In English

Нюон

Из проекта Викизнание

Нюо́н — гипотетическая нейтральная частица, имеющая свойства мюона, но отличающаяся от него своим происхождением. Как необходимая новая частица нюон появился в теории бесконечной вложенности материи в 2009 году при объяснении эволюции элементарных частиц. [1] С точки зрения подобия уровней материи и SPФ-симметрии, аналогом нюона на уровне звёзд является белый карлик.

Оглавление

  • 1 Происхождение
  • 2 Свойства
  • 3 Мюон
  • 4 Влияние на космологическую модель
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Происхождение

В теории бесконечной вложенности материи предполагается, что эволюция основных уровней материи, к которым относятся уровень элементарных частиц и уровень звёзд, происходит по одним и тем законам. Отсюда следует, что хорошо разработанная теория звёздной эволюции может быть с соответствующими изменениями применена для описания возникновения и эволюции элементарных частиц. Подобие уровней материи приводит к выводу, что на уровне звёзд нейтроны соответствуют нейтронным звёздам, протоны соответствуют магнитарам, а электроныдисконам или дискам, обнаруженным возле нейтронных звёзд. [2] Точно так же, аналогами пионов являются нейтронные звёзды минимально возможной массы, а аналогами мюонов являются белые карлики, остающиеся после распада нейтронных звёзд малой массы. Белые карлики возникают из звёзд главной последовательности в ходе естественной эволюции, когда заканчивается стадия выгорания термоядерного топлива (водорода, гелия, углерода и т.д. ) в недрах звёзд. При этом белый карлик представляет собой оголившееся ядро звезды на стадии красного гиганта, сбросившего оболочку, которая становится планетарной туманностью.

В достаточно массивных звёздах стадия термоядерного горения доходит до слияния лёгких атомов в атомы железа, и в ядре звезды становится много железа. При последующем увеличении внутреннего давления происходит нейтронизация вещества за счёт захвата электронов атомными ядрами, и ядро звезды теряет устойчивость. Это приводит к сверхновой с коллапсом ядра звезды, образованием нейтронной звезды, сбросом оболочки за счёт преобразования гравитационной энергии в кинетическую энергию и отскока оболочки от возникшей нейтронной звезды. Нейтронная звезда может также возникнуть в случае, когда углеродно-кислородный белый карлик превышает предельную массу (предел Чандрасекара).

Описанный сценарий может быть применён к уровню элементарных частиц. Это означает, что ещё до появления электронов и нуклонов в нашей Вселенной должны были существовать (и периодически возникают вновь) объекты, подобные по своим свойствам планетам и звёздам главной последовательности, но имеющие размеры и массы, типичные для уровня элементарных частиц. Основной силой, удерживающей эти объекты от распада, предполагается сильная гравитация. Эволюция этих объектов приводит к возникновению электронов, нюонов и нуклонов.

Свойства

Для оценки массы и радиуса нюонов следует использовать коэффициенты подобия между уровнями материи: по массе

Ф = 1,62∙1057 , по размерам Р = 1,4∙1019 , по скорости S = 2,3∙10-1 . Массы наблюдаемых белых карликов лежат в пределах от 0,17 до 1,33 Ms , а большинство их имеет массы около 0,6 Ms , где Ms  обозначает массу Солнца. Разделив эти массы на Ф , получаем диапазон масс нюонов: от 2,1•10-28 кг до 1,63•10-27 кг, что несколько меньше массы протона, равной 1,6726•10-27 кг.

Радиусы белых карликов уменьшаются по мере роста их массы и лежат в пределах от 0,008 до 0,02 Rs , где  Rs   есть радиус Солнца. Если разделить эти радиусы на коэффициент подобия по размерам  Р , можно оценить диапазон радиусов нюонов: от 3,98•10-13 м до 9,94•10-13 м.

