PDF《超新星中微子》

5 等星,它很快就被证实是一颗超 新星,立即在国际天文界引起了轰动.这颗超新星很 快被命名为 1987A,它是

400 年来最亮的一次超新星爆 发,是20 世纪最大的天体物理事件之一.图1为哈勃 图1SN1987A 遗迹

34 中微子研究与进展 现代物理知识 太空望远镜在

2006 年12 月拍摄到的超新星 SN1987A 的遗迹.超新星 SN1987A 爆发后,日本的神冈探测 器和美国的 IMB 探测器分别探测到

12 个和

8 个中微 子.这是人类第一次在地球上探测到超新星中微子的 信息,开创了中微子天体物理学. 粒子物理标准模型表明,构成物质世界的最基本 粒子是费米子和玻色子,其中费米子包括有

6 种夸克 和6种轻子,而6种轻子中就包含有

3 种中微子.根 据现代中微子物理学理论, 中微子可分为三种不同味;

它们具有微小质量 , 几乎不受引力影响;

不带电荷 , 不受电磁相互作用的影响;

只参与弱相互作用;

寿命 几乎是无穷长;

遥远高能天体产生的中微子在到达地 球的漫长传播过程中 , 其路径不会因遍布宇宙的磁场 而发生变化.中微子具有这些不同于其他粒子的特殊 属性,使它与光子一起成为绝佳的天文学信息传播者 , 是正在崛起的中微子天体物理学发展的强劲原动力. 目前中微子物理已成为高能物理、天体物理与宇宙学 研究的共同热点.

二、超新星爆发与中微子产生 某些恒星在演化接近末期,亮度以十分惊人的速 度增加着,直到突然地自我剧烈爆炸,这个过程称为 超新星爆发,如图

2 所示.这种爆炸的亮度极大,所 爆发的辐射几乎能够照亮其所在的整个星系,并可持 续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见.在这段期 间内一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中 辐射能量的总和相比.超新星爆发是宇宙中既重要而 又壮观的物理事件,通过探测超新星爆发及产物,天 体物理学家和粒子物理学家可以得到很多新的物理学 和天文学方面的信息. 根据超新星光谱中是否存在氢吸收线,可以将超 新星分成Ⅰ类和Ⅱ类.在这两种类型中,每种都可以 依据存在于谱线中的其他元素或光度曲线的形状再进 行细分.图3给出了超新星一般的分类方法.Ⅰ类超 新星质量相对比较小,Ⅱ类超新星是大质量恒星(大于8个太阳质量)由内部塌缩引发剧烈爆炸的结果. 大质量恒星在其核物质燃烧末期,会形成一系列同心 壳层,分别是氢、氦、碳、氖、氧和硅壳层,然后由 于核聚变燃烧,会形成铁壳层.在形成铁壳层的核聚 变过程中,不但不产生能量,反而吸收能量.当铁核 的质量大于钱德拉塞卡极限时,电子的简并压小于物 质引力的作用,星体内部平衡态会被打破,超新星所 有的物质会向它的铁质核坍塌,从而形成新的平衡态, 这就是所谓的核坍塌超新星的开始.到坍塌的末期, 核会突然爆炸,部分重元素的壳层及它以外的物质会 被抛射到宇宙中,形成星际物质. Ⅱ类超新星在其核坍塌直至自我剧烈爆炸过程中 会产生大量的各种不同味的中微子和反中微子,最终 会形成中子星或者黑洞.这种类型超新星爆发过程中 产生的能量几乎就是内核的总引力能,其中产生的中 微子带走大概其总能量的 99%,而超新星爆发消耗的 能量大约只有 1%.如此多的中微子主要产生于两次 爆炸中,第一次爆炸持续时间仅仅几毫秒,通过原子 核俘获电子和反贝塔衰变产生大量电子中微子;