Российские ученые поняли, как создать темную материю из нейтрино
Ученые из Института ядерных исследований РАН сформулировали новую физическую модель, которая позволяет создавать необходимое для исследований количество темной материи из нейтрино. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, а ее результаты были опубликованы в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) и представлены на конференции 6th International Conference on New Frontiers in Physics.
Темная материя составляет 25% от общей материи Вселенной, не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. О природе темной материи доподлинно ничего не известно, кроме того, что она может кластеризоваться - собираться в сгущения. Для описания темной материи астрофизики расширяют Стандартную модель физики частиц - устоявшуюся в теоретической физике теорию, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Сегодня ученые пришли к выводу, что эта модель не полностью описывает действительность, потому что не учитывает осцилляции нейтрино - превращения разных типов нейтрино друг в друга.
Нейтрино - это фундаментальные частицы, не имеющие электрического заряда (нейтральные). Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях, потому что интенсивность их взаимодействия с чем-либо очень низкая. Нейтрино бывают "левыми" и "правыми". "Правыми" называются стерильные нейтрино, они, в отличие от других, не содержатся в Стандартной модели и не взаимодействуют с частицами - переносчиками фундаментальных взаимодействий природы (калибровочными бозонами). При этом стерильные нейтрино смешиваются с активными нейтрино, которые являются "левыми" частицами и присутствуют в Стандартной модели. К активным нейтрино относятся все виды нейтрино, кроме стерильных.
Ученые провели исследование спектральной линии рентгеновского диапазона, не так давно обнаруженной в излучении от целого ряда скоплений галактик. Эта линия соответствует фотонам с энергией 3,55 кэВ. Обычно это значило бы, что эти атомы излучают эти фотоны за счет перехода электрона с одного уровня на другой, однако, веществ с разницей перехода между уровнями 3,55 кэВ в природе не существует. Ученые предположили, что эта рентгеновская линия могла появиться из-за распада стерильного нейтрино на фотон и активное нейтрино. Так авторы определили, что масса стерильного нейтрино была равна примерно 7,1 кэВ. Для сравнения, масса протона составляет 938 272 кэВ.
Стерильные нейтрино могут быть обнаружены в таких наземных лабораториях, как "Троицк ню-масс" и KATRIN. Эти установки нацелены на поиск стерильных нейтрино с помощью радиоактивного распада трития ("тяжелого" изотопа водорода 3H). На установке "Троицк ню-масс", находящейся в городе Троицк Московской области, получены самые сильные ограничения на квадрат угла смешивания. Угол смешивания - это безразмерная величина, которая характеризует амплитуду перехода нейтрино из одного состояния в другое. Измеряемой же величиной служит квадрат этого угла, так как он определяет вероятность перехода в единичном акте взаимодействия.
"В настоящей работе предложена модель, в которой осцилляции, то есть рождение, стерильных нейтрино начинаются не на ранних этапах эволюции Вселенной, а гораздо позже. Это приводит к тому, что стерильных нейтрино производится меньше, а, значит, угол смешивания может быть больше. Достигается это за счет изменений в скрытом секторе. Скрытый сектор модели состоит из стерильных нейтрино и скалярного поля. Скалярное поле отвечает за качественное изменение (фазовый переход) структуры сектора. Рождение стерильных нейтрино возможно только после этого фазового перехода. Поэтому в нашей модели стерильных нейтрино рождается меньше, что позволяет тем самым произвести нужное количество темной материи из стерильного нейтрино с массой порядка килоэлектронвольт с большим квадратом угла смешивания вплоть до 10-3", - рассказал один из авторов статьи Антон Чудайкин, стажер-исследователь Института ядерных исследований РАН.
Как отмечают ученые, сама возможность производства нужного количества темной материи из нейтрино определенной массы представляет интерес с точки зрения космологии.
Дело в том, что ранее холодная темная материя, полностью состоящая из тяжелых и малоподвижных частиц, никак не препятствующих образованию карликовых галактик, хорошо описывала весь набор экспериментальных данных. С совершенствованием эксперимента выяснилось, что на самом деле таких галактик меньше, чем предполагалось. Это значит, что темная материя, вероятнее всего, не вся холодная, в ней есть примеси теплой темной материи, которая состоит из более быстрых и легких частиц. Получается, что теория и результаты исследований разошлись, и ученым нужно было объяснить, почему так произошло. Они сделали вывод, что в темной материи содержится небольшая доля легких стерильных нейтрино, которая и объясняет дефицит карликовых галактик-спутников.
Легкие стерильные нейтрино, однако, не могут составлять всю темную материю. Последние исследования в этой области говорят, что доля легкой компоненты в общей плотности темной материи сегодня не должна превышать 35%.
"Полученный в будущем положительный сигнал с любой из этих установок, возможно, будет аргументом в пользу предложенной модели, что приведет к качественно новому пониманию природы частиц темной материи во Вселенной", - заключил ученый.
Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Московского физико-технического института и Манчестерского университета (Великобритания).
