Naukowcy z Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk sformułowali nowy model fizyczny, który pozwala na stworzenie takiej ilości ciemnej materii, jaka jest potrzebna do badań z neutrinami. Praca była realizowana w ramach projektu dofinansowanego z dotacji Rosyjskiej Fundacji Nauki, a jej wyniki zostały opublikowane w Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) oraz zaprezentowane na VI International Conference on New Frontiers in Physics.
Ciemna materia stanowi 25% całej materii we Wszechświecie, nie emituje promieniowania elektromagnetycznego i nie oddziałuje z nią bezpośrednio. Nic nie jest pewne na temat natury ciemnej materii, poza tym, że może się ona skupiać - gromadzić w kondensacjach. Aby opisać ciemną materię, astrofizycy rozszerzają Standardowy Model Fizyki Cząstek, ugruntowaną teorię w fizyce teoretycznej, która opisuje oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne. Dzisiaj naukowcy doszli do wniosku, że model ten nie opisuje w pełni rzeczywistości, ponieważ nie uwzględnia oscylacji neutrin - przemiany różnych typów neutrin w siebie.
Neutrina to podstawowe cząstki, które nie mają ładunku elektrycznego (obojętne). Neutrina uczestniczą tylko w oddziaływaniach słabych i grawitacyjnych, ponieważ intensywność ich interakcji z czymkolwiek jest bardzo mała. Neutrina są „lewe” i „prawe”. Neutrina sterylne nazywane są „właściwymi”, w przeciwieństwie do innych nie są zawarte w Modelu Standardowym i nie oddziałują z cząstkami - nośnikami podstawowych oddziaływań natury (bozony cechowania). W tym przypadku sterylne neutrina są mieszane z aktywnymi neutrinami, które są cząstkami „lewoskrętnymi” i są obecne w modelu standardowym. Aktywne neutrina obejmują wszystkie rodzaje neutrin, z wyjątkiem sterylnych.
Detektor neutrin, widok od wewnątrz / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Naukowcy zbadali linię widmową promieniowania rentgenowskiego, niedawno odkrytą w promieniowaniu z wielu gromad galaktyk. Linia ta odpowiada fotonom o energii 3,55 keV. Zwykle oznaczałoby to, że te atomy emitują te fotony w wyniku przejścia elektronu z jednego poziomu na inny, jednak w przyrodzie nie istnieją substancje o różnicy między poziomami 3,55 keV. Naukowcy zasugerowali, że ta linia rentgenowska może pojawić się w wyniku rozpadu sterylnego neutrina na foton i aktywne neutrino. Dlatego autorzy ustalili, że masa sterylnego neutrina wynosi około 7,1 keV. Dla porównania masa protonu wynosi 938 272 keV.
Instalacja & bdquo; Troitsk Nu-Mass & rdquo; / Instytut Badań Jądrowych RAS
Sterylne neutrina można wykryć w naziemnych laboratoriach, takich jak Troitsk Nu-Mass i KATRIN. Instalacje te mają na celu poszukiwanie sterylnych neutrin z wykorzystaniem radioaktywnego rozpadu trytu („ciężkiego” izotopu wodoru 3H). W zakładzie Troitsk Nu-Mass, położonym w mieście Troitsk w obwodzie moskiewskim, uzyskano najsilniejsze ograniczenia dotyczące kwadratu kąta mieszania. Kąt mieszania to bezwymiarowa wielkość, która charakteryzuje amplitudę przejścia neutrin z jednego stanu do drugiego. Mierzona wielkość jest kwadratem tego kąta, ponieważ określa prawdopodobieństwo przejścia w pojedynczym akcie interakcji.
„W artykule zaproponowano model, w którym oscylacje, czyli narodziny sterylnych neutrin, rozpoczynają się nie na wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, ale znacznie później. Prowadzi to do tego, że wytwarza się mniej sterylnych neutrin, co oznacza, że kąt mieszania może być większy. Osiąga się to poprzez zmiany w ukrytym sektorze. Ukryty sektor modelu składa się ze sterylnych neutrin i pola skalarnego. Pole skalarne odpowiada za jakościową zmianę (przejście fazowe) struktury sektora. Sterylna produkcja neutrin jest możliwa dopiero po przejściu tej fazy. Dlatego w naszym modelu rodzą się mniej sterylne neutrina, co pozwala nam produkować wymaganą ilość ciemnej materii ze sterylnych neutrin o masie rzędu kiloelektronowoltów z dużym kwadratem kąta mieszania do 10-3”- powiedział jeden z autorów artykułu, Anton Chudaykin. Asystent naukowy w Instytucie Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk.
Film promocyjny:
Jak zauważają naukowcy, sama możliwość wytworzenia wymaganej ilości ciemnej materii z neutrin o określonej masie jest interesująca z kosmologicznego punktu widzenia.
Konstelacja Raka z teleskopu Subaru. Kontury wskazują rozmieszczenie ciemnej materii / National Astronomical Observatory of Japan i Hyper Suprime-Cam Project
Faktem jest, że wcześniej zimna ciemna materia, całkowicie składająca się z ciężkich i nieaktywnych cząstek, które w żaden sposób nie przeszkadzają w tworzeniu się galaktyk karłowatych, dobrze opisała cały zestaw danych eksperymentalnych. Wraz z udoskonaleniem eksperymentu okazało się, że w rzeczywistości takich galaktyk jest mniej niż oczekiwano. Oznacza to, że najprawdopodobniej ciemna materia nie jest cała zimna, zawiera domieszki ciepłej ciemnej materii, która składa się z szybszych i lżejszych cząstek. Okazuje się, że teoria i wyniki badań rozeszły się, a naukowcy musieli wyjaśnić, dlaczego tak się stało. Doszli do wniosku, że ciemna materia zawiera niewielki ułamek jasnych sterylnych neutrin, co wyjaśnia niedobór karłowatych galaktyk satelitarnych.
Wiązania przestrzeni parametru kąta kwadratowego łączenia - “ masa sterylnego neutrina ” w proponowanym modelu (kolor reprezentuje udział neutrin sterylnych w całkowitej gęstości energii ciemnej materii) oraz z poszukiwań bezpośrednich (zielone linie). / Anton Chudaykin
Jasne sterylne neutrina nie mogą jednak stanowić całej ciemnej materii. Najnowsze badania w tej dziedzinie mówią, że udział składnika światła w całkowitej gęstości ciemnej materii obecnie nie powinien przekraczać 35%.
„Pozytywny sygnał otrzymany w przyszłości z którejkolwiek z tych instalacji może być argumentem na korzyść zaproponowanego modelu, który doprowadzi do jakościowo nowego zrozumienia natury cząstek ciemnej materii we Wszechświecie” - podsumował naukowiec.
Prace zostały przeprowadzone we współpracy z naukowcami z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii oraz Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania).