Los científicos del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia de Ciencias de Rusia han formulado un nuevo modelo físico que le permite crear la cantidad de materia oscura necesaria para la investigación a partir de neutrinos. El trabajo se llevó a cabo como parte de un proyecto apoyado por una subvención de la Russian Science Foundation, y sus resultados se publicaron en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) y se presentaron en la 6a Conferencia Internacional sobre Nuevas Fronteras en Física.
La materia oscura constituye el 25% de la materia total del Universo, no emite radiación electromagnética y no interactúa directamente con ella. Nada se sabe con certeza sobre la naturaleza de la materia oscura, excepto que puede agruparse, reunirse en condensaciones. Para describir la materia oscura, los astrofísicos amplían el Modelo Estándar de Física de Partículas, una teoría establecida en la física teórica que describe las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes. Hoy en día, los científicos han llegado a la conclusión de que este modelo no describe completamente la realidad, porque no tiene en cuenta las oscilaciones de neutrinos, la transformación de diferentes tipos de neutrinos entre sí.
Los neutrinos son partículas fundamentales que no tienen carga eléctrica (neutra). Los neutrinos participan solo en interacciones débiles y gravitacionales, porque la intensidad de su interacción con cualquier cosa es muy baja. Los neutrinos son "izquierda" y "derecha". Los neutrinos estériles se llaman "correctos", ellos, a diferencia de otros, no están contenidos en el Modelo Estándar y no interactúan con partículas - portadores de interacciones fundamentales de la naturaleza (bosones gauge). En este caso, los neutrinos estériles se mezclan con neutrinos activos, que son partículas "zurdas" y están presentes en el Modelo Estándar. Los neutrinos activos incluyen todos los tipos de neutrinos, excepto los estériles.
Detector de neutrinos, vista interior / Roy Kaltschmidt, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
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Los científicos han estudiado la línea espectral de rayos X, recientemente descubierta en la radiación de varios cúmulos de galaxias. Esta línea corresponde a fotones con una energía de 3,55 keV. Por lo general, esto significaría que estos átomos emiten estos fotones debido a la transición de un electrón de un nivel a otro, sin embargo, las sustancias con una diferencia entre los niveles de 3,55 keV no existen en la naturaleza. Los científicos han sugerido que esta línea de rayos X podría aparecer debido a la desintegración de un neutrino estéril en un fotón y un neutrino activo. Entonces, los autores determinaron que la masa del neutrino estéril era de aproximadamente 7,1 keV. A modo de comparación, la masa de un protón es 938 272 keV.
Instalación & quot; Troitsk Nu-Mass & quot; / Instituto de Investigación Nuclear RAS
Los neutrinos estériles se pueden detectar en laboratorios terrestres como Troitsk Nu-Mass y KATRIN. Estas instalaciones tienen como objetivo la búsqueda de neutrinos estériles utilizando la desintegración radiactiva del tritio (el isótopo "pesado" del hidrógeno 3H). En la planta de Troitsk Nu-Mass ubicada en la ciudad de Troitsk, Región de Moscú, se obtuvieron las restricciones más fuertes en el ángulo de mezcla al cuadrado. El ángulo de mezcla es una cantidad adimensional que caracteriza la amplitud de la transición de neutrinos de un estado a otro. La cantidad medida es el cuadrado de este ángulo, ya que determina la probabilidad de transición en un solo acto de interacción.
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“Este artículo propone un modelo en el que las oscilaciones, es decir, el nacimiento de neutrinos estériles, no comienzan en las primeras etapas de la evolución del Universo, sino mucho más tarde. Esto conduce al hecho de que se producen menos neutrinos estériles, lo que significa que el ángulo de mezcla puede ser mayor. Esto se logra mediante cambios en el sector oculto. El sector oculto del modelo consta de neutrinos estériles y un campo escalar. El campo escalar es responsable del cambio cualitativo (transición de fase) de la estructura del sector. La producción de neutrinos estériles solo es posible después de esta transición de fase. Por lo tanto, en nuestro modelo nacen neutrinos menos estériles, lo que nos permite producir la cantidad requerida de materia oscura a partir de neutrinos estériles con una masa del orden de kiloelectronvoltios con un gran cuadrado del ángulo de mezcla de hasta 10-3 , dijo uno de los autores del artículo, Anton Chudaykin. Asistente de investigación en el Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia de Ciencias de Rusia.
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Como señalan los científicos, la posibilidad misma de producir la cantidad necesaria de materia oscura a partir de neutrinos de cierta masa es de interés desde el punto de vista cosmológico.
La constelación de Cáncer del telescopio Subaru. Las curvas de nivel indican la distribución de la materia oscura / Observatorio Astronómico Nacional de Japón y Proyecto Hyper Suprime-Cam
El hecho es que la materia oscura previamente fría, compuesta completamente por partículas pesadas e inactivas que no impiden la formación de galaxias enanas de ninguna manera, describió bien todo el conjunto de datos experimentales. Con la mejora del experimento, resultó que, de hecho, hay menos galaxias de lo esperado. Esto significa que la materia oscura, muy probablemente, no es toda fría, contiene mezclas de materia oscura cálida, que consiste en partículas más rápidas y ligeras. Resulta que la teoría y los resultados de la investigación divergieron, y los científicos debían explicar por qué sucedió esto. Concluyeron que la materia oscura contiene una pequeña fracción de neutrinos estériles ligeros, lo que explica la escasez de galaxias satélites enanas.
Restricciones de espacio de parámetro de ángulo cuadrado de fusión - “ masa de neutrino estéril ” en el modelo propuesto (el color representa la proporción de neutrinos estériles en la densidad energética total de la materia oscura) y de búsquedas directas (líneas verdes). / Anton Chudaykin
Sin embargo, los neutrinos estériles ligeros no pueden constituir toda la materia oscura. Estudios recientes en esta área dicen que la participación del componente ligero en la densidad total de materia oscura hoy no debería exceder el 35%.
“La señal positiva recibida en el futuro de cualquiera de estas instalaciones puede ser un argumento a favor del modelo propuesto, lo que conducirá a una comprensión cualitativamente nueva de la naturaleza de las partículas de materia oscura en el Universo”, concluyó el científico.
El trabajo se llevó a cabo en colaboración con científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad de Manchester (Gran Bretaña).
