Wissenschaftler des Instituts für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften haben ein neues physikalisches Modell formuliert, mit dem Sie die Menge an dunkler Materie erzeugen können, die für die Forschung aus Neutrinos erforderlich ist. Die Arbeit wurde im Rahmen eines Projekts durchgeführt, das durch ein Stipendium der Russian Science Foundation unterstützt wurde. Die Ergebnisse wurden im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) veröffentlicht und auf der 6. Internationalen Konferenz über neue Grenzen der Physik vorgestellt.
Dunkle Materie macht 25% der gesamten Materie im Universum aus, emittiert keine elektromagnetische Strahlung und interagiert nicht direkt mit ihr. Über die Natur der Dunklen Materie ist nichts mit Sicherheit bekannt, außer dass sie sich zu Kondensationen zusammenballen kann. Um die Dunkle Materie zu beschreiben, erweitern Astrophysiker das Standardmodell der Teilchenphysik, eine in der theoretischen Physik etablierte Theorie, die die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen beschreibt. Heute sind Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass dieses Modell die Realität nicht vollständig beschreibt, da es Neutrino-Oszillationen - die Umwandlung verschiedener Arten von Neutrinos ineinander - nicht berücksichtigt.
Neutrinos sind fundamentale Teilchen, die keine elektrische Ladung haben (neutral). Neutrinos nehmen nur an schwachen und gravitativen Wechselwirkungen teil, da die Intensität ihrer Wechselwirkung mit irgendetwas sehr gering ist. Neutrinos sind "links" und "rechts". Sterile Neutrinos werden "richtig" genannt, sie sind im Gegensatz zu anderen nicht im Standardmodell enthalten und interagieren nicht mit Partikeln - Trägern grundlegender Wechselwirkungen der Natur (Eichbosonen). In diesem Fall werden sterile Neutrinos mit aktiven Neutrinos gemischt, die "linkshändige" Partikel sind und im Standardmodell vorhanden sind. Aktive Neutrinos umfassen alle Arten von Neutrinos, außer sterilen.
Neutrino-Detektor, Innenansicht / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Wissenschaftler haben die Röntgenspektrallinie untersucht, die kürzlich in der Strahlung einer Reihe von Galaxienhaufen entdeckt wurde. Diese Linie entspricht Photonen mit einer Energie von 3,55 keV. Normalerweise würde dies bedeuten, dass diese Atome diese Photonen aufgrund des Übergangs eines Elektrons von einer Ebene zur anderen emittieren. Substanzen mit einem Unterschied zwischen den Ebenen von 3,55 keV existieren jedoch in der Natur nicht. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass diese Röntgenlinie aufgrund des Zerfalls eines sterilen Neutrinos in ein Photon und ein aktives Neutrino auftreten könnte. So stellten die Autoren fest, dass die Masse des sterilen Neutrinos ungefähr 7,1 keV betrug. Zum Vergleich beträgt die Masse eines Protons 938 272 keV.
Installation "Troitsk Nu-Mass" / Institut für Kernforschung RAS
Sterile Neutrinos können in bodengestützten Labors wie Troitsk Nu-Mass und KATRIN nachgewiesen werden. Diese Installationen zielen auf die Suche nach sterilen Neutrinos unter Verwendung des radioaktiven Zerfalls von Tritium (dem "schweren" Isotop von Wasserstoff 3H) ab. Im Troitsk Nu-Mass-Werk in Troitsk, Region Moskau, wurden die stärksten Einschränkungen des quadratischen Mischwinkels erzielt. Der Mischwinkel ist eine dimensionslose Größe, die die Amplitude des Neutrinoübergangs von einem Zustand in einen anderen charakterisiert. Die gemessene Größe ist das Quadrat dieses Winkels, da sie die Übergangswahrscheinlichkeit in einem einzigen Wechselwirkungsakt bestimmt.
„Dieses Papier schlägt ein Modell vor, bei dem Schwingungen, dh die Geburt steriler Neutrinos, nicht in den frühen Stadien der Evolution des Universums beginnen, sondern viel später. Dies führt dazu, dass weniger sterile Neutrinos produziert werden, was bedeutet, dass der Mischwinkel größer sein kann. Dies wird durch Veränderungen im versteckten Sektor erreicht. Der verborgene Sektor des Modells besteht aus sterilen Neutrinos und einem Skalarfeld. Das Skalarfeld ist für die qualitative Veränderung (Phasenübergang) der Sektorstruktur verantwortlich. Eine sterile Neutrino-Produktion ist erst nach diesem Phasenübergang möglich. Daher werden in unserem Modell weniger sterile Neutrinos geboren, was es uns ermöglicht, die erforderliche Menge dunkler Materie aus sterilen Neutrinos mit einer Masse in der Größenordnung von Kiloelektronenvolt mit einem großen Quadrat des Mischwinkels von bis zu 10-3 herzustellen , sagte einer der Autoren des Artikels, Anton Chudaykin. Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften.
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Wie Wissenschaftler bemerken, ist aus kosmologischer Sicht bereits die Möglichkeit von Interesse, aus Neutrinos einer bestimmten Masse die erforderliche Menge dunkler Materie herzustellen.
Die Konstellation von Krebs aus dem Subaru-Teleskop. Konturlinien zeigen die Verteilung der Dunklen Materie / National Astronomical Observatory of Japan und Hyper Suprime-Cam Project
Tatsache ist, dass zuvor kalte dunkle Materie, die vollständig aus schweren und inaktiven Partikeln besteht, die die Bildung von Zwerggalaxien in keiner Weise verhindern, den gesamten Satz experimenteller Daten gut beschrieben hat. Mit der Verbesserung des Experiments stellte sich heraus, dass es tatsächlich weniger solcher Galaxien gibt als erwartet. Dies bedeutet, dass dunkle Materie höchstwahrscheinlich nicht nur kalt ist, sondern Beimischungen von warmer dunkler Materie enthält, die aus schnelleren und helleren Partikeln besteht. Es stellt sich heraus, dass die Theorie und die Forschungsergebnisse auseinander gingen und die Wissenschaftler erklären mussten, warum dies geschah. Sie kamen zu dem Schluss, dass dunkle Materie einen kleinen Anteil hellsteriler Neutrinos enthält, was den Mangel an Zwergsatellitengalaxien erklärt.
Einschränkungen des quadratischen Parameterraums für Mischwinkel - "Masse des sterilen Neutrinos" im vorgeschlagenen Modell (die Farbe repräsentiert den Anteil steriler Neutrinos an der Gesamtenergiedichte der Dunklen Materie) und bei direkten Suchen (grüne Linien). / Anton Chudaykin
Hellsterile Neutrinos können jedoch nicht die gesamte dunkle Materie ausmachen. Die neuesten Untersuchungen in diesem Bereich besagen, dass der Anteil der hellen Komponente an der Gesamtdichte der dunklen Materie heute 35% nicht überschreiten sollte.
"Ein positives Signal, das in Zukunft von einer dieser Installationen empfangen wird, könnte ein Argument für das vorgeschlagene Modell sein, das zu einem qualitativ neuen Verständnis der Natur der Teilchen der dunklen Materie im Universum führen wird", schloss der Wissenschaftler.
Die Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und der Universität von Manchester (Großbritannien) durchgeführt.