Des scientifiques de l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie ont formulé un nouveau modèle physique qui vous permet de créer la quantité de matière noire nécessaire à la recherche sur les neutrinos. Les travaux ont été menés dans le cadre d'un projet soutenu par une subvention de la Russian Science Foundation, et ses résultats ont été publiés dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) et présentés à la 6e Conférence internationale sur les nouvelles frontières de la physique.
La matière noire représente 25% de la matière totale de l'Univers, n'émet pas de rayonnement électromagnétique et n'interagit pas directement avec elle. Rien n'est connu avec certitude sur la nature de la matière noire, si ce n'est qu'elle peut s'agréger - se rassembler en condensations. Pour décrire la matière noire, les astrophysiciens étendent le modèle standard de physique des particules, une théorie établie en physique théorique qui décrit les interactions électromagnétiques, faibles et fortes. Aujourd'hui, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que ce modèle ne décrit pas complètement la réalité, car il ne prend pas en compte les oscillations des neutrinos - la transformation de différents types de neutrinos les uns dans les autres.
Les neutrinos sont des particules fondamentales sans charge électrique (neutre). Les neutrinos ne participent qu'aux interactions faibles et gravitationnelles, car l'intensité de leur interaction avec quoi que ce soit est très faible. Les neutrinos sont «gauche» et «droit». Les neutrinos stériles sont dits «bons», ils, contrairement aux autres, ne sont pas contenus dans le modèle standard et n'interagissent pas avec les particules - porteurs d'interactions fondamentales de la nature (bosons de jauge). Dans ce cas, les neutrinos stériles sont mélangés avec des neutrinos actifs, qui sont des particules «gauches» et sont présentes dans le modèle standard. Les neutrinos actifs comprennent tous les types de neutrinos, à l'exception des neutrinos stériles.
Détecteur de neutrinos, vue intérieure / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Les scientifiques ont étudié la raie spectrale des rayons X, récemment découverte dans le rayonnement d'un certain nombre d'amas de galaxies. Cette raie correspond à des photons d'une énergie de 3,55 keV. Habituellement, cela signifierait que ces atomes émettent ces photons en raison de la transition d'un électron d'un niveau à un autre, cependant, des substances avec une différence entre les niveaux de 3,55 keV n'existent pas dans la nature. Les scientifiques ont suggéré que cette ligne de rayons X pourrait apparaître en raison de la désintégration d'un neutrino stérile en un photon et un neutrino actif. Les auteurs ont donc déterminé que la masse du neutrino stérile était d'environ 7,1 keV. A titre de comparaison, la masse d'un proton est de 938 272 keV.
Installation & quot; Troitsk Nu-Mass & quot; / Institut de recherche nucléaire RAS
Les neutrinos stériles peuvent être détectés dans des laboratoires au sol tels que Troitsk Nu-Mass et KATRIN. Ces installations visent à rechercher des neutrinos stériles en utilisant la désintégration radioactive du tritium (l'isotope «lourd» de l'hydrogène 3H). À l'usine Troitsk Nu-Mass, située dans la ville de Troitsk, dans la région de Moscou, les restrictions les plus strictes sur l'angle de mélange au carré ont été obtenues. L'angle de mélange est une grandeur sans dimension qui caractérise l'amplitude de la transition des neutrinos d'un état à un autre. La grandeur mesurée est le carré de cet angle, car elle détermine la probabilité de transition en un seul acte d'interaction.
«Cet article propose un modèle dans lequel les oscillations, c'est-à-dire la naissance de neutrinos stériles, ne commencent pas aux premiers stades de l'évolution de l'Univers, mais bien plus tard. Cela conduit au fait que moins de neutrinos stériles sont produits, ce qui signifie que l'angle de mélange peut être plus grand. Ceci est réalisé grâce à des changements dans le secteur caché. Le secteur caché du modèle est constitué de neutrinos stériles et d'un champ scalaire. Le champ scalaire est responsable du changement qualitatif (transition de phase) de la structure sectorielle. La production de neutrinos stériles n'est possible qu'après cette transition de phase. Par conséquent, des neutrinos moins stériles sont nés dans notre modèle, ce qui nous permet de produire la quantité requise de matière noire à partir de neutrinos stériles avec une masse de l'ordre des kiloélectronvolts avec un grand carré de l'angle de mélange jusqu'à 10-3 , a déclaré l'un des auteurs de l'article, Anton Chudaykin. Assistant de recherche à l'Institut de recherche nucléaire, Académie russe des sciences.
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Comme le notent les scientifiques, la possibilité même de produire la quantité requise de matière noire à partir de neutrinos d'une certaine masse est intéressante du point de vue de la cosmologie.
La constellation du Cancer du télescope Subaru. Les lignes de contour indiquent la distribution de la matière noire / Observatoire astronomique national du Japon et Projet Hyper Suprime-Cam
Le fait est que la matière noire auparavant froide, entièrement constituée de particules lourdes et inactives qui n'empêchent en aucune façon la formation de galaxies naines, a bien décrit l'ensemble des données expérimentales. Avec l'amélioration de l'expérience, il s'est avéré qu'en fait, il y a moins de galaxies que prévu. Cela signifie que la matière noire, très probablement, n'est pas entièrement froide, elle contient des mélanges de matière noire chaude, qui se compose de particules plus rapides et plus légères. Il s'avère que la théorie et les résultats de la recherche divergeaient et que les scientifiques devaient expliquer pourquoi cela s'était produit. Ils ont conclu que la matière noire contient une petite fraction de neutrinos stériles légers, ce qui explique la pénurie de galaxies satellites naines.
Contraintes d'espace de paramètre au carré de l'angle de fusion - “ masse de neutrino stérile ” dans le modèle proposé (la couleur représente la proportion de neutrinos stériles dans la densité énergétique totale de la matière noire) et à partir de recherches directes (lignes vertes). / Anton Chudaykin
Cependant, les neutrinos stériles légers ne peuvent pas constituer toute la matière noire. Les dernières recherches dans ce domaine indiquent que la part de la composante lumière dans la densité totale de matière noire ne devrait pas dépasser 35% aujourd'hui.
«Un signal positif reçu à l'avenir de l'une de ces installations peut être un argument en faveur du modèle proposé, qui conduira à une nouvelle compréhension qualitativement nouvelle de la nature des particules de matière noire dans l'Univers», a conclu le scientifique.
Les travaux ont été menés en collaboration avec des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Université de Manchester (Grande-Bretagne).
