Учёные пока не знают, что такое темная материя. Мы знаем характеристики темной материи и многое из того, как она ведет себя, поэтому мы знаем, какими физическими свойствами должна обладать темная материя, но ни одна известная материя не обладает всеми необходимыми характеристиками темной материи.
Самое близкое, что есть для этих исслеований - это нейтрино. Они слабо взаимодействуют с другой материей и не сильно взаимодействуют со светом, поэтому их можно считать формой темной материи. Единственная проблема заключается в том, что все три известные разновидности нейтрино имеют чрезвычайно малые массы. Из-за этого они носятся по космосу почти со скоростью света. Это означает, что нейтрино являются формой «горячей» темной материи, точно так же, как горячий газ состоит из быстро движущихся молекул. Основываясь на наблюдениях за темной материей, таких как скопление галактик, мы знаем, что космическая темная материя должна быть в основном холодной. Нейтрино могут составлять небольшую часть темной материи, но большая часть темной материи должна быть чем-то другим.
Но поскольку нейтрино так близки к удовлетворению свойств темной материи, некоторые ученые утверждают, что темная материя может быть еще не открытой разновидностью, известной как стерильные нейтрино. Как и другие элементарные частицы, нейтрино обладают характеристикой, известной как спиральность. В принципе, нейтрино может вращаться по часовой стрелке вдоль направления своего движения (левая спиральность) или против часовой стрелки вдоль своего движения (правая). Большинство частиц могут иметь любой вид спиральности, но нейтрино странные. Мы видим только левосторонние нейтрино и правосторонние антинейтрино.
Это означает, что если правосторонние нейтрино существуют, они не взаимодействуют с обычной материей, а только с гравитацией. Таким образом, они «стерильны». И если бы они имели значительно большую массу, чем обычные нейтрино, стерильные нейтрино были бы «холодными» и могли бы стать решением проблемы темной материи. Это отличная идея, но, к сожалению, как показывает новое исследование, она не соответствует действительности.
В новом исследовании рассматривались данные, полученные в результате сотрудничества Fermilab с MicroBooNE. Нейтрино направили в детектор MicroBooNE, чтобы увидеть, какие типы взаимодействий происходят с обычным веществом. Более ранние исследования, такие как эксперимент с жидкостным сцинтилляторным нейтринным детектором в Лос-Аламосе и MiniBooNE от Fermilab, обнаружили больше событий, чем предсказывает стандартная модель. Одно из возможных решений этой загадки состоит в том, что стерильные нейтрино, взаимодействующие с другими нейтрино, создают избыток электронов в наблюдаемых событиях. Другое объяснение заключается в том, что фоновые фотоны исказили данные. Коллаборация MicroBooNE достаточно точна, чтобы рассмотреть любой из этих вариантов и на удивление исключить оба варианта. Данные исключают фоновые фотоны с достоверностью 95% и стерильные нейтрино с достоверностью 99%.
Если ранее обнаруженное в MiniBooNE превышение является реальным эффектом (а у нас нет причин подозревать, что это не так), то происходит что-то странное. Стерильные нейтрино могут все еще существовать, но их взаимодействие должно быть более тонким, чем предсказывают модели. Между обычными нейтрино также могут быть более сложные взаимодействия, которые в настоящее время не рассматриваются в стандартной модели. В любом случае предстоит понять гораздо больше, и мы только начали проливать свет на это.