Нюон

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.

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 электроны – дисконам 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 M_s, а большинство их имеет массы около 0,6 M_s, где M_sобозначает массу Солнца. Разделив эти массы на Ф , получаем диапазон масс нюонов: от 2,1•10^-28кг до 1,63•10^-27кг, что несколько меньше массы протона, равной 1,6726•10^-27кг.

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

Белый карлик с массой 0,6 M_sимеет радиус порядка 0,0138 R_s. ^[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, – элементарный заряд, $~\varepsilon_{0}$ – электрическая постоянная, – масса протона, – масса электрона, 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 – постоянная Планка, $~ \hbar$ – постоянная 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, – постоянная 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 M_sдо 1,44 M_s. Разделив эту массу на коэффициент подобия по массе Ф , можно оценить максимальную массу нюона, готового превратиться в нейтрон: 1,767•10^-27кг. Для сравнения, масса нейтрона равна 1,675•10^-27кг.

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 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 .

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/м³существенно 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 есть энергия фотона при его возникновении, $~ \sigma$ обозначает сечение взаимодействия фотонов с нюонами, равное по порядку величины сечению нюона, – средняя концентрация нюонов в космическом пространстве, – путь, пройденный фотоном, – постоянная Хаббла, – 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, pp. 152-167 (2014). 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.