Белый карлик с массой 0,6 Ms  имеет радиус порядка 0,0138 Rs . [3] Соответствующий ему нюон имеет массу m=7,36 \cdot 10^{-28} кг и радиус r = 6,86 \cdot 10^{-13} м. Через массу и радиус можно определить характерную скорость частиц внутри такого нюона:

C_x = \sqrt { \frac {k G_a m }{2r} } = 7  \cdot 10^{6}м/с,

где  G_a = \frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_{0} m_p m_e } = 1,514 \cdot 10^{29} м3•с–2•кг–1 есть постоянная сильной гравитации, ~eэлементарный заряд, ~\varepsilon_{0} электрическая постоянная, ~ m_p – масса протона, ~ m_e – масса электрона, ~ k=0,6 для однородного шара и увеличивается в случае, когда плотность в центре шара больше средней плотности.

Для оценки спинового характерного момента импульса нюона используется приблизительная формула: [4]

L_s = \frac {m C_x r }{4 \pi}  = 2,8  \cdot 10^{-34}Дж•с.

Характерный момент импульса рассматриваемого нюона превышает квантовый спин протона, равный

\frac {h }{4 \pi}= \frac {\hbar }{2} = 5,27  \cdot 10^{-35}Дж•с,

здесь ~ hпостоянная Планка, ~ \hbarпостоянная Дирака.

Следующим после уровня элементарных частиц является уровень праонов, которые соотносятся с нуклонами так же, как нуклоны соотносятся с нейтронными звёздами. [1] В белых карликах нуклоны соединены в атомные ядра, однако атомы находятся почти полностью в ионизованном состоянии, и смесь ядер и электронов образует вещество в виде плазмы. То же самое следует и для состояния вещества нюонов, которое должно состоять из положительно заряженных праонов и отрицательно заряженных частиц – аналогов электронов (праэлектронов).

Оценка давления и температуры в центре нюона осуществляется по формулам: [5]

p_c = \frac {3 \sigma_a m^2  }{8 \pi r^4}= \frac {9 G_a m^2  }{8 \pi r^4}= 1,3  \cdot 10^{23}Па,

 

T_c = \frac {\eta_a m m_{pr}  }{3 k_{pr} r}= \frac {G_a m m_{pr}  }{k_{pr} r }= 1  \cdot 10^{9}К,

где ~ \sigma_a – коэффициент поля давления, ~ \eta_a – коэффициент поля ускорений, ~ m_{pr}  = \frac {m_p}{\Phi} = 1 \cdot 10^{-84} кг – масса праона, ~ k_{pr}  = \frac {k}{\Phi S^2} = 1,6 \cdot 10^{-79} Дж/К – постоянная Больцмана для уровня праонов, ~ kпостоянная Больцмана.

Концентрация праонов в центре нюона равна:

n_c = \frac {p_c }{k_{pr} T_c }= 8 \cdot 10^{92} м-3 .

Для средней по объёму нюона концентрации праонов и плотности вещества можно записать:

n = \frac {3 m }{ 4 \pi m_{pr} r^3}= 5,4 \cdot 10^{92} м-3 .

 

\rho = n m_{pr} = 5,4 \cdot 10^{8} кг/м3 .

Предел Чандрасекара определяет максимальную массу белого карлика, при превышении которой белый карлик может превратиться в нейтронную звезду. Эта масса зависит от химического состава и лежит в пределах от 1,38 Ms до 1,44 Ms . Разделив эту массу на коэффициент подобия по массе Ф , можно оценить максимальную массу нюона, готового превратиться в нейтрон: 1,767•10-27 кг. Для сравнения, масса нейтрона равна 1,675•10-27 кг.

Будучи нейтральным, нюон должен слабо идентифицироваться в экспериментах. Однако мюоны как заряженные нюоны достаточно доступны и с ним осуществляют множество исследований.

Мюон

Основное отличие нюона от мюона заключается в том, что нюон нейтрален, а мюон имеет заряд, так как образуется из заряженного пиона.

