Учени от Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките са формулирали нов физически модел, който ви позволява да създавате количеството тъмна материя, необходимо за изследване от неутрино. Работата беше извършена като част от проект, подкрепен с безвъзмездна финансова помощ от Руската фондация за наука, а резултатите от нея бяха публикувани в списанието за космология и физика на астрочастиците (JCAP) и представени на шестата международна конференция за новите граници във физиката.
Тъмната материя представлява 25% от общата материя във Вселената, не излъчва електромагнитно излъчване и не взаимодейства пряко с нея. Не се знае със сигурност нищо за природата на тъмната материя, освен че тя може да се струпва - да се събира в конденз. За да опишат тъмната материя, астрофизиците разширяват Стандартния модел на физиката на частиците, установена теория в теоретичната физика, която описва електромагнитните, слабите и силните взаимодействия. Днес учените стигнаха до извода, че този модел не описва напълно реалността, защото не отчита неутрино трептенията - трансформацията на различни видове неутрино един в друг.
Неутрино са основни частици, които нямат електрически заряд (неутрален). Неутрино участват само в слаби и гравитационни взаимодействия, тъй като интензивността на взаимодействието им с всичко е много ниска. Неутрино са "ляво" и "дясно". Стерилните неутрино се наричат "правилни", те, за разлика от другите, не се съдържат в Стандартния модел и не взаимодействат с частици - носители на фундаментални взаимодействия на природата (калибровъчни бозони). В този случай стерилните неутрино се смесват с активни неутрино, които са "левичарски" частици и присъстват в Стандартния модел. Активните неутрино включват всички видове неутрино, с изключение на стерилните.
Неутрино детектор, вътрешен изглед / Roy Kaltschmidt, Национална лаборатория на Лорънс Беркли
Учените са изследвали рентгеновата спектрална линия, наскоро открита в радиацията от редица галактически клъстери. Тази линия съответства на фотоните с енергия 3,55 keV. Обикновено това би означавало, че тези атоми излъчват тези фотони поради прехода на електрон от едно ниво на друго, обаче, вещества с разлика между нивата от 3,55 кЕВ не съществуват в природата. Учените предполагат, че тази рентгенова линия може да се появи поради разпадането на стерилно неутрино във фотон и активно неутрино. Така авторите определят, че масата на стерилното неутрино е приблизително 7,1 keV. За сравнение, масата на протона е 938 272 keV.
Инсталация "Troitsk Nu-Mass"; / Институт за ядрени изследвания РАН
Стерилни неутрино могат да бъдат открити в наземни лаборатории като Troitsk Nu-Mass и KATRIN. Тези инсталации са насочени към търсене на стерилни неутрино с помощта на радиоактивно разпадане на тритий ("тежкия" изотоп на водород 3Н). В завода Troitsk Nu-Mass, разположен в град Троицк, Московска област, бяха получени най-силните ограничения за квадратен ъгъл на смесване. Ъгълът на смесване е безразмерно количество, което характеризира амплитудата на неутринния преход от едно състояние в друго. Измереното количество е квадратът на този ъгъл, тъй като той определя вероятността за преход в един акт на взаимодействие.
„Този документ предлага модел, при който трептенията, тоест раждането на стерилни неутрино, започват не в ранните етапи на еволюцията на Вселената, а много по-късно. Това води до факта, че се получават по-малко стерилни неутрино, което означава, че ъгълът на смесване може да бъде по-голям. Това се постига чрез промени в скрития сектор. Скритият сектор на модела се състои от стерилни неутрино и скаларно поле. Скаларното поле е отговорно за качествената промяна (фазов преход) на секторната структура. Производството на стерилно неутрино е възможно само след този фазов преход. Следователно в нашия модел се раждат по-малко стерилни неутрино, което ни позволява да произвеждаме необходимото количество тъмна материя от стерилни неутрино с маса от порядъка на килоелектронволта с голям квадрат от ъгъла на смесване до 10-3 “, каза един от авторите на статията Антон Чудайкин. Научен сътрудник в Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките.
Промоционално видео:
Както отбелязват учените, самата възможност за производство на необходимото количество тъмна материя от неутрино с определена маса представлява интерес от гледна точка на космологията.
Съзвездието Рак от телескопа Subaru. Контурните линии показват разпределението на тъмната материя / Национална астрономическа обсерватория на Япония и проект Hyper Suprime-Cam
Факт е, че преди това студена тъмна материя, състояща се изцяло от тежки и неактивни частици, които по никакъв начин не възпрепятстват образуването на джудже галактики, добре описва целия набор от експериментални данни. С подобряването на експеримента се оказа, че всъщност има по-малко такива галактики от очакваното. Това означава, че тъмната материя, най-вероятно, не е цялата студена, тя съдържа примеси от топла тъмна материя, която се състои от по-бързи и по-леки частици. Оказва се, че теорията и резултатите от изследванията се разминават и учените трябва да обяснят защо това се е случило. Те заключиха, че тъмната материя съдържа малка част от светли стерилни неутрино, което обяснява недостига на сателитни галактики джудже.
Ограничения на пространството на ъгъл на смесване на ъгъл в квадрат - “ маса на стерилно неутрино ” в предложения модел (цветът представлява съотношението на стерилни неутрино в общата енергийна плътност на тъмната материя) и при директни търсения (зелени линии). / Антон Чудайкин
Светлите стерилни неутрино обаче не могат да съставят цялата тъмна материя. Последните проучвания в тази област казват, че делът на светлинния компонент в общата плътност на тъмната материя днес не трябва да надвишава 35%.
„Положителният сигнал, получен в бъдеще от която и да е от тези инсталации, може да бъде аргумент в полза на предложения модел, който ще доведе до качествено ново разбиране на същността на тъмните частици във Вселената“, заключи ученият.
Работата е извършена в сътрудничество с учени от Московския институт за физика и технологии и Манчестърския университет (Великобритания).
