Cientistas do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências formularam um novo modelo físico que permite criar a quantidade de matéria escura necessária para a pesquisa de neutrinos. O trabalho foi realizado como parte de um projeto apoiado por uma bolsa da Russian Science Foundation, e seus resultados foram publicados no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) e apresentados na 6ª Conferência Internacional sobre Novas Fronteiras em Física.
A matéria escura representa 25% da matéria total do Universo, não emite radiação eletromagnética e não interage diretamente com ela. Nada se sabe com certeza sobre a natureza da matéria escura, exceto que ela pode se agrupar - reunir em condensações. Para descrever a matéria escura, os astrofísicos estendem o Modelo Padrão da Física de Partículas, uma teoria estabelecida na física teórica que descreve as interações eletromagnéticas, fracas e fortes. Hoje, os cientistas chegaram à conclusão de que esse modelo não descreve totalmente a realidade, porque não leva em consideração as oscilações dos neutrinos - a transformação de diferentes tipos de neutrinos uns nos outros.
Neutrinos são partículas fundamentais sem carga elétrica (neutras). Os neutrinos participam apenas de interações fracas e gravitacionais, porque a intensidade de sua interação com qualquer coisa é muito baixa. Neutrinos são "esquerdos" e "direitos". Os neutrinos estéreis são chamados de "certos", eles, ao contrário de outros, não estão contidos no Modelo Padrão e não interagem com partículas - portadoras de interações fundamentais da natureza (bósons de calibre). Nesse caso, os neutrinos estéreis são misturados com os neutrinos ativos, que são partículas "canhotas" e estão presentes no modelo padrão. Os neutrinos ativos incluem todos os tipos de neutrinos, exceto os estéreis.
Detector de neutrino, visão interna / Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Os cientistas estudaram a linha espectral de raios-X, recentemente descoberta na radiação de vários aglomerados de galáxias. Esta linha corresponde a fótons com energia de 3,55 keV. Normalmente, isso significaria que esses átomos emitem esses fótons devido à transição de um elétron de um nível para outro, no entanto, substâncias com diferença entre os níveis de 3,55 keV não existem na natureza. Os cientistas sugeriram que esta linha de raios-X poderia aparecer devido à decadência de um neutrino estéril em um fóton e um neutrino ativo. Assim, os autores determinaram que a massa do neutrino estéril era de aproximadamente 7,1 keV. Para efeito de comparação, a massa de um próton é 938 272 keV.
Instalação & quot; Troitsk Nu-Mass & quot; / Instituto de Pesquisa Nuclear RAS
Neutrinos estéreis podem ser detectados em laboratórios terrestres, como Troitsk Nu-Mass e KATRIN. Essas instalações têm como objetivo a busca de neutrinos estéreis por meio do decaimento radioativo do trítio (o isótopo "pesado" do hidrogênio 3H). Na planta Troitsk Nu-Mass, localizada na cidade de Troitsk, região de Moscou, foram obtidas as maiores restrições no ângulo de mistura quadrado. O ângulo de mistura é uma quantidade adimensional que caracteriza a amplitude da transição do neutrino de um estado para outro. A quantidade medida é o quadrado desse ângulo, pois determina a probabilidade de transição em um único ato de interação.
“Este trabalho propõe um modelo no qual as oscilações, ou seja, o nascimento dos neutrinos estéreis, começam não nos estágios iniciais da evolução do Universo, mas muito depois. Isso leva ao fato de que menos neutrinos estéreis são produzidos, o que significa que o ângulo de mistura pode ser maior. Isso é conseguido por meio de mudanças no setor oculto. O setor oculto do modelo consiste em neutrinos estéreis e um campo escalar. O campo escalar é responsável pela mudança qualitativa (transição de fase) da estrutura do setor. A produção de neutrino estéril só é possível após essa transição de fase. Portanto, os neutrinos menos estéreis nascem em nosso modelo, o que nos permite produzir a quantidade necessária de matéria escura a partir de neutrinos estéreis com uma massa da ordem de quiloeletronvolts com um grande quadrado do ângulo de mistura de até 10-3 , disse um dos autores do artigo, Anton Chudaykin. Assistente de pesquisa no Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências.
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Como observam os cientistas, a própria possibilidade de produzir a quantidade necessária de matéria escura a partir de neutrinos de certa massa é de interesse do ponto de vista da cosmologia.
A constelação de Câncer do telescópio Subaru. As linhas de contorno indicam a distribuição de matéria escura / Observatório Astronômico Nacional do Japão e Projeto Hyper Suprime-Cam
O fato é que a matéria escura até então fria, composta inteiramente por partículas pesadas e inativas que não impedem de forma alguma a formação de galáxias anãs, descreveu bem todo o conjunto de dados experimentais. Com o aprimoramento do experimento, descobriu-se que, na verdade, existem menos galáxias desse tipo do que o esperado. Isso significa que a matéria escura, muito provavelmente, não é totalmente fria, ela contém misturas de matéria escura quente, que consiste em partículas mais rápidas e mais leves. Acontece que a teoria e os resultados da pesquisa divergiam, e os cientistas precisavam explicar por que isso aconteceu. Eles concluíram que a matéria escura contém uma pequena fração de neutrinos estéreis à luz, o que explica a escassez de galáxias satélites anãs.
Restrições de espaço de parâmetro de ângulo de mesclagem quadrada - “ massa de neutrino estéril ” no modelo proposto (a cor representa a proporção de neutrinos estéreis na densidade de energia total da matéria escura) e de buscas diretas (linhas verdes). / Anton Chudaykin
Os neutrinos estéreis leves, entretanto, não podem constituir toda a matéria escura. A pesquisa mais recente nesta área diz que a participação do componente claro na densidade total da matéria escura hoje não deve exceder 35%.
“O sinal positivo recebido no futuro de qualquer uma dessas instalações pode ser um argumento a favor do modelo proposto, que levará a uma compreensão qualitativamente nova da natureza das partículas de matéria escura no Universo”, concluiu o cientista.
O trabalho foi realizado em colaboração com cientistas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha).
