是左旋的，并且只能是左旋；反中微子是右旋的，并且只能是右旋。 解释这个理论还要从宇称问题说起。1 9 5 6 年，李政道和杨政宁在分析了r o 之谜后，提出了在弱相互作用中的宇称不守恒。1 9 5 7 年，以实验的精确著称的 杰出的华裔女物理学家吴健雄根据李政道和杨政宁的建议作了钴_ 6 0 的p 衰变 实验，证实了在弱相互作用中宇称是不守恒的。随即李政道、杨政宁和朗道( l l a n d a u ) 与萨拉姆( a s a l a m ) 各自独立的提出了二分量的中微子理论。该理论 是根据在弱相互作用中宇称不守恒和假定中微子质量为零，得出在原子核的口衰 变中放出的中微子没有确定的内禀宇称，而有一定的螺旋性。于是描写自旋为必 ， 的费米子的相对论狄拉克方程的波函数由四分量变成二分量，这就是说在自然界 中只存在左旋的中微子和右旋的反中微子，不存在左旋的反中微子和右旋的中微 子。 1 9 5 8 年g o l d h a b e r 用实验测量了中微子的螺旋度，在实验误差范围内中微 子的螺旋度为一1 ，也就是说只有左旋的中微子，这也就是说在实验误差范围内中 微子的质量为零。 很显然，中微子的二分量理论只适用于中微子质量等于零的情况。如果中微 子质量不等于零，它的运动速度就要小于光速。我们可以假设一个坐标系，跑得 5 比中微子快一点，在坐标原点上看中微子，则当中微子迎面而来时是左旋，离原 点而去时就变成右旋了，这是不可能的。 2 2 3 太阳中微子问题和中微子震荡 标准太阳模型理论认为，太阳的温度是1 5 1 0 7 k ，在太阳内部半径以 内的核心中，核聚变反应提供大量的能量。太阳目前核聚变主要是质子和质子反 应链，在这个过程中，不仅产生太阳辐射所需要的大量能量而且反射出大量的中 微子。 质子一质子反应链的详细过程如下1 1 7 1 ： p + p 哼d + e 一+ 匕+ 0 4 2 m e v p + p 一+ p 斗d + 匕+ 1 4 4 m e v 9 9 7 5 0 2 5 d + p h e + y + 5 4 9 m e v 上 s s 厂 - 。审 3 h e p h e h e + 2 p + 1 2 8 6 m e v3 h e 一h e b e + y + 、5 9 m e v 9 9 8 9 厂上 7 b p + e - j 7 上，+ _ + 0 8 6 1 7 m e v 7 三f + p 4 h e + 4 h e + 1 7 3 5 m e v 0 n 1 b e + p b + 7 + 0 j 1 4 m e v 土 2 b j 2 b e + e + + v 。+ 1 4 6 m e v 上 2 b e h e + 4 h e + 3 m e v 垂线旁边标的百分比是分支比，就是左右两条反应途径的几率比，是按标准太阳 模型计算得到的。反应式右端所列的m e v 值是该反应的q 值。 从上表可以看出，太阳的核反应过程中释放出大量的电子型中微子，按照标 6 + 上海大学硕士学位论文 准太阳模型这个值可以达到7 9 11 s n u ，s n u 是太阳中微子单位，表示地球上 各种探测中微子的靶核吸收太阳中微子的反应率。1 s n u = 每1 0 “个靶核每秒有 一次反应。 第一台太阳中卫子探测器于1 9 6 7 年由戴维斯( r d a v i s ) 【1 8 】利用反应： _ + ”c ，寸e - + 3 t a r ，用6 1 5 t c ：c l 作靶，探测太阳内部核反应链中8 b 衰变时产 生的中微子。数据显示，太阳中微子通量只有理论预言的三分之一。这就是物理 上所谓的太阳中微子失踪之谜。 1 9 8 7 年，日本的神冈i i 号开始运行。它用6 8 0 t 水作靶，用光电倍增管探测 水中高速运动的电子所产生的契伦柯夫辐射。当太阳中微子进入水中时，与水分 子发生弹性碰撞：l + e 一_ v 。+ e 一，y 。的动能传绘电子。这种高速运动的电子 就会产生契伦柯夫辐射。这种探测器是有阂能的，能量小于阈能的中微子所传递 的动能太小，不足以产生契伦柯夫辐射。神冈i i 的阈能约6 m e v ，也只能记录太 阳中微子的高能部分，即8 b 中微子。