CC BY
15
УДК 523.07
КИРАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НЕЙТРИНО ПРИ ВЗРЫВАХ СВЕРХНОВЫХ
В. А. Царев
Обсуждается возможность кирального воздействия на молекулы межзвездных газопылевых облаков, обусловленного взаимодействием с потоками нейтрино от сверхновых.
В последнее время, в связи с недавними открытиями в геологии и в космофизике, возродился интерес к "космическим сценариям" возникновения жизни на Земле, и тесно связанной с ней "киральной чистоте" биосферы (смотри, например, обзоры [1 4]). Глобальным фактором, действующим во всей Вселенной, могло бы быть нарушающее четность слабое взаимодействие, приводящее к расщеплению уровней энантиомеров. Как показывают расчеты, этот фактор действует в "правильном направлении" (т.е. делает предпочтительными левые аминокислоты и правые сахара), однако величина расщепления очень мала АЕ ~ Ю-20 эВ. В качестве локальных космических факторов, приводящих к избытку одного из зеркальных изомеров, предлагались (а) электромагнитное излучение от намагниченных вращающихся объектов типа нейтронных звезд или белых карликов [5, 6], или (б) поляризованные электроны и позитроны, которые могут возникать при взрывах сверхновых в результате радиоактивных распадов нестабильных изотопов, выбрасываемых в космическое пространство, или в процессах нейтринорождения 1> + N —> е + N [7]. Предполагается, что циркулярно поляризованное элек тромагнитное излучение или спиральные /3-частицы могли бы селективно разрушать молекулы той или иной киральности в газопылевых облаках в межзвездном пространстве.
В настоящей работе рассматривается еще одна возможность кирального воздействия, связанная с нейтрино от сверхновых, а именно - прямое взаимодействие нейтрино с киральными молекулами газопылевого облака. Оценим как асимметрию, обусловленную селективным нейтринным радиолизом, так и расщепление уровней киральных молекул в нейтринном потоке.
Напомним, что взрыв типичной сверхновой сопровождается испусканием примерно 10°8 нейтрино с энергиями 5-10 МэВ. При этом на начальной ("динамической") стадии, длящейся около Д^ = 10же, возникают в основном электронные нейтрино, число которых составляет примерно 1% от полного, тогда как 99% нейтрино (с при мерно равным количеством нейтрино и антинейтрино всех ароматов) испускаются на последующей "тепловой" стадии, которая длится Дг2 = 1 — 10с [8]. Соответственно, на расстоянии Л от сверхновой плотности потока электронных нейтрино на динамической стадии и каждого из типов нейтрино или антинейтрино на тепловой стадии примерно равны и составляют
1057(Я/1 см)~2 слГ2с-1.
Плотность гамильтониана взаимодействия нейтрино со свободным электроном [9] дается выражением
Н = (СЛ/2){*7а(1 +75И{ё7а[(1 +75)5+ + (1 ~ 7в)*-]е}, (1)
где С ~ 10-5/т2 - константа слабого взаимодействия, тр - масса протона, д± = (ду ± дл)/2 соответствуют вкладам левой и правой компонент электронного тока. В Стандартной Модели векторная и аксиальная константы выражаются через угол Вай-нберга В: ду — ±1/2 + 2вт2 в, дл — ¿1/2, где верхний знак соответствует 1/е, а нижний или иТ.
Из (1) следует, что при рассеянии нейтрино на левом и правом электронах возникает разность энергий, пропорциональная плотности нейтринного потока 3 [10]:
ДД(1/) = С21/23 « 3.8 • Ю-42 эВЗ{см~2с-*). (2)
Полное сечение рассеяния нейтрино на электроне [9]
<т(1/) = 2<7О(4+0!/3), (3)
где <т0 = (С21тт)теЕ ~ 8.6- Ю-42 см2(Е/1 ГэВ) и первое и второе слагаемые в скобке отвечают вкладам рассеяния на левом и правом электронах соответственно. Аналогично для антинейтрино
АЕ(й) = -ДВД, (4)
а в выражении для сечения (3) следует поменять местами (+) и ( —).
Из (3) разность сечений рассеяния нейтрино и антинейтрино на левом и правом электронах
Да(|/) = 2<ть(<7+ — </1/3), Д<т(*) = 2ст0(д1/3 - дг_). (5)
В симметричном пучке нейтрино и антинейтрино суммарная разность сечений
Да = Aa{v) + Aa(i?) = (ф)(т0дудА (6)
и асимметрия при рассеянии на электроне
А(е) = А(т/(сt{v) + a(v)) = 9v9a/(9v + 9а)- (?)
