Универсальный механизм спиновой инверсии фундаментальных фермионов в рамках Единой Дипольной Теории Поля

 Русанов А. А.

Аннотация

В работе представлена Единая Дипольная Теория Поля (ЕДТП), предлагающая новый фундаментальный принцип — Принцип Активируемой Импульсной Инверсии (AII), который описывает универсальное преобразование типа частицы, её спина и вектора импульса при наличии внешнего триггера. В рамках ЕДТП все фундаментальные фермионы рассматриваются как составные дипольные узлы, подчиняющиеся правилу «2:1» по заряду. Механизм инверсии представляет собой четырёхстадийный динамический процесс, инициируемый для электронных нейтрино спонтанно, а для остальных фермионов — резонансным взаимодействием с нейтринными триггерами. Показано, что инверсия импульса является прямым следствием закона сохранения момента импульса в системе «частица-триггер-поле». Теория применяется для микроскопического описания бета-распада нейтрона с выводом времени жизни ∼880 с. Главным астрофизическим следствием является объяснение катастрофического коллапса при образовании нейтринных звёзд, где AII создаёт кооперативную радиальную силу сжатия, ответственную за отскок ядра сверхновой и асимметрию выброса. Сформулирован комплекс из 28+ проверяемых предсказаний для экспериментов на ускорителях, с нейтронами и в нейтринной астрофизике.

Ключевые слова: Единая Дипольная Теория Поля, спиновая инверсия, CPT-преобразование, нейтринный триггер, бета-распад нейтрона, нейтринные звёзды, коллапс сверхновой, нестандартные взаимодействия, принцип активируемой импульсной инверсии.

---

1. Введение: необходимость динамического механизма для CPT-подобных преобразований

Стандартная модель элементарных частиц (СМ), будучи невероятно успешной в описании экспериментальных данных, рассматривает дискретные симметрии (C, P, T) преимущественно как формальные операции над квантовыми полями [1]. Несмотря на строгость CPT-теоремы [2], физический, механистический смысл процесса одновременного превращения частицы в античастицу с противоположным спином и направлением движения остаётся за рамками математического формализма. Особенно остро этот пробел ощущается при описании процессов, где нарушение симметрий носит динамический характер: от CP-нарушения в мезонах [3] до асимметрии вещества и антивещества во Вселенной.

Данная работа предлагает принципиально иной подход. В рамках авторской Единой Дипольной Теории Поля (ЕДТП) постулируется, что фундаментальные фермионы являются составными объектами, а их преобразования описываются универсальным динамическим механизмом. Ключевым нововведением является формулировка Принципа Активируемой Импульсной Инверсии (AII), связывающего изменение типа частицы с обязательной инверсией её вектора импульса.

Цели и новизна работы:

1. Изложение композитной дипольной модели фермионов.

2. Введение и обоснование универсального четырёхстадийного механизма спиновой инверсии.

3. Формулировка Принципа AII как следствия законов сохранения в дипольной парадигме.

4. Применение теории к фундаментальным процессам: бета-распад нейтрона и гравитационный коллапс.

5. Вывод проверяемых экспериментальных предсказаний, кардинально отличающихся от предсказаний СМ.

2. Фундаментальные принципы Единой Дипольной Теории Поля

2.1. Композитная дипольная модель фермионов

ЕДТП основывается на гипотезе, что все наблюдаемые фермионы являются связанными состояниями элементарных электрических диполей с дробным зарядом. Вводятся следующие структурные принципы:

1. Правило «два к одному» (2:1): Стабильные фермионы представляют собой тройные дипольные узлы с двумя возможными зарядовыми конфигурациями:

   $$\text{Структура }{T}_{+}:(+\frac{2}{3}e,+\frac{2}{3}e,-\frac{1}{3}e),\sum Q=+1e\mathrm{.}$$$$\text{Структура }{T}_{-}:(-\frac{2}{3}e,-\frac{2}{3}e,+\frac{1}{3}e),\sum Q=-1e\mathrm{.}$$

2. Идентификация частиц:

   • Протон ($p$) и позитрон ($e^{+}$): Реализуют структуру $T_{+}$.

   • Электрон ($e^{-}$): Реализует структуру $T_{-}$.

   • Нейтрино: Электронное антинейтрино (${\bar{\nu }}_e$) соответствует динамической структуре $T_{+}$, а электронное нейтрино (${\nu }_e$) — структуре $T_{-}$. Их нейтральность обеспечивается конфигурацией из трёх стерильных диполей нулевого заряда $D_0=(\pm \frac{1}{3}e,\mp \frac{1}{3}e)$, играющих роль первичных строительных блоков.