这台探测器自1 9 8 7 年到1 9 9 0 年初的测量 结果与戴维斯的测量结果基本吻合1 1 9 2 0 l 。 8 b 中微子只占太阳中微子总量的万分之一，太阳中微子主要成分p - p 中微 子的能量小于o4 m e v ，因此很需要利用阈能值较低的探测器来探测太阳中微子 的主要成分p p 中微子。科学家找到了这种靶元素镓( g a ) ，它的闽能 只有o 2 3 6 m e v 。当中微子与镓碰撞后就生成挥发性的”c j ： 7 1 g p + p 。一7 1 + e 。生成物中的核通过电子俘获衰变，测量它的强度就可以 推算出中微子通量。 有两个小组使用了镓探测器。一个是g a l l e x 小组，欧洲各国联办。在意大 利罗马东北的格兰萨索隧道。用3 0 吨天然丰度的c a c l 3 一h c i 溶液作探测器。另 外一组叫s a g e ，俄罗斯和美国合作，用3 0 吨液态镓作探测器。这两个小组的观 测结果显示，太阳中微子通量的观测值只有理论值的一半口“2 引。 为了解释太阳中微子的失踪之谜，人们提出了几个答案。一种可能是标准太 阳模型不对。但是，现在的标准太阳模型在描述太阳的各种物理特性方面是相当 成功的，能修改的内容并不多，问题显然不出在这儿。第二种可能是低能核反应 7 上海大学硕士学位论文 截面数据不正确。理论研究发现，增大3 胁+ 3 k 寸a + 2 p 的反应截面，可以减 少p p 循环产物7 船和8 b 的产出量，从而减少相应的中微子通量。但是经过一 段时问的测量之后，这方面也没有什么问题。第三种可能是中微子本身还有些我 们不知道的性质。中微子可能具有很小的静质量，而且它并不稳定。产生于太阳 内部的中微子，在太阳到地球的8 分钟内已经部分的衰变了。电子中微子是所有 中微子中最轻的，一般而言是不会衰变的，但是它可以通过中微子震荡转变成另 外一味的中微子。由于一般的太阳中微予探测器探测不到其他两味中微子，因此， 观测到的太阳中微子通量就小于理论预言。 中微子的振荡机制是什么呢? 标准模型告诉我们，中微子在与物质相互作用 时是按弱相互作用本征态作用的，即在相互作用过程中，基本量是也。v ，y ，和 它们的反粒子，但在传播过程中，它们则是以质量的本征态形式传播，即传播的 物理粒子是h ，v 3 ，这三种粒子具有明确的质量，因而是物理上的实粒子。 这两种本征态可以用一个幺正变换联系起来。要是这个变换不平庸那中微子必 须有非零质量，否则三种中微子在质薰上是简并的，使幺正交换无意义。这个变 换就导致了各种不同种性中微子的混合。假如，中微子是按某特定种性产生的( 比 如说y 。) ，它可以写成质量本征态中分量( u ，v 2 ，v 3 ) 的线性组合，其系数是 确定的。但在传播过程中，它却不能保持原有的特性，其系数在传播过程中变化 了，产生了另外的线性组合，即转变成另外种类的中微子。 除了太阳中微子外，大气中微予也存在同样的问题。大气中微子是由于高能 宇宙线粒子射到地球大气层，与其中的原子核发生核反应，产生疗，k 介子，这 些介子再衰变： 但子也会衰变： k + 呻+ + 矿。， 石+ _ + + v 。， k j 雒+ v 。 耳畸雒vn + 一，+ p + + p 。，一j 匕+ e 一+ 吃 因此大气中微子的成分中，中微子的数量应该是电子中微子数量的两倍。 8 上海大学硕士学位论文 但是神冈装置，i m b 和s o u d a n 装置在8 0 年代探测到的大气中的中微子y ，和电 子中微子v e 数量之比小于2 ，这说明大气中的| “中微子y ，丢失了。同样的，如果 中微子有质量，根据基本粒子波传播的性质，它会产生中微子振荡。 假设中微子的质量本征态是u ，v ：，嵋，而实验上看到的弱相互作用本征 态v 。，y 。，y ，是y 1 ，y 2 ，y 3 的叠加： 辘剩 物理量，如果作一个简化，假设存在两种中微子咋，匕，上述公式可以简化为： 州篇矧翻 即；v 。= c o s o v l + 如口y 2 ， 式中口是匕和匕混合角，表示混合的程度。 如果中微子有质量锄2 = m ? - m ；，中微予束流能量为e ，则经过距离l 后， 从y 。