低能中微子的輻射理論及特性,核物理論文

低能中微子的輻射理論及特性,核物理論文中微子是一種輕子，是組成自然界的最基本的粒子之一，它不帶電，自旋為1/2，質(zhì)量小于電子的百萬分之一，以接近光速運(yùn)動(dòng)。中微子只介入四大互相作用中非常微弱的弱互相作用，其碰撞截面極小，具有極強(qiáng)的穿透力，能穿越地球直徑那么厚的物質(zhì)。上百億個(gè)中微子中只要一個(gè)會(huì)與物質(zhì)發(fā)生反響，因而中微子的探測(cè)非常困難。正由于如此，在人們認(rèn)識(shí)的基本粒子中，對(duì)中微子的理解是很少的。大多數(shù)粒子物理和核物理經(jīng)過都伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核反響堆發(fā)電的核裂變經(jīng)過、太陽發(fā)光時(shí)核聚變經(jīng)過、天然放射性、超新星爆發(fā)與宇宙射線等等。宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，大約為每立方厘米一百個(gè)。1998年，日本超神岡實(shí)驗(yàn)以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子，這間接證明了中微子是具有微小質(zhì)量的。此后，這一結(jié)果得到了更多實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了雷蒙德戴維斯和小柴昌俊，以表彰他們?cè)谔綔y(cè)中微子方面的奉獻(xiàn)。他們的實(shí)驗(yàn)得出的高置信度結(jié)果，令人信服地表示清楚太陽中微子在到達(dá)地球的旅途中確實(shí)出現(xiàn)了振蕩。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都牽涉一樣能區(qū)的高能太陽中微子，并且它們都使用了物理學(xué)家比擬熟悉的探測(cè)技術(shù)。當(dāng)前，中微子振蕩尚未完全研究清楚，它不僅在微觀世界的最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且和宇宙的起源與演化有關(guān)，例如宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱很有可能是由中微子造成的。由于中微子探測(cè)技術(shù)的提高，人們能夠觀測(cè)到來自天體的中微子，導(dǎo)致了一種新的天文觀測(cè)手段的產(chǎn)生，如南極的中微子天文望遠(yuǎn)鏡冰立方〔IceCube〕及ANTARES，地中海的中微子天文望遠(yuǎn)鏡KM3NeT。普遍以為宇宙中存在微波背景輻射，該研究也于2006年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。除此之外太陽外表的輻射，人體的輻射等都伴隨中微子的發(fā)射。究其物理緣由，光子是波色子，自旋為1。而本文中研究的中微子為費(fèi)米子，自旋為半奇數(shù)，遭到泡利不相容原理的的限制。2018年，作者通過合作研究，在英國皇家天文學(xué)月刊上發(fā)表了關(guān)于小質(zhì)量微類星體的高能中微子輻射，得到德國、法國等科學(xué)家們的關(guān)注。當(dāng)下法國的SalvatoreGalata等人正使用ANTARES中微子探測(cè)器搜索小質(zhì)量的微類星體中微子輻射信號(hào)，探測(cè)流量上限并和理論預(yù)言進(jìn)行比對(duì)。在本文中，我們側(cè)重研究低能中微子的輻射理論及特性，將從愛因斯坦的基本輻射理論出發(fā)研究中微子產(chǎn)生的機(jī)制，導(dǎo)出中微子輻射公式，進(jìn)而研究光子與中微子輻射譜的特性，并研究中微子譜的應(yīng)用，最后我們將陳述簡短的討論及得出本文的結(jié)論。2．中微子輻射理論2．1．愛因斯坦系數(shù)華而不實(shí)mna為自發(fā)輻射〔SpontaneousEmission〕系數(shù)。但是，假如原子周圍存在輻射場(chǎng)，低能態(tài)吸收輻射后可以能躍遷到高能態(tài)，躍遷概率以stadp表示，而且輻射場(chǎng)可以能使高能態(tài)m上原子受擾動(dòng)而跳回到低能態(tài)n,發(fā)射概率以stedp表示。這兩種概率均與入射輻射流強(qiáng)度成正比，令發(fā)出的輻射沿d方向，在單位頻率d間隔的強(qiáng)度為I()，則有：華而不實(shí)，系數(shù)nmb和mnb分別為原子的受激吸收(StimulatedAbsorption)系數(shù)和受激輻射(StimulatedEmission)系數(shù)，通常把方程〔1〕〔3〕中的系數(shù)mna、nmb和mnb稱作愛因斯坦系數(shù)。2．2．低能中微子公式中微子和光子分別與原子作用的主要差異不同為：前者是費(fèi)米子，而后者是波色子。在費(fèi)米場(chǎng)中，假如在同一個(gè)量子態(tài)放兩個(gè)費(fèi)米子，則違背了泡利不相容原理，取而代之的是禁戒輻射現(xiàn)象，如一個(gè)費(fèi)米子占據(jù)了一個(gè)激發(fā)態(tài)，那么原子將阻止其再從此激發(fā)態(tài)上輻射出費(fèi)米子。