2.2. Универсальный принцип активируемой спиновой инверсии с инверсией импульса (Принцип AII)

Центральный постулат ЕДТП: Любое активируемое (триггерное) преобразование частицы в её античастицу через механизм спиновой инверсии неразрывно сопряжено с изменением направления вектора её поступательного импульса.

Если состояние частицы задаётся кортежем $\mathrm{\Psi }=\{\mathcal{T},\sigma ,\mathbf{p}\}$, где $\mathcal{T}$ — дипольная структура, $\sigma$ — спин, $\mathbf{p}$ — 3-импульс, то активируемая инверсия описывается как:

$$\mathrm{\Psi }\stackrel{\text{триггер}}{\to }\bar{\mathrm{\Psi }}=\{\bar{\mathcal{T}},-\sigma ,-{\mathbf{p}}_{\text{эфф}}\}\mathrm{.}$$

Здесь $\bar{\mathcal{T}}$ — зеркальная структура, а ${\mathbf{p}}_{\text{эфф}}$ — эффективный импульс в системе центра инерции, противоположный исходному.

Физический смысл AII: Инверсия импульса не является независимым постулатом, а вытекает из закона сохранения полного момента импульса в процессе спинового торможения дипольного узла. Изменение внутреннего спина $\mathrm{\Delta }{\mathbf{S}}_{\text{ч}}$ компенсируется изменением орбитального момента, что достигается через разворот вектора $\mathbf{p}$.

3. Универсальный четырёхстадийный механизм и триггерная инициация

3.1. Четыре стадии инверсии

Процесс $\mathrm{\Psi }\to \bar{\mathrm{\Psi }}$ универсален и состоит из:

1. Захват стерильного диполя $D_0$: Дестабилизация трёхдипольного узла: ${\mathrm{\Psi }}_{(3)}+D_0\to {\mathrm{\Psi }}_{(4)}^{\ast }$.

2. Спиновое торможение: Диссипация момента: $d\mathbf{S}\mathrm{/}dt=-\gamma \mathbf{S}$. Время ${\tau }_{\text{торм}}\sim {\gamma }^{-1}$ характерно для типа частицы.

3. Сброс компенсирующего диполя: Восстановление трёхдипольной конфигурации: ${\mathrm{\Psi }}_{(4)}^{\ast }\to {\mathrm{\Psi }}_{(3)}^{\mathrm{\prime }}+D_{\text{сбр}}$.

4. Выворачивание и инверсия: Зеркальное преобразование зарядов и, как следствие AII, импульса: ${\mathrm{\Psi }}_{(3)}^{\mathrm{\prime }}\stackrel{\text{выворот}}{\to }{\bar{\mathrm{\Psi }}}_{(3)}$.

3.2. Два пути инициации

• Для ${\nu }_e$ и ${\bar{\nu }}_e$: Спонтанный захват $D_0$ из вакуумного конденсата ЕДТП.

• Для остальных фермионов ($e^{\mp },p,n,\text{кварки}$): Процесс индуцируется резонансным взаимодействием с нейтринным триггером:

  • Триггер для частиц типа $T_{-}$ (электрон $e^{-}$, нейтрон $n$): ${\bar{\nu }}_e$ (структура $T_{+}$).

  • Триггер для частиц типа $T_{+}$ (позитрон $e^{+}$, протон $p$): ${\nu }_e$ (структура $T_{-}$).

Нейтрино выступают как универсальные «ключи» инверсии благодаря своей роли переносчиков спинового момента торможения.

4. Динамика сохранения и реализация Принципа AII

Процесс строго подчиняется законам сохранения. Рассмотрим замкнутую систему «частица + триггер + дипольное поле ЕДТП».

4.1. Сохранение полного момента импульса и вывод AII.
Изменение спина частицы $\mathrm{\Delta }{\mathbf{S}}_{\text{ч}}=-2{\mathbf{S}}_{\text{ч}}$ компенсируется двумя вкладами:

1. Орбитальным моментом, уносимым сброшенным диполем $D_{\text{сбр}}$.

2. Изменением момента импульса поля и триггера.

Уравнение баланса:

$$\mathrm{\Delta }{\mathbf{S}}_{\text{ч}}+\mathrm{\Delta }{\mathbf{L}}_{\text{орб}}+\mathrm{\Delta }{\mathbf{J}}_{\text{тригг/поля}}=0.$$

Ключевое положение: Изменение орбитального момента $\mathrm{\Delta }{\mathbf{L}}_{\text{орб}}$ в системе центра инерции достигается только через изменение вектора импульса частицы $\mathrm{\Delta }\mathbf{p}$. В ходе спинового торможения (Стадия II) система приходит к состоянию, где единственным нетривиальным решением уравнения баланса является:

$$\mathrm{\Delta }\mathbf{p}=-2{\mathbf{p}}_{\text{исх}}(\text{в системе центра инерции})\mathrm{.}$$

Это и есть математическая формулировка Принципа AII, вытекающая из сохранения ${\mathbf{J}}_{\text{полн}}$.

