Ученые из Института ядерных исследований РАН в сотрудничестве с учеными из Московского физико-технического института и Манчестерского университета 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 (РНФ), 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. Кратко о полученных результатах рассказывает пресс-релиз РНФ.
Темная материя составляет значительную часть Вселенной (немногим более 25 % всей материи), однако она не взаимодействует с электромагнитным излучением, поэтому непосредственно наблюдать ее невозможно. Главным признаком наличия темной материи служит влияние ее гравитационного поля на другие объекты. 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 – 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 учитываются 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.
Ограничения на пространство параметров "квадрат угла смешивания" – "масса стерильного нейтрино" в предложенной модели (цветом отображена доля стерильного нейтрино в общей плотности энергии темной материи) и из прямых поисков (зеленые линии). РНФ/Антон Чудайкин
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.
