Нейтрино против фотонов: кто выиграет гонку через галактику?

Вдохновившись формулировкой этого ответа , мне пришла в голову мысль. Если бы фотон и нейтрино мчались вдоль значительного участка нашей реальной галактики, кто бы выиграл гонку?

Теперь нейтрино лучше не двигаться быстрее скорости света в вакууме . Однако достаточно энергичное нейтрино может иметь скорость, сколь угодно близкую к с . Скажем, мы взяли нейтрино от типичной сверхновой с коллапсом ядра. Была бы скорость

в ν знак равно ( 1 − ϵ ν ) с
для небольшого ϵ ν > 0 . Каков порядок величины для ϵ ν ?

В то же время фотоны также могут двигаться медленнее, чем с . Межзвездная среда не полностью лишена вещества, и на самом деле большая часть этого вещества представляет собой ионизированную плазму. Таким образом, он должен иметь плазменную частоту ю п , и поэтому он должен эффективно иметь показатель преломления в зависимости от отношения ю / ю п . Тогда скорость фотона будет

в γ знак равно ( 1 − ϵ γ ) с ,
куда ϵ γ в целом зависит от частоты. Каков порядок величины этого отклонения? Я знаю, что это проявляется на радиочастотах, где фактически даже изменение в γ с частотой обнаруживается: импульсы от пульсаров претерпевают дисперсию, поскольку они проходят от сотен до тысяч парсеков, чтобы достичь нас.

Для простоты предположим, что на пути фотона нет препятствий вроде гигантских молекулярных облаков или планет-изгоев. Возможно ли, что некоторые фотоны будут опережать типичные нейтрино? Насколько велик этот эффект и как он зависит от частоты фотона и энергии нейтрино?

+1 Это отличный вопрос, а также (я думаю) очень сложный. Нейтрино также проявляют поведение, подобное преломлению, через эффект MSW: en.wikipedia.org/wiki/… однако я подозреваю, что слабое взаимодействие гораздо менее значимо, чем взаимодействие фотонов.
Ага. Кроме того, хотя известно, что по крайней мере две массы нейтрино отличны от нуля, все же возможно, что самое легкое собственное состояние массы имеет ровно нулевую массу, и в этом случае нейтрино предположительно всегда будет бить фотон (за исключением связи в идеальном вакууме). конечно).
По стечению обстоятельств в данный момент я занимаюсь изучением кинетики нейтрино. Хорошая теория может быть найдена в Sigl, G., & Raffelt, G. Nuclear Physics B, 406(1-2), 423–451 (платный доступ) (трудно найти в формате pdf) . Я уверен, что кто-то здесь уже разбирается в этом, но если нет, я надеюсь, что смогу ответить на этот вопрос в ближайшее время.
Обратите внимание, что с недавними результатами Plank у нас появился новый нижний предел суммы масс 3 известных вкусов, а это означает, что нижний предел их скорости теперь выше.
Еще одно замечание: вам нужно принять диапазон энергий нейтрино. Вы указываете «типичное» нейтрино. Если вы имеете в виду такие, как те, которые генерируются на солнце, то вы смотрите на энергии, очень близкие к 1 МэВ.
+1: Хммм... Никто не заметил, что это твой первый вопрос ;-)
Первое, что мне пришло в голову, это то, что нейтрино от сверхновой часто прилетают раньше фотонов от того же события (поскольку оболочка взорвавшегося вещества становится прозрачной для нейтрино раньше фотонов), но я полагаю, что в этом случае нейтрино обманывают, получая голову. Начало...
@KyleOman, вы правы, и это не обман, именно поэтому взрываются сверхновые звезды: они проникают сквозь всю массу звезды (и взаимодействуют со всем этим) практически одновременно. Он уравновешивает гравитацию, так что у вас остается радиационное давление. И большой взрыв.

Ответы (2)

Милый вопрос!

Для нейтрино с массой м и энергия Е ≫ м , у нас есть в знак равно 1 − ϵ , куда ϵ ≈ ( 1 / 2 ) ( м / Е ) 2 (в единицах с с знак равно 1 ). IceCube обнаружил нейтрино с энергией порядка 1 ПэВ, но это исключение. Для нейтрино с массой 0,1 эВ и энергией 1 ПэВ имеем ϵ ∼ 10 − 32 .

