|
Нейтрино и темная материя
|
|
|
|
Нейтрино - это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие очень малой массой, которые, как известно, взаимодействуют с другой материей посредством слабого взаимодействия или гравитации. Хотя эти частицы были в центре внимания многочисленных исследований, процессы, посредством которых они приобретают свою массу, до сих пор не выяснены.
|
|
|
|
Одна из гипотез заключается в том, что массы нейтрино возникают в результате взаимодействия со сверхлегкой темной материей, которая, как предполагается, состоит из частиц или полей с чрезвычайно малыми массами менее 10 электрон-вольт (эВ). Исследователи из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Салерно недавно решили проверить эту гипотезу, сравнив данные, собранные в ходе эксперимента с жидко-сцинтилляционным детектором антинейтрино Kamioka (KamLAND), с теоретическими предсказаниями.
|
|
|
|
Их результаты, опубликованные в статье в журнале Physical Review Letters, предполагают, что массы нейтрино вряд ли имеют темное происхождение.
|
|
|
|
"Мотивацией для этой работы послужил один из самых актуальных открытых вопросов в физике элементарных частиц: происхождение масс нейтрино", - сказал Лука Визинелли, старший автор статьи Phys.org.
|
|
|
|
|
|
|
"В отличие от других фермионов, нейтрино в стандартной модели безмассовые, но эксперименты ясно показали, что они должны обладать крошечной массой, о чем свидетельствует явление нейтринных осцилляций. Поскольку массы нейтрино настолько малы, их происхождение, вероятно, связано с новой физикой, выходящей за рамки стандартной модели, потенциально не связанной с механизмом Хиггса, который придает массу другим известным частицам".
|
|
|
|
В последние годы многие физики изучают возможность того, что массы нейтрино возникают в результате взаимодействия с так называемым "темным сектором", или, другими словами, с гипотетическими полями и силами, также связанными с темной материей или темной энергией. Визинелли и его коллеги Эндрю Чик и Хонг-И Чжан воспользовались этими более ранними работами для дальнейшей проверки этой гипотезы, используя комбинацию теории и экспериментальных наблюдений.
|
|
|
|
"Мы разработали концепцию, в которой малость масс нейтрино является результатом их взаимодействия с темным сектором, а затем тщательно проверили, можно ли обнаружить такую связь, используя существующие данные о нейтрино, включая эксперименты по осцилляциям нейтрино с короткой и длинной базовыми линиями и измерения солнечных нейтрино", - сказал Визинелли. "Наши результаты показывают, что такое происхождение масс нейтрино из темного сектора не подтверждается текущими данными".
|
|
|
|
В целом, результаты, полученные исследователями, свидетельствуют о том, что крайне маловероятно, что массы нейтрино возникают в результате взаимодействия с темным сектором. С другой стороны, гораздо более вероятно, что их можно объяснить обычными явлениями физики элементарных частиц. Таким образом, их исследование могло бы направить будущие усилия, направленные на раскрытие происхождения масс нейтрино, сузив круг процессов, которые могли бы объяснить их появление.
|
|
|
|
"Чтобы проверить нашу гипотезу, мы разработали теоретическую модель, в которой нейтрино приобретают массу в результате взаимодействия с новыми частицами в темном секторе", - пояснил Висинелли. "В частности, мы рассмотрели случай, когда темная материя состоит из легких бозонных полей. Эти поля ведут себя как когерентные волны, колеблющиеся во времени с частотой, определяемой массой бозона.
|
|
|
|
"В этой установке мы тщательно проанализировали, как частота этих колебаний соотносится с временными рамками, относящимися к экспериментам с нейтрино, поскольку эти колебания могут быть как быстрыми, так и медленными в зависимости от массы темной материи".
|
|
|
|
В рамках своего анализа исследователи также рассмотрели пространственные изменения поля темной материи. Другими словами, они объясняют тот факт, что темная материя будет иметь характерную длину колебаний, которая совпадает с расположением источника и детектора в нейтринных экспериментах, а также с движениями Земли в нашей галактике.
|
|
|
|
"Эти соображения приводят к изменению стандартных вероятностей осцилляций нейтрино", - сказал Визинелли. "Мы показываем, что такие изменения могут быть проверены с использованием данных современных нейтринных обсерваторий для различных масс темной материи.
|
|
|
|
"Наше исследование предоставляет проверяемую основу, связывающую происхождение масс нейтрино с взаимодействиями с темным сектором. Этот сценарий может быть ограничен систематическим анализом текущих данных о солнечных и базовых нейтрино, а также тщательным моделированием астрофизической обстановки".
|
|
|
|
Сравнив теоретические предсказания с наблюдениями нейтрино в эксперименте Камланда, исследователи показали, что массы нейтрино, скорее всего, возникают в результате обычных процессов физики элементарных частиц или других новых физических явлений, не связанных с темной материей. По мере поступления новых данных, связанных с нейтрино, Визинелли и его коллеги планируют использовать их для пересмотра своей концепции и проверки новых теоретических предсказаний.
|
|
|
|
"Предстоящие результаты экспериментов с "Юноной" и "ДЮНОЙ" могут позволить нам обнаружить незначительные изменения параметров нейтринных колебаний во времени по сравнению с тем, что ожидается от решения проблемы вакуумной массы", - добавил Визинелли.
|
|
|
|
"Помимо нейтрино, мы также изучаем возможность применения аналогичных идей к другим квантовым системам. Например, атомные и ядерные системы, подобные тем, которые изучаются с помощью атомных часов или прецизионных магнитометров, также могут быть чувствительны к колебаниям, вызванным легкой бозонной темной материей".
|
|
|
|
Источник
|