Сильная гравитация позволяет поддерживать сферическую форму мюона несмотря на то, что он несёт на себе элементарный заряд ~ e . Из соотношения для гравитационной и электрической сил, действующих на элемент вещества с массой ~ \Delta m и зарядом ~ \Delta e на поверхности мюона, видно, что выполняется неравенство:

\frac { G_a m_\mu \Delta m }{r^2}> \frac {e \Delta e }{4 \pi \varepsilon_0 r^2}, \quad m^2_\mu > m_p m_e,

при условии, что \frac { \Delta m }{\Delta e }= \frac { m_\mu }{ e }, и с учётом определения постоянной сильной гравитации ~ G_a.

Мюон является заряженным нюоном минимально возможной массы, равной m _{\mu}= 1,88 \cdot 10^{-28} кг, и при такой массе вещество мюона оказывается нестабильным – в среднем через  t _{\mu}= 2,197 \cdot 10^{-6} секунд мюон распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино. На уровне звёзд это выглядит так, как если бы заряженный сверхлёгкий белый карлик с массой ~M _{wd}= m _{\mu} {\Phi} =0,15 M_s за время до  t _{wd}= \frac {t _{\mu} P}{S} = 4,2 миллиона лет распадался бы с излучением и образованием отрицательно заряженного объекта малой плотности. Данное время можно связать со временем охлаждения белого карлика, по истечении которого происходит рекомбинация ионов и электронов вещества, падение давления в недрах звезды и трансформация фазового состояния вещества от ион-электронной плазмы к горячему частично-ионизованному атомному газу с увеличением объёма звезды. Газовая оболочка звезды как целое не способна за счёт обычной гравитации удержать на себе какой-либо значительный электрический заряд, и заряженное вещество сбрасывается со звезды. В то же время, заряженный белый карлик или нейтронная звезда могут удержать на себе звёздный заряд величиной ~ Q_s  = e (\Phi  P)^{0,5} S = 5,5 \cdot 10^{18} Кл, так как электроны удерживаются в атомах и ионах электрическими силами, а сами атомы вещества и нуклоны кроме обычной гравитации дополнительно скрепляются друг с другом сильной гравитацией.

Согласно теоретическим расчётам, белый карлик с массой ~M _{wd}= 0,15 M_s должен иметь радиус порядка ~R _{wd}= 0,022 R_s. Разделив это значение на коэффициент подобия по размерам Р , получим оценку радиуса мюона и его плотности:

r _{\mu} = 1,09 \cdot 10^{-12} м,

 

\rho_{\mu} = \frac {3  m _{\mu} }{ 4 \pi r^3_{\mu} }=  3,5 \cdot 10^{7} кг/м3 .

Вблизи протона мюон должен распасться под действием сильной гравитации и образовать диск вокруг протона, аналогично диску электрона согласно субстанциональной модели электрона. Плотность вещества протона \rho_p = \frac {3 m _p }{ 4 \pi r^3_p }=  6 \cdot 10^{17} кг/м3 существенно превышает плотность мюона, здесь в качестве радиуса протона взято значение  r_p = 8,73 \cdot 10^{-16}м. [6] Предел Роша, при котором мюон должен распасться вблизи протона, определяется формулой:

R _{\mu} =  r_p \left( \frac {2 \rho_p }{\rho_{\mu} }\right)^{1/3} = 2,8 \cdot 10^{-12} м.

В результате мюонный диск расположен гораздо ближе к ядру, чем электронный диск в атоме водорода, для которого характерным является радиус Бора  a _B = 5,29 \cdot 10^{-11} м, как соответствующий электрону предел Роша.

Влияние на космологическую модель

В наблюдаемых галактиках число белых карликов не превышает 10 % от числа всех звёзд, а число нейтронных звёзд приблизительно в 10 -100 раз меньше, чем белых карликов. Длительная эволюция звёздных систем, с учётом уменьшения числа белых карликов за счёт столкновений с нейтронными звёздами, может привести к тому, что в далёком будущем в Метагалактике может остаться большое количество белых карликов, сравнимое с количеством нейтронных звёзд. Если перенести эту картину на уровень элементарных частиц, следует ожидать, что помимо вещества в виде атомов и электронов в космическом пространстве должна быть значительная доля нюонов как аналогов белых карликов.

