Gli scienziati dell'Istituto per la ricerca nucleare dell'Accademia delle scienze russa hanno formulato un nuovo modello fisico che consente di creare la quantità di materia oscura necessaria per la ricerca dai neutrini. Il lavoro è stato svolto nell'ambito di un progetto sostenuto da una sovvenzione della Russian Science Foundation, ei suoi risultati sono stati pubblicati sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) e presentati alla 6a Conferenza Internazionale sulle Nuove Frontiere della Fisica.
La materia oscura costituisce il 25% della materia totale nell'Universo, non emette radiazioni elettromagnetiche e non interagisce direttamente con essa. Nulla è noto per certo sulla natura della materia oscura, tranne che può raggrupparsi, riunirsi in condensazioni. Per descrivere la materia oscura, gli astrofisici estendono il modello standard della fisica delle particelle, una teoria consolidata in fisica teorica che descrive le interazioni elettromagnetiche, deboli e forti. Oggi gli scienziati sono giunti alla conclusione che questo modello non descrive completamente la realtà, perché non tiene conto delle oscillazioni dei neutrini - la trasformazione di diversi tipi di neutrini l'uno nell'altro.
I neutrini sono particelle fondamentali che non hanno carica elettrica (neutri). I neutrini partecipano solo alle interazioni deboli e gravitazionali, perché l'intensità della loro interazione con qualsiasi cosa è molto bassa. I neutrini sono "sinistra" e "destra". I neutrini sterili sono chiamati "giusti", a differenza di altri non sono contenuti nel Modello Standard e non interagiscono con le particelle, portatrici di interazioni fondamentali della natura (bosoni di gauge). In questo caso, i neutrini sterili vengono miscelati con i neutrini attivi, che sono particelle "mancine" e sono presenti nel Modello Standard. I neutrini attivi includono tutti i tipi di neutrini, ad eccezione di quelli sterili.
Rivelatore di neutrini, vista interna / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Gli scienziati hanno studiato la linea spettrale dei raggi X, recentemente scoperta nella radiazione di un certo numero di ammassi di galassie. Questa linea corrisponde a fotoni con un'energia di 3,55 keV. Di solito questo significherebbe che questi atomi emettono questi fotoni a causa del passaggio di un elettrone da un livello all'altro, tuttavia in natura non esistono sostanze con una differenza tra i livelli di 3,55 keV. Gli scienziati hanno suggerito che questa linea di raggi X potrebbe apparire a causa del decadimento di un neutrino sterile in un fotone e in un neutrino attivo. Quindi gli autori hanno determinato che la massa del neutrino sterile era di circa 7,1 keV. Per confronto, la massa di un protone è 938272 keV.
Installazione & quot; Troitsk Nu-Mass & quot; / Istituto per la ricerca nucleare RAS
I neutrini sterili possono essere rilevati in laboratori a terra come Troitsk Nu-Mass e KATRIN. Queste installazioni sono finalizzate alla ricerca di neutrini sterili utilizzando il decadimento radioattivo del trizio (l'isotopo "pesante" dell'idrogeno 3H). Nello stabilimento Troitsk Nu-Mass, situato nella città di Troitsk, nella regione di Mosca, sono state ottenute le restrizioni più forti sull'angolo di miscelazione quadrato. L'angolo di miscelazione è una quantità adimensionale che caratterizza l'ampiezza della transizione del neutrino da uno stato all'altro. La quantità misurata è il quadrato di questo angolo, poiché determina la probabilità di transizione in un singolo atto di interazione.
“Questo articolo propone un modello in cui le oscillazioni, cioè la nascita di neutrini sterili, iniziano non nelle prime fasi dell'evoluzione dell'Universo, ma molto più tardi. Ciò porta al fatto che vengono prodotti meno neutrini sterili, il che significa che l'angolo di miscelazione può essere maggiore. Ciò si ottiene attraverso cambiamenti nel settore nascosto. Il settore nascosto del modello è costituito da neutrini sterili e da un campo scalare. Il campo scalare è responsabile del cambiamento qualitativo (transizione di fase) della struttura del settore. La produzione di neutrini sterili è possibile solo dopo questa transizione di fase. Pertanto, nel nostro modello nascono neutrini meno sterili, che ci consente di produrre la quantità richiesta di materia oscura da neutrini sterili con una massa dell'ordine dei chiloelettronvolt con un grande quadrato dell'angolo di miscelazione fino a 10-3 , ha detto uno degli autori dell'articolo, Anton Chudaykin. Assistente di ricerca presso l'Istituto di ricerca nucleare, Accademia delle scienze russa.
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Come notano gli scienziati, la stessa possibilità di produrre la quantità richiesta di materia oscura da neutrini di una certa massa è interessante dal punto di vista della cosmologia.
La costellazione del Cancro dal telescopio Subaru. Le curve di livello indicano la distribuzione della materia oscura / National Astronomical Observatory of Japan e Hyper Suprime-Cam Project
Il fatto è che la materia oscura precedentemente fredda, completamente costituita da particelle pesanti e inattive che non impediscono in alcun modo la formazione di galassie nane, descriveva bene l'intero set di dati sperimentali. Con il miglioramento dell'esperimento, si è scoperto che in realtà ci sono meno galassie di questo tipo del previsto. Ciò significa che la materia oscura, molto probabilmente, non è tutta fredda, contiene miscele di materia oscura calda, che consiste di particelle più veloci e più leggere. Si scopre che la teoria ei risultati della ricerca sono divergenti e gli scienziati dovevano spiegare perché ciò è accaduto. Hanno concluso che la materia oscura contiene una piccola frazione di neutrini sterili leggeri, il che spiega la carenza di galassie satelliti nane.
Vincoli dello spazio dei parametri dell'angolo quadrato di fusione - “ massa di neutrino sterile ” nel modello proposto (il colore rappresenta la proporzione di neutrini sterili nella densità energetica totale della materia oscura) e da ricerche dirette (linee verdi). / Anton Chudaykin
I neutrini sterili leggeri, tuttavia, non possono costituire tutta la materia oscura. L'ultima ricerca in quest'area afferma che la quota della componente luce nella densità totale della materia oscura oggi non dovrebbe superare il 35%.
"Il segnale positivo ricevuto in futuro da una qualsiasi di queste installazioni potrebbe essere un argomento a favore del modello proposto, che porterà a una comprensione qualitativamente nuova della natura delle particelle di materia oscura nell'Universo", ha concluso lo scienziato.
Il lavoro è stato svolto in collaborazione con scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Università di Manchester (Gran Bretagna).
