Квазинейтроны

Предсказано существование новой стабильной элементарной частицы – квазинейтрона – и предложен способ его образования. Квазинейтроны являются подходящими кандидатами на роль частиц темной материи. Искусственное получение квазинейтронов позволяет решить проблему холодного ядерного синтеза.

Содержание

• 1.    Происхождение квазинейтрона

• 2.    Способ образования квазинейтронов

• 3.    Приложения квазинейтронов

  • 3.1.    Холодный ядерный синтез

  • 3.2.    Космическое происхождение квазинейтронов и их влияние на энергетику звезд

  • 3.3.    Образование темной материи

  • 3.4.    Нуклеосинтез

Заключение

• 1.    Происхождение квазинейтрона

В своей квантовой теории водородоподобного атома Бор ввел постулат о существовании в атоме стационарных состояний, при помощи которых он объяснил атомное излучение и устойчивость атома – электроны не “падают” на ядро. Однако, процесс “падения” электронов на ядро не запрещен и он реализуется в так называемом электронном захвате ( К -захват): электрон, находящийся в К -оболочке атома, поглощается ядром этого атома. К -захват описывается при помощи реакции

p + e - ^ n + v ,                              (1)

где p – протон, e – электрон, n – нейтрон, ν – нейтрино. Реакция (1) наблюдается также и со свободными протонами и электронами при достаточно необходимой для ее осуществления кинетической энергии электронов. Эта реакция характеризует процесс сближения электрона с протоном, который можно сделать управляемым. Электрон при сближении с протоном может потерять часть своей кинетической энергии (излучение, торможение во внешнем поле) таким образом, что будет выполнено неравенство

^Ep + ^Ee + ^Ei <  ( m 0 p + m 0 e ^{)C 2} ,                  ⁽²⁾

где E p , E e , E i — соответственно полные энергии протона, электрона и энергия ионизации атома водорода; m ₀ p , m _{0 e} — массы покоя протона и электрона. При сближении электрона с протоном кинетическая энергия электрона возрастает за счет поглощаемой им энергии из электрического поля протона [1], вследствие чего масса покоя протона уменьшается. При выполнении неравенства (2) образовавшаяся система ( p + e ) не может быть ни атомом водорода, ни нейтроном, она представляет собой новую стабильную элементарную частицу — квазинейтрон .

Поскольку в атомах наблюдается К-захват, то потеря электроном части своей кинетической энергии при сближении с протоном, удовлетворяющая неравенству (2), с неизбежностью приведет к его столкновению с протоном. Процесс такого столкновения может быть записан в виде реакций p + e^ // + v + V ,                           (3)

p + e - ^ n + y ,                             (4)

где n — квазинейтрон; v , V — соответственно электронные нейтрино и антинейтрино; Y — фотон. Возможность существования реакций (3) и (4) должна быть проверена на опыте. Несомненным является лишь только то, что квазинейтроны существуют, исходя из описанного выше способа их образования. Из способа образования квазинейтронов также становится понятным почему они не могут быть рождены на ускорителях элементарных частиц.

Из реакций (3) и (4) в силу законов сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов вытекает, что квазинейтрон ⁿ n имеет: нулевой электрический заряд, барионный заряд = +1, лептонный заряд = +1. Таким образом получается, что в настоящее время квазинейтрон является единственной элементарной частицей, одновременно обладающей как барионным, так и лептонным зарядами. Из этих реакций также следует, что спин квазинейтрона может быть равным либо 0, либо 1 и следовательно, согласно квантовой статистике, квазинейтрон является бозоном.

Оценим теперь массу квазинейтрона. Пусть электрон при сближении с протоном приобретает кинетическую энергию 32

E = e 2 / a , где a - радиус внешней границы ядерного поля протона, при котором ядерные силы равны нулю. В предположении, что вся кинетическая энергия E электрона пойдет на излучение и кинетическую энергию квазинейтрона, в соответствии с реакциями (3) и (4) для его массы покоя запишем m0~ = m0p + m0 e — E I c 2 ,

где кинетическая энергия электрона E = e 2 / a не может превышать энергию электрического поля протона, которая по нашим представлениям равна энергии электрического поля электрона, а последняя не может превышать энергию массы покоя электрона m0e c 2 . Тогда за массу покоя квазинейтрона можно принять нижнюю границу его массы, вытекающую из равенства (5)

m = т_п „ = 1836 m» .