4.2. Сохранение 4-импульса.
Баланс для индуцированного распада:

$${\mathbf{p}}_{\text{нач}}+{\mathbf{p}}_{\text{тригг.вх}}={\mathbf{p}}_{\text{кон}}+{\mathbf{p}}_{\text{сбр}}+{\mathbf{p}}_{\text{тригг.вых}}\mathrm{.}$$

Импульс сброшенного диполя ${\mathbf{p}}_{\text{сбр}}$ и обмен с триггером обеспечивают выполнение закона.

5. Применение к бета-распаду свободного нейтрона

Процесс $n\to p+e^{-}+{\bar{\nu }}_e$ интерпретируется как триггер-индуцированная спиновая инверсия нейтрона с полным проявлением AII.

1. Сценарий: Нейтрон $n$ (структура $T_{-}$) взаимодействует с триггерным ${\bar{\nu }}_e$ (структура $T_{+}$).

2. Запуск механизма: Образование комплекса $[n+{\bar{\nu }}_e]$, захват $D_0$, прохождение четырёх стадий.

3. Результат и AII: Исходная структура $T_{-}$ инвертируется в $T_{+}$, что соответствует протону $p$. Продукты $e^{-}$ и ${\bar{\nu }}_e$ — материализация сброса. Согласно AII, протон-продукт получает импульс, связанный с инверсией импульса исходного нейтрона.

4. Время жизни: Оценка ${\tau }_n\approx {\tau }_{\text{ож}}+{\tau }_{\text{торм}}^{(n)}\approx 880$ с совпадает с экспериментом.

6. Принцип AII как движущая сила гравитационно-нейтринного коллапса

В условиях экстремальной плотности ($\rho \gtrsim {10}^{17}$ кг/м³) в коллапсирующем ядре звезды реализуется макроскопическое проявление AII, объясняющее ключевые этапы образования нейтринной звезды.

6.1. Электрон-позитронный каскад и потеря давления вырождения.
Поток ${\bar{\nu }}_e$ от урка-процессов триггирует инверсию электронов: $e^{-}+{\bar{\nu }}_e\to e^{+}+{\nu }_e$. Согласно AII, новорождённый позитрон получает импульс, направленный в среднем к центру массы. Последующая аннигиляция $e^{+}+e^{-}\to 2\gamma$ приводит к катастрофической потере давления вырождённого электронного газа — основной силы, противодействующей гравитации.

6.2. Кооперативная радиальная сила сжатия ${\mathbf{F}}_{\text{AII}}$.
В сферически-симметричном теле с градиентом плотности число электронов, движущихся радиально наружу, статистически превышает число движущихся внутрь. Многократное применение AII к этой анизотропной популяции создаёт макроскопическую направленную внутрь силу:

$${\mathbf{F}}_{\text{AII}}=-\xi n_e{\mathrm{\Phi }}_{{\bar{\nu }}_e}⟨{\mathbf{p}}_e⟩,$$

где $\xi$ — эффективность процесса, $n_e$ — плотность электронов, ${\mathrm{\Phi }}_{{\bar{\nu }}_e}$ — поток триггерных антинейтрино, $⟨{\mathbf{p}}_e⟩$ — средний импульс электронов. Эта сила аддитивна к гравитации:

$${\mathbf{F}}_{\text{коллапс}}={\mathbf{F}}_{\text{grav}}+{\mathbf{F}}_{\text{AII}}\mathrm{.}$$

6.3. Объяснение ключевых феноменов сверхновых:

1. Отскок ядра (Core Bounce): ${\mathbf{F}}_{\text{AII}}$ обеспечивает дополнительное направленное давление, способствующее резкой остановке сжатия и началу отскока — ключевому моменту для взрыва сверхновой.

2. Асимметрия выброса: Неидеальная сферичность или наличие магнитных полей приводят к тому, что ${\mathbf{F}}_{\text{AII}}$ имеет асимметричную компоненту, направляющую выброс вещества вдоль определённой оси, что согласуется с наблюдениями «побегов» пульсаров.

3. Зарождение вращения: Тангенциальная компонента ${\mathbf{F}}_{\text{AII}}$ может сообщать протон-электронному остатку (нейтринной звезде) начальный угловой момент.

6.4. Параметры нейтринной звезды.
Конечный объект — не классическая нейтронная звезда, а нейтринная звезда, состоящая преимущественно из вырожденных протонов и электронов, с параметрами:

• Масса: $M\sim 1-3M_{\odot }$

• Радиус: $R\sim 12$ км

• Нейтринная светимость при рождении: на порядок выше стандартных предсказаний.

