Vedci z Inštitútu pre jadrový výskum Ruskej akadémie vied sformulovali nový fyzikálny model, ktorý vám umožní vytvoriť také množstvo temnej hmoty, ktoré je potrebné na výskum neutrín. Práca sa uskutočnila v rámci projektu podporeného grantom Ruskej vedeckej nadácie a jej výsledky boli uverejnené v Úradnom vestníku kozmológie a fyziky astropartikúl (JCAP) a predstavené na 6. medzinárodnej konferencii o nových hraniciach fyziky.
Temná hmota tvorí 25% z celkovej hmoty vo vesmíre, nevyžaruje elektromagnetické žiarenie a s ňou priamo neinteraguje. O povahe temnej hmoty nie je nič známe, okrem toho, že sa môže zhlukovať - zhromažďovať sa v kondenzácii. Na popis temnej hmoty rozširujú astrofyzici štandardný model fyziky častíc, zavedenú teóriu teoretickej fyziky, ktorá popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakcie. Vedci dnes dospeli k záveru, že tento model úplne neopisuje realitu, pretože nezohľadňuje oscilácie neutrín - premenu rôznych typov neutrín na seba.
Neutrína sú základné častice, ktoré nemajú elektrický náboj (neutrálny). Neutrína sa podieľajú iba na slabých a gravitačných interakciách, pretože intenzita ich interakcie s čímkoľvek je veľmi nízka. Neutrína sú „vľavo“a „vpravo“. Sterilné neutrína sa nazývajú „správne“, na rozdiel od iných nie sú obsiahnuté v štandardnom modeli a neinteragujú s časticami - nosičmi základných interakcií prírody (kalibračné bozóny). V tomto prípade sa sterilné neutrína zmiešajú s aktívnymi neutrínami, ktoré sú „ľavotočivými“časticami a sú prítomné v štandardnom modeli. Aktívne neutrína zahŕňajú všetky typy neutrín okrem sterilných.
Neutrinový detektor, vnútorný pohľad / Roy Kaltschmidt, Národné laboratórium Lawrence Berkeley
Vedci študovali röntgenovú spektrálnu líniu, ktorá bola nedávno objavená v žiarení z niekoľkých klastrov galaxií. Táto čiara zodpovedá fotónom s energiou 3,55 keV. Zvyčajne by to znamenalo, že tieto atómy emitujú tieto fotóny v dôsledku prechodu elektrónu z jednej úrovne na druhú, avšak látky s rozdielom medzi hladinami 3,55 keV v prírode neexistujú. Vedci navrhli, že táto röntgenová línia by sa mohla objaviť v dôsledku rozpadu sterilného neutrína na fotón a aktívneho neutrína. Autori teda určili, že hmotnosť sterilného neutrínu bola približne 7,1 keV. Na porovnanie je hmotnosť protónu 938 272 keV.
Inštalácia "Troitsk Nu-Mass" Ústav jadrového výskumu
Sterilné neutrína sa dajú zistiť v pozemných laboratóriách, ako sú Troitsk Nu-Mass a KATRIN. Tieto zariadenia sú zamerané na hľadanie sterilných neutrín pomocou rádioaktívneho rozkladu trícia („ťažký“izotop vodíka 3H). V závode Troitsk Nu-Mass, ktorý sa nachádza v meste Troitsk v Moskovskom regióne, sa dosiahli najsilnejšie obmedzenia uhla zmiešavania na druhú. Uhol zmiešavania je bezrozmerná veličina, ktorá charakterizuje amplitúdu neutrínového prechodu z jedného stavu do druhého. Nameraná veličina je druhou mocninou tohto uhla, pretože určuje pravdepodobnosť prechodu v jedinom akte interakcie.
„Tento dokument navrhuje model, v ktorom kmity, to znamená narodenie sterilných neutrín, nezačínajú na začiatku vývoja vesmíru, ale oveľa neskôr. To vedie k tomu, že sa produkuje menej sterilných neutrín, čo znamená, že uhol miešania môže byť väčší. Toto sa dosahuje zmenami v skrytom sektore. Skrytý sektor modelu sa skladá zo sterilných neutrín a skalárneho poľa. Skalárne pole je zodpovedné za kvalitatívnu zmenu (fázový prechod) sektorovej štruktúry. Sterilná produkcia neutrínu je možná až po tomto fázovom prechode. Preto sa v našom modeli rodia menej sterilné neutrína, čo nám umožňuje vyrábať požadované množstvo tmavej hmoty zo sterilných neutrín s hmotnosťou rádovo kiloelektronvoltov s veľkým štvorcom zmiešavacieho uhla do 10-3, “uviedol jeden z autorov článku Anton Chudaykin. Odborný asistent na Inštitúte pre jadrový výskum Ruskej akadémie vied.
Propagačné video:
Vedci poznamenávajú, že samotná možnosť výroby požadovaného množstva tmavej hmoty z neutrín určitej hmotnosti je zaujímavá z hľadiska kozmológie.
Súhvezdie Rak z ďalekohľadu Subaru. Obrysové čiary označujú distribúciu tmavej hmoty / národné astronomické observatórium Japonska a projekt Hyper Suprime-Cam
Faktom je, že predtým studená temná hmota, pozostávajúca z ťažkých a neaktívnych častíc, ktoré žiadnym spôsobom nezabraňujú tvorbe trpasličích galaxií, dobre opísala celý súbor experimentálnych údajov. So zlepšením experimentu sa ukázalo, že v skutočnosti je takýchto galaxií menej, ako sa očakávalo. To znamená, že temná hmota nie je najpravdepodobnejšie studená, obsahuje prímesi teplej tmavej hmoty, ktorá sa skladá z rýchlejších a ľahších častíc. Ukazuje sa, že výsledky teórie a výskumu sa odlišovali a vedci potrebovali vysvetliť, prečo sa to stalo. Dospeli k záveru, že temná hmota obsahuje malú časť ľahkých sterilných neutrín, čo vysvetľuje nedostatok trpasličích satelitných galaxií.
Obmedzenia priestoru na hrane parametra s rôznym uhlom - “ množstvo sterilného neutrínu ” v navrhovanom modeli (farba predstavuje podiel sterilných neutrín na celkovej hustote energie tmavej hmoty) a pri priamom vyhľadávaní (zelené čiary). / Anton Chudaykin
Ľahké sterilné neutrína však nemôžu tvoriť všetku tmavú hmotu. Najnovší výskum v tejto oblasti hovorí, že podiel svetelnej zložky na celkovej hustote tmavej hmoty by dnes nemal prekročiť 35%.
„Pozitívny signál prijatý v budúcnosti z ktoréhokoľvek z týchto zariadení môže byť argumentom v prospech navrhovaného modelu, ktorý povedie ku kvalitatívne novému pochopeniu povahy častíc temnej hmoty vo vesmíre,“uzavrel vedec.
Práca sa uskutočnila v spolupráci s vedcami z Moskovského inštitútu fyziky a technológie a University of Manchester (Veľká Británia).