0 n        0 p                 0 e

Рис. 1

Подытожив, запишем основные характеристики квазинейтрона

Обозначение	n
Время жизни	стабилен

Электричес кий заряд 0

< Барионный заряд Лептонный заряд Спин	+ 1 (7) + 1 0 или 1
Масса	1836 m 0 e

В водородной плазме возможно образование таких условий, при которых электрон будет находиться между протоном, к которому он приближается, и группой других протонов, оказывающих на этот электрон тормозящее действие, рис. 2.

е

Рис. 2

Согласно этой схеме электрон будет приближаться к протону с потерей части своей кинетической энергии, обусловленной тормозящим действием некоторой группы протонов. В результате для такого электрона возможно выполнение неравенства (2), что приведет к образованию квазинейтрона. Подобные процессы в плазме могут быть многочисленны.

Аналогичное тормозящее действие на электрон при его приближении к протону возникает при условии, когда протон находится между траекториями двух приближающихся к нему электронов, которые движутся к этому протону под малыми прицельными расстояниями. Траектории движения двух таких электронов в общем случае расположены в разных плоскостях. Если один (первый) из этих электронов в некоторый момент времени находится ближе к протону, чем другой (второй) электрон, и кинетическая энергия первого электрона больше или равна кинетической энергии второго электрона, то первый электрон быстрее приблизится к протону на расстояние, при котором возможен его захват протоном, в результате чего, согласно описанному в пункте 1 процессу, образуется квазинейтрон. В этой схеме сближения двух электронов с протоном первый электрон отдает часть своей кинетической энергии, возникающей за счет поглощаемой им энергии из электрического поля протона, второму электрону, оказывающему на первый электрон тормозящее действие. В результате этого процесса выполняется неравенство (2), вследствие чего и образуется квазинейтрон.

Описанные выше процессы сближения электрона с протоном происходят в низкотемпературной водородной плазме в достаточно большом количестве, что позволяет надеяться на выполнение неравенства (2), являющегося необходимым условием образования квазинейтрона, для достаточно большого числа электронов.

Образовавшиеся таким образом квазинейтроны могут вступать в ядерные реакции как с водородом, так и с дейтерием, в камеру с которым они попадут в процессе диффундирования. Эти реакции таковы

1H + ~ ^2 D + V ,                          (8) 2D + ~ ^3 T + v ,                           (9)

где ¹ H – водород, ² D – дейтерий, ³ T – тритий, ν – нейтрино. Реакции (8) и (9) экзотермические, так как сумма масс вступающих в реакцию частиц больше суммы масс продуктов реакции. Запишем массы изотопов водорода в атомных единицах массы ( а.е.м. )

'1H     1,00783

< 2D     2,01410                             (10)

3 T    3,01605

Масса квазинейтрона согласно оценке (6) равна

m~ = 1836 m. = 1836 • 5,485799 • 10-4 = 1,00719 а.е.м.

• n                    0 e                     ^{,                                  ,}

  Для реакций (8) и (9) запишем суммы масс левых и правых частей M(1 H) + M(~) = 2,01502 а.е.м. > M(2D) = 2,01410 а.е.м. , M(2D) + M(~) = 3,02129 а.е.м. > M(3T) = 3,01605 а.е.м. .

• 3.2.    Космическое происхождение квазинейтронов и их влияние на энергетику звезд.

• 3.3.    Образование темной материи.

• 3.4.    Нуклеосинтез.

вещество, что и нейтроны, но в отличие от последних являются еще и стабильными. Возможно на экспериментальную установку по наблюдению холодного ядерного синтеза поступает неравномерный космический поток квазинейтронов, которые вступают в реакцию с дейтерием (9). Поскольку в опытах по холодному ядерному синтезу применяется насыщение металлов дейтерием, то вполне вероятно, что квазинейтроны могут вступать в ядерную реакцию (9) с этим дейтерием. Результаты этих реакций и воспринимают в качестве доказательства существования эффекта холодного ядерного синтеза. Полностью защититься от потока поступающих на экспериментальную установку квазинейтронов возможно не удастся, так как на данный момент нам неизвестна его интенсивность.

Описанный в пункте 2 данной работы способ искусственного образования квазинейтронов позволяет получить квазинейтроны в большом количестве при малых затратах энергии. Использование полученных квазинейтронов в ядерных реакциях (8) и (9) позволяет решить проблему холодного ядерного синтеза.

