Oamenii de știință de la Institutul de Cercetări Nucleare din Academia Rusă de Științe au formulat un nou model fizic care vă permite să creați cantitatea de materie întunecată necesară cercetării de la neutrini. Lucrarea a fost realizată în cadrul unui proiect susținut de o subvenție de la Fundația Rusă pentru Știință, iar rezultatele sale au fost publicate în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) și prezentate la cea de-a 6-a Conferință internațională privind noile frontiere în fizică.
Materia întunecată constituie 25% din materia totală din Univers, nu emite radiații electromagnetice și nu interacționează direct cu ea. Nimic nu se cunoaște cu certitudine despre natura materiei întunecate, cu excepția faptului că se poate aglomera - se adună în condensări. Pentru a descrie materia întunecată, astrofizicienii extind modelul standard al fizicii particulelor, o teorie consacrată în fizica teoretică care descrie interacțiunile electromagnetice, slabe și puternice. Astăzi, oamenii de știință au ajuns la concluzia că acest model nu descrie pe deplin realitatea, deoarece nu ține cont de oscilațiile neutrinelor - transformarea diferitelor tipuri de neutrini unul în altul.
Neutrinii sunt particule fundamentale care nu au încărcătură electrică (neutră). Neutrinii participă numai la interacțiuni slabe și gravitaționale, deoarece intensitatea interacțiunii lor cu orice este foarte mică. Neutrinii sunt „stânga” și „dreapta”. Neutrinii sterili sunt numiți „drepți”, ei, spre deosebire de alții, nu sunt conținuți în modelul standard și nu interacționează cu particule - purtători de interacțiuni fundamentale ale naturii (bosoni de calibru). În acest caz, neutrinii sterili sunt amestecați cu neutrinoii activi, care sunt particule „la stânga” și sunt prezenți în modelul standard. Neutrinii activi includ toate tipurile de neutrini, cu excepția celor sterile.
Detector Neutrino, vedere din interior / Roy Kaltschmidt, Laboratorul Național Lawrence Berkeley
Oamenii de știință au studiat linia spectrală cu raze X, descoperită recent în radiații dintr-o serie de grupări de galaxii. Această linie corespunde fotonilor cu o energie de 3,55 keV. De obicei, acest lucru ar însemna că acești atomi emit acești fotoni datorită tranziției unui electron de la un nivel la altul, cu toate acestea, substanțele cu o diferență între nivelurile de 3,55 keV nu există în natură. Oamenii de știință au sugerat că această linie de raze X ar putea apărea din cauza descompunerii unui neutrin steril într-un foton și a unui neutrin activ. Deci, autorii au stabilit că masa neutrinului steril a fost de aproximativ 7,1 keV. Pentru comparație, masa unui proton este de 938 272 keV.
Instalare "Troitsk Nu-Mass" / Institutul de cercetare nucleară RAS
Neutrinii sterili pot fi detectați în laboratoarele de la sol, cum ar fi Troitsk Nu-Mass și KATRIN. Aceste instalații au ca scop căutarea neutrinilor sterili folosind descompunerea radioactivă a tritiului (izotopul „greu” al hidrogenului 3H). La fabrica Troitsk Nu-Mass, situată în orașul Troitsk, Regiunea Moscova, s-au obținut cele mai puternice restricții asupra unghiului de amestec pătrat. Unghiul de amestecare este o cantitate fără dimensiuni care caracterizează amplitudinea tranziției neutrinilor de la o stare la alta. Cantitatea măsurată este pătratul acestui unghi, deoarece determină probabilitatea de tranziție într-un singur act de interacțiune.
„Această lucrare propune un model în care oscilațiile, adică nașterea neutrinilor sterili, să înceapă nu în primele etape ale evoluției Universului, ci mult mai târziu. Acest lucru duce la faptul că sunt produși mai puțini neutrini sterili, ceea ce înseamnă că unghiul de amestecare poate fi mai mare. Acest lucru se realizează prin schimbări în sectorul ascuns. Sectorul ascuns al modelului este format din neutrini sterili și un câmp scalar. Câmpul scalar este responsabil pentru schimbarea calitativă (tranziția de fază) a structurii sectorului. Producția de neutrini sterili este posibilă numai după această tranziție de fază. Prin urmare, în modelul nostru se nasc neutrini mai puțini sterili, ceea ce ne permite să producem cantitatea necesară de materie întunecată din neutrinii sterili cu o masă de ordinul kiloelectronvoltelor cu un pătrat mare din unghiul de amestecare până la 10-3 , a spus unul dintre autorii articolului, Anton Chudaykin. Asistent de cercetare la Institutul de Cercetări Nucleare, Academia Rusă de Științe.
Video promotional:
După cum remarcă oamenii de știință, însăși posibilitatea de a produce cantitatea necesară de materie întunecată din neutrozi de o anumită masă este de interes din punct de vedere al cosmologiei.
Constelația Racului de la telescopul Subaru. Liniile de contur indică distribuția materiei întunecate / Observatorul Astronomic Național al Japoniei și proiectul Hyper Suprime-Cam
Faptul este că materia întunecată anterior rece, complet compusă din particule grele și inactive care nu împiedică formarea galaxiilor pitice în niciun fel, a descris bine întregul set de date experimentale. Odată cu îmbunătățirea experimentului, s-a dovedit că, de fapt, există mai puține galaxii decât se așteptau. Aceasta înseamnă că, cel mai probabil, materia întunecată nu este rece, conține amestecuri de materie întunecată caldă, care constă din particule mai rapide și mai ușoare. Se pare că teoria și rezultatele cercetării au divergent, iar oamenii de știință au avut nevoie să explice de ce s-a întâmplat acest lucru. Ei au ajuns la concluzia că materia întunecată conține o fracție mică de neutrini sterili ușori, ceea ce explică deficitul de galaxii pitice din satelit.
Blend Angle Squared Parameter Limitări spațiale - “ masa de neutrino steril ” în modelul propus (culoarea reprezintă proporția de neutrini sterili în densitatea totală de energie a materiei întunecate) și din căutări directe (linii verzi). / Anton Chudaykin
Cu toate acestea, neutrinii sterili ușori nu pot constitui toată materia întunecată. Ultimele cercetări în acest domeniu spun că ponderea componentei de lumină în densitatea totală a materiei întunecate astăzi nu trebuie să depășească 35%.
"Un semnal pozitiv primit în viitor de la oricare dintre aceste instalații poate fi un argument în favoarea modelului propus, ceea ce va duce la o înțelegere calitativă nouă a naturii particulelor de materie întunecată din Univers", a concluzionat savantul.
Lucrarea a fost realizată în colaborare cu oameni de știință de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova și Universitatea din Manchester (Marea Britanie).