变成_ 的几率是： p ( 叱_ y ，) = s i n 2 2 0 s i n2 ( 12 7 山, n 2 ( e v 2 ) l ( k m ) e ( g 口矿) ) 而仍然保留为的几率是： p ( v _ p ) = 1 一s i n 2 2 0 s i n2 ( 1 2 7 山 n 2 班) 如果距离产生点l 的探测装置探测到的v 。的流强少了，就叫做消失实验， 说明有部分 ，。丢失了。它变成了其它类型的中微子，说明存在中微子振荡，表 如果作另外一种简化，假设存在匕和p 。两种中微子，则： 上海大学硕士学位论文 k = c o s o v l + s i n 口矿2 l ，。f _ 一s i n 口u + c o s 臼v 2 式中0 是匕和y 。混合角。，则可得到从_ 变成的几率是： p ( v 。斗比) = s i n 2 2 0 s i n 2 ( 1 2 7 a m 2 ( e v 2 ) l ( k m ) e ( y ) ) 而匕仍然保留为匕的几率是： p ( 屹- - 9 心) = 1 - s i n 2 2 0 s i n 2 ( 1 2 7 j , n 2 d 中微子振荡虽然可以解释太阳中微子失踪的问题，但是没有令人信服的实验 证据。不同种类中微子之间有否质量差，不清楚。即使有质量差，也不一定在太 阳中微子的灵敏范围之内( & - n 2 1 0 4 1 0 ”) 内。即使质量差在这个区间，也 不一定发生震荡。科学家试图利用核反应堆和高能加速器来验证中微子震荡，但 是目前为止，都没有给出令人信服的成果。 2 2 3 中微子的质量 泡利提出中微子假说时，还不知道中微子有没有质量，只是认为，即使有质 量也是很小的，因为能谱的端点能量，也就是电子最大能量与衰变放出的总能 量很接近，中微子带走的能量就是它的静质量，只能是很小的。 检验真理的标准是实践，在物理学中实践就是实验。中微子到底有没有质量， 到底有多少质量，只能由实验测定。 测定电子中微子质量的第一个方法是测定口衰变的电子与反冲核的能量和 动量，在有能量守恒和动量守恒求得中微子的能量和动量，这样也就可以求出中 微子的质量了。这个方法简单明了，但是由于反冲核的能量太小，很不容易测准， 因此得到的电子中微子质量的误差也较大，后来就不再使用了。另外，人们还试 图通过口谱型来确定电子反中微子的能量。 7 0 年代以前，由于测量手段的限制，尽管有上面提出的两种方法，测量结 果只能不排除质量为零，而且质量上限逐渐减少。自从李政道和杨振宁的中微子 1 0 上海大学硕士学位论文 二分量理论提出后，中微子质量为零的概念为大家广为接受。 不过，天体物理上的两个问题对中微子质量为零这个概念提出了挑战。第一 个是上面提到过的太阳中微子失踪之谜，人们相信问题出在中微子本身的性质 上。如果中微子之质量不为零，中微子就极有可能发生震荡。因为中微子震荡的 前提是两种中微子的质量方差不等于零( a m 2 0 ) ，这必然要求至少一味中微子 的质量不为零。另外一个是“暗物质”问题。天体物理发现，我们所观测到的发 光天体的质量只占所观测空间中的物质总质量的- d , 部分。还有很大一部分质量 是由目前还没弄清楚是什么东西的“暗物质”携带的。中微子是最自然的候选者， 因为中微子是确实存在的，而且它的数量在宇宙中是非常非常的多宇宙大爆 炸的遗迹，只要它有几e v 的质量，这个暗物质问题就解决了。 随着探测技术的进步，对这个问题给出的答案也越来越精确，下图一表示从 1 9 4 9 开始各种实验测得的匕，y ，y 。的质量上限随年代的变化，目前已发表的最好 结果是【2 4 】： 匕 3 e v u 1 8 2 m e v y 。 1 0 ”一1 0 ”年，利用不同的模型可以从正是7 推算出 电子中微子质量，粗略的估计为： l e v ( 1 0 “肛；”) 啦 因此，从这个实验出发，给出电子中微子质量的上限值是： 7 1 1 3 e v 测量超新星爆发放出的中微子到达地球的时间和能量也可以精确定出中微 子的微小质量值。