Время пролета фотонов высокой энергии было предложено в качестве проверки теорий квантовой гравитации. Десять лет назад Ли Смолин продвигал идею о том, что петлевая квантовая гравитация предсказывает измеримую дисперсию вакуума для высокоэнергетических фотонов от сверхновых. Фактические результаты измерений оказались отрицательными: http://arxiv.org/abs/0908.1832 . Было обнаружено, что фотоны с энергией до 30 ГэВ рассеиваются не более чем на ∼ 10 − 17 относительно других фотонов. Это говорит нам о том, что взаимодействия с межзвездной средой должны вызывать ϵ ≪ 10 − 17 , иначе эти взаимодействия запретили бы такой эксперимент, как проверка LQG.

Согласно WP, плотность межзвездной среды меняется на много порядков, но если предположить, что она ∼ 10 − 22 раз превышает плотность обычного вещества, мы могли бы предположить, что это вызывает ϵ ∼ 10 − 22 . Это согласуется с тем фактом, что это не считалось важным в испытаниях вакуумной дисперсии.

Для нейтрино с массой 0,1 эВ ϵ ∼ 10 − 22 , он должен был бы иметь энергию 10 ГэВ. Это, кажется, находится в пределах, но на верхнем уровне шкалы энергии для излучения, испускаемого сверхновыми. Поэтому я думаю, что ответ заключается в том, что это действительно зависит от энергии фотона, энергии нейтрино и плотности (крайне неоднородной) межзвездной среды, через которую проходят частицы.

Хорошая дискуссия и эффективный аргумент правдоподобия. Как упомянул Брэндон Энрайт в комментарии, существует также эффект MSW на нейтрино, распространяющиеся через материю. Я предполагаю, что это, вероятно, не имеет значения здесь, но нужно, по крайней мере, сделать расчет порядка величины, прежде чем объявить победителя. :)
Мне было бы интересно это увидеть; мои отбивные физики элементарных частиц не до этого. Я предполагаю, что мы говорим о нейтрино, которые могут быть выше или ниже шкалы электрослабого взаимодействия...?
Я так полагаю. Эффект сильнее для более высоких энергий нейтрино (до точки, я полагаю, когда энергия настолько высока, что среда может также быть вакуумом), но ϵ уменьшается с энергией, как вы заметили. Так что где-то может быть интересная игра этих эффектов с энергетическим «сладким пятном». Я не мог сказать вам, где.
Небольшое примечание о кинематике: предположим, что ISM в основном состоит из покоящегося водорода. Тогда в хорошем приближении энергия центра масс нейтрино-протонного столкновения равна м п ( м п + 2 Е ) , поэтому порог реального производства W равен Е ∼ 3200   грамм е В , что ставит "слабую шкалу" для этого вопроса намного выше, чем наивная ∼ 80   грамм е В .

Я думаю, вы также должны учитывать, что в реальном мире фотон движется менее прямолинейно, чем нейтрино. Это связано с такими вещами, как гравитационное линзирование и любые частицы, с которыми взаимодействует фотон. Думая о сверхновой, сколько времени требуется фотону, чтобы добраться от центра звезды до самых внешних слоев, по сравнению с нейтрино? или это выходит за рамки вашего вопроса?

Я думаю, что это выходит за рамки. Этот вопрос предполагает, что они начинаются в одном и том же месте, поэтому такие вещи, как время, необходимое фотографии, чтобы избежать звезды, не имеют значения.
Нейтрино первыми выходят из сверхновой. Фотоны имеют тенденцию поглощаться и переизлучаться. Я читал, что фотону требуются годы, чтобы превратиться из обычной звезды. Давление нейтрино — это то, что заставляет сверхновую взорваться: уравновешивая силу гравитации на короткое время во всей массе звезды . Это то, чего не может сделать электромагнитное излучение. Но я думаю, что для гравитационного линзирования путь нейтрино будет идентичен пути фотона.
Нейтрино против фотонов: кто выиграет гонку через галактику?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v