Wetenschappers van het Instituut voor Nucleair Onderzoek van de Russische Academie van Wetenschappen hebben een nieuw fysisch model geformuleerd waarmee je de hoeveelheid donkere materie kunt creëren die nodig is voor onderzoek met neutrino's. Het werk werd uitgevoerd als onderdeel van een project dat werd ondersteund door een subsidie van de Russian Science Foundation, en de resultaten ervan werden gepubliceerd in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) en gepresenteerd op de 6e internationale conferentie over nieuwe grenzen in de fysica.
Donkere materie maakt 25% uit van de totale materie in het heelal, zendt geen elektromagnetische straling uit en heeft er geen directe interactie mee. Er is niets met zekerheid bekend over de aard van donkere materie, behalve dat het kan clusteren - zich kan verzamelen tot condensaties. Om donkere materie te beschrijven, breiden astrofysici het Standard Model of Particle Physics uit, een gevestigde theorie in de theoretische fysica die de elektromagnetische, zwakke en sterke interacties beschrijft. Tegenwoordig zijn wetenschappers tot de conclusie gekomen dat dit model de werkelijkheid niet volledig beschrijft, omdat het geen rekening houdt met neutrino-oscillaties - de transformatie van verschillende soorten neutrino's in elkaar.
Neutrino's zijn fundamentele deeltjes die geen elektrische lading hebben (neutraal). Neutrino's nemen alleen deel aan zwakke en gravitatie-interacties, omdat de intensiteit van hun interactie met iets erg laag is. Neutrino's zijn "links" en "rechts". Steriele neutrino's worden "rechts" genoemd, ze zijn, in tegenstelling tot andere, niet opgenomen in het standaardmodel en hebben geen interactie met deeltjes - dragers van fundamentele interacties van de natuur (ijkbosonen). In dit geval worden steriele neutrino's gemengd met actieve neutrino's, die "linkshandige" deeltjes zijn en aanwezig zijn in het standaardmodel. Actieve neutrino's omvatten alle soorten neutrino's, behalve steriele.
Neutrinodetector, binnenaanzicht / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Wetenschappers hebben de spectraallijn van röntgenstraling bestudeerd, die onlangs is ontdekt in straling van een aantal clusters van sterrenstelsels. Deze lijn komt overeen met fotonen met een energie van 3,55 keV. Meestal zou dit betekenen dat deze atomen deze fotonen uitzenden door de overgang van een elektron van het ene niveau naar het andere, maar stoffen met een verschil tussen de niveaus van 3,55 keV bestaan niet in de natuur. Wetenschappers hebben gesuggereerd dat deze röntgenlijn zou kunnen verschijnen als gevolg van het verval van een steriel neutrino in een foton en een actief neutrino. Dus de auteurs stelden vast dat de massa van het steriele neutrino ongeveer 7,1 keV was. Ter vergelijking: de massa van een proton is 938 272 keV.
Installatie & quot; Troitsk Nu-Mass & quot; / Instituut voor Nucleair Onderzoek RAS
Steriele neutrino's kunnen worden gedetecteerd in laboratoria op de grond, zoals Troitsk Nu-Mass en KATRIN. Deze installaties zijn gericht op het zoeken naar steriele neutrino's met behulp van het radioactief verval van tritium (de "zware" isotoop van waterstof 3H). Bij de fabriek van Troitsk Nu-Mass, gelegen in de stad Troitsk, Moskou, werden de sterkste beperkingen op de vierkante menghoek verkregen. De menghoek is een dimensieloze grootheid die de amplitude van de neutrino-overgang van de ene toestand naar de andere kenmerkt. De gemeten grootheid is het kwadraat van deze hoek, omdat het de kans op overgang in een enkele interactie bepaalt.
“Dit artikel stelt een model voor waarin oscillaties, dat wil zeggen de geboorte van steriele neutrino's, niet in de vroege stadia van de evolutie van het heelal beginnen, maar veel later. Dit leidt ertoe dat er minder steriele neutrino's worden geproduceerd, waardoor de menghoek groter kan zijn. Dit wordt bereikt door veranderingen in de verborgen sector. De verborgen sector van het model bestaat uit steriele neutrino's en een scalair veld. Het scalaire veld is verantwoordelijk voor de kwalitatieve verandering (faseovergang) van de sectorstructuur. Pas na deze faseovergang is steriele neutrinoproductie mogelijk. Daarom worden er in ons model minder steriele neutrino's geboren, waardoor we de vereiste hoeveelheid donkere materie kunnen produceren uit steriele neutrino's met een massa in de orde van kilo-elektronvolt met een groot vierkant van de menghoek tot 10-3 ”, aldus een van de auteurs van het artikel, Anton Chudaykin. Onderzoeksassistent bij het Instituut voor Nucleair Onderzoek, Russische Academie van Wetenschappen.
Promotie video:
Zoals wetenschappers opmerken, is de mogelijkheid om de vereiste hoeveelheid donkere materie te produceren uit neutrino's met een bepaalde massa van belang vanuit het oogpunt van de kosmologie.
Het sterrenbeeld Kreeft van de Subaru-telescoop. Contourlijnen geven de verdeling van donkere materie / National Astronomical Observatory of Japan en Hyper Suprime-Cam Project aan
Feit is dat voorheen koude donkere materie, volledig bestaande uit zware en inactieve deeltjes die de vorming van dwergstelsels op geen enkele manier verhinderen, de hele reeks experimentele gegevens goed beschreven. Met de verbetering van het experiment bleek dat er in feite minder van dergelijke sterrenstelsels zijn dan verwacht. Dit betekent dat donkere materie hoogstwaarschijnlijk niet allemaal koud is, het bevat mengsels van warme donkere materie, die bestaat uit snellere en lichtere deeltjes. Het bleek dat de theorie en de onderzoeksresultaten uiteenliepen en wetenschappers moesten uitleggen waarom dit gebeurde. Ze concludeerden dat donkere materie een kleine fractie van lichte steriele neutrino's bevat, wat het tekort aan dwerg-satellietstelsels verklaart.
Menghoek Kwadraat Parameter Ruimtebeperkingen - “ massa steriele neutrino ” in het voorgestelde model (de kleur staat voor het aandeel steriele neutrino's in de totale energiedichtheid van donkere materie) en uit directe zoekopdrachten (groene lijnen). / Anton Chudaykin
Licht steriele neutrino's kunnen echter niet alle donkere materie vormen. Recente studies op dit gebied zeggen dat het aandeel van de lichtcomponent in de totale dichtheid van donkere materie vandaag de dag niet meer dan 35% mag bedragen.
"Een positief signaal dat in de toekomst van een van deze installaties wordt ontvangen, kan een argument zijn voor het voorgestelde model, dat zal leiden tot een kwalitatief nieuw begrip van de aard van donkere materiedeeltjes in het heelal", concludeerde de wetenschapper.
Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van het Moscow Institute of Physics and Technology en de University of Manchester (Groot-Brittannië).