В силу приближенной симметрии потоков нейтрино и антинейтрино на тепловой стадии сверхновой и соотношения (4), вклад в спин-зависимую разность энергий будет давать в основном взаимодействие электронов с электронными нейтрино на динамической стадии.
Напротив, в спин-зависимую разность сечений (при учете теоретического значения параметра sin2 в = 0.25, при котором ду = 0 для v^ и ит) основной вклад дают электронные нейтрино и антинейтрино от тепловой стадии, при этом значение асимметрии равно 2/5.
Перейдем теперь от электронов к киральным молекулам. Радиолиз можно рассматривать как выбивание связывающего электрона с типичной энергией несколько эВ. Расчеты, проведенные в [11] для радиолиза под действием /?-частиц малых энергий (порядка потенциала ионизации Е0), позволяют интерпретировать асимметрию радиолиза как результат отличной от нуля "плотности спиральности" h орбитального электрона, возникающую благодаря спин-орбитальному взаимодействию в киральной молекуле
h ос r¡(aZ)\ (8)
где Tj = Ю-2 —10_3 - фактор молекулярной асимметрии, а - постоянная тонкой структуры и Z - электрический заряд наиболее тяжелого атома в асимметричном окружении в молекуле (например, для аминокислот Z — 6). При увеличении энергии в молекулярной асимметрии появляется дополнительный фактор ос (E/Eq)~Используя результаты [11] также для рассеяния нейтрино, найдем асимметрию рассеяния нейтрино на киральной молекуле при интересующих нас мэвных энергиях
А(мол) « A(e)h/(E/E0) ~ 1(ГП - Ю-12. (9)
Очевидно, что предлагаемое здесь "прямое" киральное воздействие нейтрино является более сильным, чем рассмотренное [7] "двухступенчатое" через рождение поляризованных электронов и позитронов, поскольку в последнем случае возникает дополнительная малость, связанная со вторичным взаимодействием.
Для оценки эффекта предположим, что сверхновая находится внутри пылевого облака с размером R = 1 — 10 пк, плотностью п — 104 молекул/см3, и долей органики С = 10~3. С учетом величины асимметрии (9), число столкновений, необходимое для статистической значимости эффекта, составляет N ос А2 ос Ю10 — 1012, тогда как полное число взаимодействий электронных нейтрино и антинейтрино с органически ми молекулами равно
N ~ (1/3)Ntuot<rn(R « 1032 - 1033,
т.е. эффект является статистически значимым.
В том же одноэлектронном приближении получим, что зеркальные изомеры различной киральности приобретают в потоке нейтрино на динамической стадии сверхновой разность энергий
АЕ » 0.4(Я/1 км)~2эВ. (10)
Если считать, как и прежде, что взрыв сверхновой произошел внутри пылевого облака, то ''киральный импульс" от взаимодействия с нейтринным потоком может оказаться существенным вплоть до расстояний порядка 10го км, где (10) превосходит эффект нарушающего четность слабого взаимодействия. (Для сравнения заметим, что разность энергий электронов на Земле, обусловленная потоком солнечных нейтрино, составляет сх Ю-38 эВ, а вблизи реактора ос 10~35 эВ. В силу симметрии "моря" реликтовых нейтрино и антинейтрино, движение Земли не приводит к спин-зависимому расщеплению уровней, в противоположность оценкам [10].)
Автор благодарен Н. И. Старкову за полезные обсуждения.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Mason S. Chem. Soc. Rev., 17, 347 (1988).
[2] M а с D e г m о t t A. J., Tranter G. E. Croatica Chemica Acta, 62 (2A), 165 (1989).
[3] Гольданский В. И., Кузьмин В. В. УФН, 157, в. 1, 3 (1989).
[4] К е s z t h е 1 у i L. Quarterly Rev. Biophysics, 28, 473 (1995).
[5] В о n n e r W. A. Orig. Life Evol. Biosphere, 21, 59 (1991).
[6] Greenberg J. M. et al. J. Biol. Phys., 20, 61 (1994).
[7] С 1 i n e D. "Chemical Evolution: Physics of the Origin and Evolution of Life" Ed. J. Chela-Flores and F. Raulin, Klüver Acad. Publishers, 251 (1995).
[8] Б а к а л Дж. Нейтринная астрофизика, М., Мир, 1993.
[9] О к у н ь J1. Б. Лептоны и кварки, М., Наука, 1981.
[10] S t о d о 1 s к у L. Phys. Rev. Letters, 34, вып. 2, 110 (1975).
[11] Н е g s t г о m R. A. Nature, 297, 643 (1982).
Поступила в редакцию б ноября 1998 г.