1 9 8 7 年2 月2 3 日距离地球1 7 1 0 5 光年的大麦哲伦云的编号 为s n l 9 8 7 a 的超新星爆炸，这次爆炸释放出的能量约为1 0 ”j ，日本的神冈装置 和美国的i m b 探测器均探测到了这次爆发产生的中微子信号。如果中微子具有质 量，如果探测到的中微子之中某些中微子在超新星时时同时发出的，由于能量不 同，因此飞行速度不同，经过1 7 1 0 5 光年的长距离飞行之后，到达地球的时间 也就不同，因此利用探测到的中微子到达地球的时问及能量就可以推算出中微子 可能具有的质量值。世界上很多科学家利用这次探测到的数据进行了估算，电子 中微子的质量为： 7 7 p 吖c 2 肌_ 1 96 e v c 2 上海大学硕士学位论文 如果考虑更多的因素，更复杂的模型，只能给出中微子质量的上限值2 5 1 ： m 8 m 。) 如何构造一个合理的模 型，能够使恒星由内爆( i m p l o s i o n ) 转变成爆发( e x p l o s i o n ) 。围绕这一焦点， 近些年来，对于i i 型超新星的爆发实践曾经提出两种可能的机制。 第一种，瞬时爆发模型或者称为直接爆发模型。w h i l l e b r a n d t 。w d a r n e t t ，w h i l l e b r a n d t 、k n o m o t o 和r g w o l f f ，e b a r o n 、j c o o p e r s t e i n 和s k a h a n n a s 等人先后提出的模型都属于瞬时爆发模型i 】。他们认为，演化 到晚期的大质量恒星由于发生过程释放中微子而引起引力塌缩，塌缩形成的再 束缚核反弹形成激波，这激波足够强大，可以“吹开”恒星外壳，直接实现超新 星爆发。这种直接爆发模型的纯动力学时标为l o m s ，所以称之为瞬时爆发模型。 随着星体塌缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它达到了原子核密度 ( p 。，= 28 l o ”g c m 3 ) 以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论 简并压强。星体变成稳定的系统，不再塌缩。但由于惯性，直到中心密度达到2 到4 倍的原予核密度时，内核心的塌缩才能完全中止。而内核心外围的物质却继 续以超音速塌缩，它们猛烈地撞击在突然停止塌缩的非常坚硬的内核心上，因而 在内核心不远处立即产生一个很强的向外传播的反弹激波，这个激波的能量高达 1 0 ”l o ”e r g s 。这些巨大的能量来自星体核心在塌缩过程中释放出的自引力势 能。激波波前后的温度上升到l o “k 以上，平均热运动能量高达i o m e v ，超过了 1 9 一 圭塑查堂堡主兰垡笙壅 _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ - _ 星体核一5 6 f e 平均每个原子的结合能( 88 m e v ) 。铁族元素的原子核很快被高 能光子打碎，“n 分裂为： 5 6 f 0 j 1 3 a + 4 拧寸2 6 p + 3 0 n 这个光致裂变反应过程消耗了反弹激波的能量。 大量瞬时爆发模型的数值模拟表明，要达到瞬时爆发成功，铁星核的质量 ( m e = m 。) 一定要满足一定的条件，据文献查证，分别有m 异1 3 5 m 0 1 3 4 1 , 或肘丘1 2 5 mo 3 5 1 , m 1 2 0 mo 3 6 1 , m es 1 1 8 m 。【3 7 】，m 1 1 2 5 m o 3 8 1 , 或m e 1 i o m 。例，似乎是越小越好am u l l e r p 4 1 于1 9 9 1 年首次提出了一个必要 条件： m 一一m ，c 0 4 5 m 。 ( 3 1 ) 其中m ，c 表示铁星核的内区( i n n e rc o r e ) ，即同调区( h o m o l o g o u sc o r e ) ，所以 上式的左端就是铁星核的外区的质量m o c ( o u t e rc o r e ) 。整个铁星核的内外区 的划分是由塌缩过程中，中心密