Forskare från Institutet för kärnforskning vid Ryska vetenskapsakademin har formulerat en ny fysisk modell som låter dig skapa den mängd mörk materia som krävs för forskning från neutrino. Arbetet utfördes som en del av ett projekt som stöds av ett bidrag från Russian Science Foundation, och dess resultat publicerades i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) och presenterades vid den sjätte internationella konferensen om nya gränser i fysik.
Mörkmaterial utgör 25% av den totala substansen i universum, avger inte elektromagnetisk strålning och interagerar inte direkt med den. Ingenting är känt med säkerhet om arten av mörk materia, förutom att det kan klustera - samlas till kondenser. För att beskriva mörk materia utvidgar astrofysiker Standardmodellen för partikelfysik, en etablerad teori inom teoretisk fysik som beskriver de elektromagnetiska, svaga och starka interaktionerna. I dag har forskare kommit fram till att denna modell inte helt beskriver verkligheten, eftersom den inte tar hänsyn till neutrino-svängningar - omvandlingen av olika typer av neutriner till varandra.
Neutrino är grundläggande partiklar som inte har någon elektrisk laddning (neutral). Neutrino deltar endast i svaga och gravitationsinteraktioner, eftersom intensiteten i deras interaktion med vad som helst är mycket låg. Neutrino är "vänster" och "höger". Sterila neutrinoer kallas "rätt", de, till skillnad från andra, ingår inte i standardmodellen och interagerar inte med partiklar - bärare av grundläggande interaktioner av naturen (gauge bosons). I detta fall blandas sterila neutrino med aktiva neutrino, som är "vänsterhänt" partiklar och finns i standardmodellen. Aktiva neutrinoer inkluderar alla typer av neutrino, förutom sterila.
Neutrino-detektor, insida / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Forskare har studerat röntgenspektrallinjen, nyligen upptäckt i strålning från ett antal galaxkluster. Denna linje motsvarar fotoner med en energi på 3,55 keV. Vanligtvis skulle detta innebära att dessa atomer avger dessa fotoner på grund av övergången av en elektron från en nivå till en annan, emellertid finns ämnen med en skillnad mellan nivåerna 3,55 keV inte i naturen. Forskare har föreslagit att denna röntgenlinje skulle kunna uppstå på grund av en steril neutrino förfall till en foton och en aktiv neutrino. Så författarna bestämde att massan av den sterila neutrinoen var ungefär 7,1 keV. Som jämförelse är massan för en proton 938 272 keV.
Installation & quot; Troitsk Nu-Mass & quot; / Institute for Nuclear Research RAS
Sterila neutrino kan påvisas i markbaserade laboratorier som Troitsk Nu-Mass och KATRIN. Dessa installationer syftar till att söka efter sterila neutrinoer med hjälp av det radioaktiva förfallet av tritium (den "tunga" isotopen av väte 3H). Vid Troitsk Nu-Mass-anläggningen, belägen i staden Troitsk, Moskva-regionen, erhölls de starkaste begränsningarna för den kvadratiska blandningsvinkeln. Blandningsvinkeln är en måttlös kvantitet som kännetecknar amplituden för neutrinoövergången från ett tillstånd till ett annat. Den uppmätta kvantiteten är kvadratet för denna vinkel, eftersom den bestämmer sannolikheten för övergång i en enda interaktion.
”Det här förslaget föreslår en modell där svängningar, dvs födelsen av sterila neutrinoer, inte börjar i de tidiga stadierna av universums utveckling, men mycket senare. Detta leder till att färre sterila neutrinoer produceras, vilket innebär att blandningsvinkeln kan bli större. Detta uppnås genom förändringar i den dolda sektorn. Den dolda sektorn i modellen består av sterila neutrinoer och ett skalfält. Det skalära fältet ansvarar för den kvalitativa förändringen (fasövergång) av sektorsstrukturen. Steril neutrino-produktion är möjlig först efter denna fasövergång. Därför föds mindre sterila neutrinoer i vår modell, som gör det möjligt för oss att producera den erforderliga mängden mörk substans från sterila neutrinoer med en massa i storleksordningen kiloelektronvoltar med en stor kvadrat av blandningsvinkeln upp till 10-3, sade en av författarna till artikeln, Anton Chudaykin. Forskningsassistent vid Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences.
Kampanjvideo:
Som forskare noterar är själva möjligheten att producera den erforderliga mängden mörk materia från neutrinoer av en viss massa intressant ur kosmologins synvinkel.
Stjärnbilden av cancer från Subaru-teleskopet. Konturlinjer indikerar fördelningen av mörk materia / National Astronomical Observatory of Japan och Hyper Suprime-Cam Project
Faktum är att tidigare kallt mörkt material, helt bestående av tunga och inaktiva partiklar som inte förhindrar bildandet av dvärggalaxier på något sätt, väl beskrev hela uppsättningen experimentella data. Med förbättringen av experimentet visade det sig att det faktiskt finns färre sådana galaxer än väntat. Detta betyder att mörk materia, troligtvis, inte är allt kall, den innehåller blandningar av varm mörk substans, som består av snabbare och lättare partiklar. Det visar sig att teorin och forskningsresultaten skilde sig åt, och forskare behövde förklara varför detta hände. De drog slutsatsen att mörk materia innehåller en liten fraktion av ljussterila neutrino, vilket förklarar bristen på dvärgssatellitgalaxier.
Blandningsvinkelkvadratparameter Rymdbegränsningar - “ massa av steril neutrino ” i den föreslagna modellen (färgen representerar andelen sterila neutrinoer i den totala energitätheten för mörkt material) och från direkta sökningar (gröna linjer). / Anton Chudaykin
Lätt sterila neutrino kan dock inte utgöra allt mörkt material. Den senaste forskningen på detta område säger att andelen av ljuskomponenten i den totala densiteten för mörk materia idag inte bör överstiga 35%.
"Den positiva signalen som tas emot i framtiden från någon av dessa installationer kan vara ett argument till förmån för den föreslagna modellen, vilket kommer att leda till en kvalitativt ny förståelse av arten av mörka materialpartiklar i universum," avslutade forskaren.
Arbetet utfördes i samarbete med forskare från Moskva Institutet för fysik och teknik och University of Manchester (Storbritannien).
