9 ноября 2017

Российские ученые поняли, как создать темную материю из нейтрино

ИЯИ РАН Установка "Троицк ню-масс" ИЯИ РАН

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).