С помощью коэффициентов подобия можно вычислить отношение средней плотности нуклонного вещества в Метагалактике к суммарной плотности праонного вещества, равное 0,61. [7] Нуклоны состоят из праонов, и получается, что часть праонного вещества не входит в состав нуклонов. Приблизительно 39 % всей массы должна быть в другом виде, в частности, в виде нюонов. В результате мы можем считать нюоны хорошими кандидатами на роль нейтральных частиц тёмной материи, не имеющих заряда и проявляющих себя через гравитационное воздействие.

Кроме этого, нюоны существенно больше по размерам, чем нуклоны, что позволяет предложить новую гипотезу утомлённого света для объяснения эффекта космологического красного смещения. Суть гипотезы в том, что свет рассеивается на частицах среды согласно закону Бугера-Ламберта-Бера и теряет свою энергию. Если это считать справедливым для каждого отдельного фотона, то для экспоненциального уменьшения энергии фотона можно записать:

~W = W_0  \exp (\sigma n d),

 

~W = W_0  \exp (H d/c),

где ~ W_0  есть энергия фотона при его возникновении, ~ \sigma обозначает сечение взаимодействия фотонов с нюонами, равное по порядку величины сечению нюона, ~ n– средняя концентрация нюонов в космическом пространстве, ~ d– путь, пройденный фотоном, ~ H– постоянная Хаббла, ~c– скорость света.

Отсюда следует соотношение вида ~ H = \sigma n c. Если эффект красного смещения вызывается взаимодействием фотонов с нюонами, то красное смещение может быть нерегулярным в разных направлениях на небе, как следствие разной средней концентрации нюонов на пути фотонов. Такой эффект действительно наблюдается, приводя к отличающимся почти в два раза значениям постоянной Хаббла у исследователей, изучающих разные участки неба. Рассеяние фотонов на нюонах позволяет объяснить также наблюдаемое изменение количества фотонов от удалённых сверхновых, выражающееся в том, что эти сверхновые кажутся на 10-15 % дальше, чем они есть на самом деле, а их звёздные величины в максимуме блеска отличаются от звёздных величин близких сверхновых. Кроме этого, нюоны могут термализовать звёздное излучение, превращая его в наблюдаемое реликтовое излучение и выступая в роли глобального чёрного тела. Указанные свойства нюонов подвергают сомнению модель Большого взрыва.

См. также

Ссылки

1. Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

2. Wang Zhongxiang, Chakrabarty Deepto, Kaplan David L. A Debris Disk Around An Isolated Young Neutron Star. arXiv: astro-ph / 0604076 v1, 4 Apr 2006.

3. M.A. Barstow, H. E. Bond, M.R. Burleigh, S.L. Casewell, J. Farihi, J.B. Holberg, I. Hubeny. Refining our knowledge of the white dwarf mass-radius relation. Eds Patrick Dufour. Proceedings of the 19th European White Dwarf Workshop, Montreal, 11-15 August, 2014.

4. Федосин С. Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, ISBN 5-8131-0012-1, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв.

5. Fedosin S.G. The Integral Energy-Momentum 4-Vector and Analysis of 4/3 Problem Based on the Pressure Field and Acceleration Field. American Journal of Modern Physics. Vol. 3, No. 4, 2014, pp. 152-167. http://dx.doi.org/10.11648/j.ajmp.20140304.12. // Интегральный 4-вектор энергии-импульса и анализ проблемы 4/3 на основе поля давления и поля ускорений.

6. Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic Journal, 2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363. // Радиус протона в самосогласованной модели.

7. Fedosin S.G. Cosmic Red Shift, Microwave Background, and New Particles. Galilean Electrodynamics, Spring 2012, Vol. 23, Special Issues No. 1, P. 3 – 13; статья на русском языке: Красное смещение и космическое микроволновое фоновое излучение как следствие взаимодействия фотонов с новыми частицами.

 

Внешние ссылки

§  Nuon

 

Источник: http://sergf.ru/nu.htm

На список страниц