Znanstvenici Instituta za nuklearna istraživanja Ruske akademije znanosti formulirali su novi fizički model koji vam omogućava da iz neutrina stvorite količinu tamne materije potrebne za istraživanje. Rad je izveden u sklopu projekta podržanog stipendijom Ruske zaklade za znanost, a njegovi rezultati objavljeni su u časopisu Cosmology and Physics Astroparticle (JCAP) i predstavljeni na 6. međunarodnoj konferenciji o novim granicama u fizici.
Tamna tvar čini 25% ukupne materije u Svemiru, ne emitira elektromagnetsko zračenje i s njom izravno ne djeluje. Sigurno se ništa ne zna o prirodi tamne materije, osim što se može skupiti - sakupiti u kondenzate. Kako bi opisali tamnu tvar, astrofizičari proširuju Standardni model fizike čestica, ustaljenu teoriju u teorijskoj fizici koja opisuje elektromagnetske, slabe i jake interakcije. Danas su znanstvenici došli do zaključka da ovaj model ne opisuje u potpunosti stvarnost, jer ne uzima u obzir neutrinske oscilacije - transformaciju različitih vrsta neutrina jedni u druge.
Neutrini su osnovne čestice koje nemaju električni naboj (neutralan). Neutrinovi sudjeluju samo u slabim i gravitacijskim interakcijama, jer je intenzitet njihove interakcije s bilo čim vrlo nizak. Neutrini su "lijevo" i "desno". Sterilni neutrini nazivaju se "ispravni", oni, za razliku od drugih, nisu sadržani u Standardnom modelu i ne stupaju u interakciju s česticama - nosiocima temeljnih interakcija prirode (kalibarski bozoni). U ovom se slučaju sterilni neutrini miješaju s aktivnim neutrima, koji su "lijeve" čestice i prisutni su u Standardnom modelu. Aktivni neutrini uključuju sve vrste neutrina, osim sterilnih.
Neutrino detektor, iznutra / Roy Kaltschmidt, Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley
Znanstvenici su proučavali spektralnu liniju rendgenskih zraka, nedavno otkrivenu u zračenju iz brojnih klastera galaksije. Ova linija odgovara fotonima s energijom 3,55 keV. Obično bi to značilo da ti atomi emitiraju ove fotone zbog prelaska elektrona s jedne razine na drugu, međutim, tvari s razlikom između razine 3,55 keV ne postoje u prirodi. Znanstvenici su pretpostavili da se ova rendgenska linija može pojaviti zbog propadanja sterilnog neutrina u foton i aktivni neutrino. Tako su autori utvrdili da je masa sterilnog neutrina približno 7,1 keV. Za usporedbu, masa protona je 938 272 keV.
Instalacija "Troitsk Nu-Mass"; / Institut za nuklearna istraživanja RAS
Sterilni neutrini mogu se otkriti u laboratorijima na tlu, poput Troitsk Nu-Mass i KATRIN. Te su instalacije usmjerene na traženje sterilnih neutrina pomoću radioaktivnog raspada tricija ("teški" izotop vodika 3H). U postrojenju Troitsk Nu-Mass, koje se nalazi u gradu Troitsk, Moskovska regija, dobivena su najjača ograničenja u odnosu na kvadratni kut za miješanje. Kut miješanja je bezdimenzijska veličina koja karakterizira amplitudu prijelaza neutrina iz jednog stanja u drugo. Izmjerena količina je kvadrat ovog kuta, jer ona određuje vjerojatnost prijelaza u jednom činu interakcije.
„Ovaj rad predlaže model u kojem oscilacije, to jest rođenje sterilnih neutrina, počinju ne u ranim fazama evolucije svemira, već mnogo kasnije. To dovodi do činjenice da se stvara manje sterilnih neutrina, što znači da kut miješanja može biti i veći. To se postiže promjenama u skrivenom sektoru. Skriveni sektor modela sastoji se od sterilnih neutrina i skalarnog polja. Skalarno polje odgovorno je za kvalitativne promjene (fazni prijelaz) strukture sektora. Proizvodnja sterilnih neutrina moguća je tek nakon ove fazne tranzicije. Stoga se u našem modelu rađaju manje sterilni neutrini, što nam omogućava da proizvedemo potrebnu količinu tamne materije iz sterilnih neutrina s masom reda kiloelektronvolta s velikim kvadratom kutova miješanja do 10-3 , rekao je jedan od autora članka Anton Chudaykin. Asistent na Institutu za nuklearna istraživanja Ruske akademije nauka.
Promotivni video:
Kao što znanstvenici napominju, sama mogućnost stvaranja potrebne količine tamne materije iz neutrina određene mase zanimljiva je s gledišta kozmologije.
Sazviježđe Rak iz teleskopa Subaru. Crte obrisa označavaju raspodjelu tamne tvari / Nacionalni astronomski opservatorij Japana i Hyper Suprime-Cam Project
Činjenica je da je prethodno hladna tamna tvar, koja se u potpunosti sastoji od teških i neaktivnih čestica koje ni na koji način ne sprečavaju stvaranje patuljastih galaksija, dobro opisala čitav niz eksperimentalnih podataka. S poboljšanjem eksperimenta, pokazalo se da u stvari postoji manje takvih galaksija nego što se očekivalo. To znači da tamnoj materiji, najvjerojatnije, nije sve hladno, sadrži primjese tople tamne materije, koja se sastoji od bržih i svjetlijih čestica. Ispada da su se teorija i rezultati istraživanja razišli, a znanstvenici su trebali objasniti zašto se to dogodilo. Zaključili su da tamna tvar sadrži mali dio svijetlih sterilnih neutrina, što objašnjava nedostatak patuljastih satelitskih galaksija.
Ograničenja prostora za kvadrat parametara pomiješajte - “ masa sterilnog neutrina ” u predloženom modelu (boja predstavlja udio sterilnih neutrina u ukupnoj gustoći energije tamne materije) i izravnim pretraživanjima (zelene linije). / Anton Chudaykin
Laki sterilni neutrini ne mogu sačinjavati svu tamnu tvar. Najnovije istraživanje na ovom području kaže da udio svjetlosne komponente u ukupnoj gustoći tamne materije danas ne bi trebao biti veći od 35%.
"Pozitivan signal koji će u budućnosti dobiti bilo koju od ovih instalacija može biti argument u korist predloženog modela, što će dovesti do kvalitativno novog razumijevanja prirode čestica tamne materije u svemiru", zaključio je znanstvenik.
Rad je izveden u suradnji sa znanstvenicima Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i Sveučilišta u Manchesteru (Velika Britanija).