在論文的這部分，我們將從愛因斯坦系數(shù)出發(fā)導(dǎo)出中微子輻射譜公式。設(shè)單位體積內(nèi)，在能級(jí)mE,nE上的原子數(shù)分別為mN和nN，每秒發(fā)射出能量為mnh的中微子數(shù)目是至此為止，我們看到三個(gè)愛因斯坦系數(shù)mna、nmb和mnb，華而不實(shí)只要一個(gè)是獨(dú)立的，即只要得到華而不實(shí)之一，就可用它得到另外兩個(gè)量。最終，我們得到熱平衡的黑體輻射強(qiáng)度公式〔Plancklaw〕為3．中微子譜的特性及應(yīng)用3．1．中微子輻射譜眾所周知，黑體輻射譜就是著名的普朗克輻射譜，也稱為普朗克函數(shù)，此成果的出現(xiàn)成功地解決了光譜在高頻端出現(xiàn)的紫外災(zāi)難疑難。另一方面普朗克函數(shù)還能解決低頻端實(shí)驗(yàn)與理論的沖突，即該函數(shù)能合理地整合維恩公式和瑞利-金斯公式。在圖2中，我們采用數(shù)值計(jì)算了本文中推導(dǎo)出的中微子函數(shù)與普朗克函數(shù)的分布流量，對(duì)應(yīng)于5800K的溫度，點(diǎn)線表示Planck函數(shù)分布，是太陽外表發(fā)射出光子譜的理論刻畫。通常肉眼看到的范圍在144.310到147.510Hz之間，即在峰頻附近。采用實(shí)線表示中微子的能譜分布，能夠看到，在峰頻及其之上，中微子和光子譜完全一樣，差異主要出如今峰頻之下，而且與光子相比，中微子的發(fā)射逐步變低。圖3對(duì)應(yīng)于104K溫度，這么高溫的物體在宇宙是比擬普遍的，比方比太陽更大質(zhì)量的恒星天體、黑洞吸積盤等。3．2．理論的應(yīng)用類似于黑體輻射，本文研究的中微子輻射譜也是處于熱平衡態(tài)的輻射。自然界中很多現(xiàn)象都可近似為熱平衡輻射，在產(chǎn)生黑體輻射的同時(shí)，也將伴隨著中微子輻射。我們熟知，宇宙中充斥著大量的微波背景輻射，通過比照?qǐng)D2與圖3，我們能夠確認(rèn)宇宙中也存在大量的低能中微子發(fā)射。現(xiàn)研究類太陽的恒星的外表的中微子輻射問題。太陽是人類賴以生存的能量來源，其重要性不言而喻。從圖2可知，中微子輻射流量也接近于光子流量，將來的中微子望遠(yuǎn)鏡是有能力探測(cè)到這些低能中微子發(fā)射數(shù)目的。但是，較能量較低的太陽中微子在穿過太陽與地球之間的真空時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩，從電子中微子轉(zhuǎn)變成其它類型的中微子，轉(zhuǎn)變的數(shù)量取決于中微子的能量。在高能區(qū)，振蕩經(jīng)過會(huì)由于電子中微子與太陽或地球物質(zhì)中的電子互相作用而加強(qiáng)。利用太陽面的低能中微子還能夠測(cè)量太陽的總輻射亮度。當(dāng)前對(duì)太陽及類太陽的恒星的總亮度的估計(jì)只考慮了光子，通過探測(cè)獲得這些天體的輻射功率及外表溫度，采用關(guān)系式T=6000K，能夠推知其半徑為9R=2.510m。如距地球近期的恒星太陽，其內(nèi)部的能量是唯一由核反響釋放出來的，則對(duì)中微子和光子的測(cè)量所得出的太陽亮度應(yīng)該一致。太陽內(nèi)部存在著其他的能量來源，其能量釋放經(jīng)過當(dāng)前還不清楚，則通過探測(cè)中微子和光子得出的太陽亮度就會(huì)有顯著的不同。假如這一點(diǎn)被證實(shí)，將會(huì)是一個(gè)革命性的發(fā)現(xiàn)。除此之外，中微子探測(cè)還能夠用來研究地殼構(gòu)造，預(yù)測(cè)地震的發(fā)生，應(yīng)用于冶煉行業(yè)、衛(wèi)星導(dǎo)航的研究應(yīng)用等。4．結(jié)論與討論本文通過類比黑體輻射的理論研究，從中微子最基本的自旋性質(zhì)入手，推導(dǎo)中微子輻射公式，其輻射譜特性與黑體輻射有很多類似性，進(jìn)一步研究中微子的應(yīng)用。結(jié)論表示清楚中微子輻射非常普遍，將來的高靈敏度中微子望遠(yuǎn)鏡有能力探測(cè)到這些輻射信號(hào)。我們大膽預(yù)測(cè)，將來的幾十年將進(jìn)入中微子的時(shí)代。類似于光量子信息的研究，中微子研究將逐步進(jìn)入人們的視野。2018年意大利的科學(xué)家用OPERA探測(cè)發(fā)現(xiàn)中微子以超過光速運(yùn)動(dòng)，一時(shí)引起了全世界的廣泛關(guān)注。由于假如證實(shí)了其正確性，將導(dǎo)致愛因斯坦的相對(duì)論的倒臺(tái)。不過，幾乎不到半年的時(shí)間，就被證明是錯(cuò)誤的。在太陽的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是沒有質(zhì)量的，但中微子之間發(fā)生振蕩的前提之一是它們必須具有互不一樣的靜止質(zhì)量。因而標(biāo)準(zhǔn)模型必須做一些修改。怎樣修改標(biāo)準(zhǔn)模型使之包涵有質(zhì)量的中微子便成為當(dāng)今粒子物理理論家的熱門研究課題。通常用兩種等價(jià)的方式來描繪敘述中微子。一種描繪敘述方式與中微子的互相作用相關(guān)，即電子中微子、中微子和中微子，統(tǒng)稱為味道本征態(tài)。另一種描繪敘述方式與中微子的質(zhì)量