Как уже было описано в пункте 2 квазинейтроны могут образовываться в водородной плазме. Следовательно в водородной плазме звезд, в частности Солнца, происходит образование квазинейтронов по реакциям (3) и (4). Кроме известных термоядерных реакций, протекающих на Солнце, существуют и ядерные реакции (8) и (9) с участием квазинейтронов, вносящих свой вклад в энергетику Солнца. Реакции (8) и (9) протекают с образованием нейтрино. Согласно общеизвестным опытам Дэвиса по регистрации солнечных нейтрино их поток, измеряемый на Земле, в 3 раза меньше теоретически ожидаемого. Эта проблема солнечных нейтрино, возникшая в 1967 году, не решена и до настоящего времени. На протяжении всего этого времени предлагались различные теоретические модели для объяснения такого расхождения между опытом и теорией, но ни одну из них нельзя считать вполне удовлетворительной, в основном из-за отсутствия их экспериментального обоснования. Появились также работы, ставившие под сомнение само существование проблемы солнечных нейтрино [5]. Однако не все физики и астрофизики согласны с выводами автора этого обзора. Они считают, что проблема солнечных нейтрино остается. Мы не будем здесь вдаваться в подробности многочисленных работ, посвященных этой проблеме. Несоответствие измеренного потока солнечных нейтрино с теоретически ожидаемым возможно по многим причинам: неточность эксперимента, неточность теоретических выводов и предположений о возможных типах протекаемых на Солнце термоядерных реакций. Для нас же ясно, что поскольку на Солнце образуются квазинейтроны, то они, участвуя в реакциях (8) и (9), влияют на его энергетику. Для правильного теоретического описания энергетики Солнца эти реакции необходимо учитывать и возможно придется отказаться от некоторых других предполагаемых типах термоядерных реакций. Возможно, что с учетом реакций (8) и (9) проблема солнечных нейтрино еще сильнее обострится.

Квазинейтроны являются подходящими кандидатами на роль частиц темной материи. В результате вспышек и взрывов в звездах наряду с известными частицами из их недр выбрасываются также и квазинейтроны различных энергий. Наиболее высокоэнергичные квазинейтроны преодолевают внутригалактическое пространство и локализуются в гало галактик, двигаясь по круговым и эллиптическим орбитам. Квазинейтроны меньших энергий локализуются на соответствующих орбитах во всем объеме галактики. Так как плотность видимого вещества вблизи центра галактики во много раз выше его плотности на периферии, то и степень поглощения звездами квазинейтронов в центральных областях галактики соответственно выше, чем на ее периферии. Это соответствует тому, что основная часть темной материи находится в гало галактики. За длительное время существования галактик в них накапливается большое количество квазинейтронов, которые под действием сил тяготения группируются в массивные объекты, а последние впоследствии эволюционируют в звезды. Проведенные наблюдения микролинзирования [6] выявили, что значительная часть темного вещества в гало галактик состоит из объектов с массами от 0,05 до 0,8 масс Солнца. Эти результаты подтверждают наши выводы о группировании квазинейтронов в массивные объекты.

По современным представлениям процесс синтеза химических элементов (нуклеосинтез) первоначально происходил в горячей Вселенной (гипотеза Большого Взрыва), затем в звездах после их формирования, который продолжается и поныне, и наконец под действием космических лучей. Распространение химических элементов по всей Вселенной происходит за счет взрывных процессов в звездах и в особенности при взрывах Сверхновых, выбрасывающих огромные массы вещества, содержащие практически все существующие в Природе химические элементы. В дальнейшем эти выброшенные из звезд химические элементы попадают на космические тела – метеориты, планеты и звезды, изменяя их химический состав. Космические лучи высоких энергий, попадая на планету, вступают в ядерные реакции с ее веществом, в результате чего образуются новые химические элементы.

Нуклеосинтез также происходит и под действием квазинейтронов, вступающих в ядерные реакции с веществом небесных тел.

Заключение

В данной работе мы лишь только схематично указали на некоторые приложения квазинейтронов. Каждый из указанных выше процессов требует построения соответствующей теории, что является предметом обширных экспериментальных и теоретических исследований. Наша основная задача заключалась в том, чтобы показать существование в Природе новой элементарной частицы – квазинейтрона – и предложить способ его образования. Теперь дело за экспериментом. Существование квазинейтронов открывает большие перспективы в разрешении многих астрофизических проблем и приводит к положительному решению проблемы холодного ядерного синтеза.