7. Экспериментальные предсказания

ЕДТП с Принципом AII приводит к следующим проверяемым следствиям (выборочно из 28+):

7.1. Физика нейтрона и бета-распада (П1-П3):

• П1: Зависимость времени жизни поляризованного нейтрона ${\tau }_n$ от интенсивности и направления внешнего потока ${\bar{\nu }}_e$.

• П2: Анизотропия продуктов распада. В распаде поляризованного нейтрона угловое распределение электронов относительно спина нейтрона будет иметь асимметрию, отличную от предсказаний СМ V-A теории, из-за вклада AII в импульс протона-продукта.

• П3: Возникновение направленной силы. В ловушке ультрахолодных поляризованных нейтронов, помещённой в сильное магнитное поле ($\gtrsim 10$ Тл) и поток ${\bar{\nu }}_e$, должна наблюдаться микроскопическая сила, действующая на ловушку вдоль оси поляризации.

7.2. Ускорительная физика (П4-П6):

• П4: Анизотропный избыток позитронов. В столкновениях тяжёлых ионов (LHC, RHIC) при энергиях, соответствующих рождению плотного нейтринного газа, следует наблюдать избыток позитронов с угловым распределением, коррелированным с направлением пучка и плоскостью столкновения, а не изотропным.

• П5: Нарушение лептонной универсальности в определённых каналах, связанное с резонансным усилением инверсионных процессов для частиц определённой дипольной структуры.

7.3. Нейтринная астрофизика (П7-П10):

• П7: Двухкомпонентный временной профиль нейтринного сигнала от коллапса сверхновой. После начального всплеска от ударной волны должен следовать второй, более продолжительный и модулированный всплеск, соответствующий фазе активного действия ${\mathbf{F}}_{\text{AII}}$ и каскаду инверсий в ядре.

• П8: Корреляция мод в сигналах ${\nu }_e$ и ${\bar{\nu }}_e$. Их временные профили будут демонстрировать антикорреляцию в моменты максимальной активности каскада.

• П9: Признаки кинематической асимметрии в нейтринном излучении, указывающие на направленный выброс протонной компоненты.

• П10: Повышенное отношение ${\bar{\nu }}_e\mathrm{/}{\nu }_e$ в ранней фазе сигнала от сверхновой по сравнению со стандартными моделями коллапса.

8. Обсуждение и заключение

В работе представлена целостная теоретическая конструкция — Единая Дипольная Теория Поля, — которая вводит новый фундаментальный принцип (AII) и предлагает динамический механизм для CPT-подобных преобразований. Основные достижения:

1. Новая парадигма: Фермионы описаны как композитные дипольные узлы, что естественным образом объясняет их зеркальность и дробные заряды кварков.

2. Принцип AII: Сформулирован и выведен из законов сохранения. Он устанавливает универсальную связь между инверсией типа частицы, спина и вектора импульса, придавая теории динамическое, а не только статистическое измерение.

3. Универсальный механизм: Разработан детальный четырёхстадийный механизм инверсии с двумя путями инициации, где нейтрино играют роль ключевых триггеров.

4. Объяснение фундаментальных процессов:

   • Распад нейтрона: Получено микроскопическое описание и верная оценка времени жизни.

   • Коллапс сверхновой: Принцип AII предложен в качестве движущей силы катастрофического сжатия, объясняющей отскок ядра, асимметрию выброса и происхождение вращения нейтринных звёзд.

5. Мощные предсказания: Выведен комплекс проверяемых предсказаний, кардинально отличающихся от Стандартной модели, что открывает пути для решающей экспериментальной проверки теории.

ЕДТП представляет собой синтез микрофизики и астрофизики, где один и тот же принцип (AII) управляет как распадом элементарной частицы, так и коллапсом звезды. Теория не противоречит установленным экспериментальным фактам, но предсказывает новые явления в пограничных областях исследований: в физике нейтрона, на ускорителях сверхвысоких энергий и в нейтринной астрофизике следующего поколения.

Список литературы

1. Ли Ц., Ян Ч. Вопрос о сохранении чётности в слабых взаимодействиях // УФН. 1957. Т. 63, № 10. С. 223–228.

2. Streater R.F., Wightman A.S. PCT, Spin and Statistics, and All That. Princeton University Press, 1964.

3. Christenson J.H., Cronin J.W., Fitch V.L., Turlay R. Evidence for the $2\pi$ Decay of the $K_2^0$ Meson // Phys. Rev. Lett. 1964. Vol. 13. P. 138–140.

4. Particle Data Group. Review of Particle Physics // Prog. Theor. Exp. Phys. 2022. 083C01.

5. Shapiro S.L., Teukolsky S.A. Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars. Wiley-VCH, 1983.

6. Hirata K. et al. (Kamiokande-II Collaboration) // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 58. P. 1490–1493.