О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Украина | Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Болотное дело
Читайте нас:

статья Первые звезды были зажжены стерильными нейтрино

Максим Борисов, 18.04.2006
Реклама

Эксперимент MiniBooNE (вид на детектор). MiniBooNE может подтвердить существование сравнительно маломассивного стерильного нейтрино. Фото FNAL с сайта New Scientist

Открытие пока еще не обнаруженного типа нейтрино может помочь в разрешении целого ряда астрофизических загадок, начиная с выяснения природы темной материи и заканчивая тайной рождения первых звезд. Однако добыть неоспоримые доказательства существования этого типа частиц может оказаться довольно сложной задачей.

Нейтрино - это элементарные частицы (они относятся к лептонам), в больших количествах рождающиеся в ядерных "топках" звезд, а еще больше их возникает при взрывах сверхновых. Ныне известно три типа (сорта) нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино. За последние десять лет экспериментальными методами удалось доказать, что нейтрино способны испытывать так называемые осцилляции (neutrino oscillations), в ходе которых они переходят из одного типа в другой (сама идея осциллирующих нейтрино (1957 г.) принадлежит выдающемуся итальянскому физику Бруно Понтекорво (Bruno Pontecorvo, 1913-1993), работавшему в СССР - он указал на возможность смешивания электронного и мюонного типов нейтрино). Теоретически это возможно только в том случае, если нейтрино обладают ненулевой массой покоя.

К настоящему времени еще не удалось получить точные значения всех масс нейтрино (появились лишь известные экспериментальные ограничения на них, для электронного нейтрино это меньше 3 эВ или даже доли электронвольта), однако сам факт наличия таких масс, кажется, подразумевает, что должен существовать и четвертый сорт нейтрино - так называемые стерильные нейтрино ("sterile" neutrinos).

Все три известных типа нейтрино имеют один и тот же спин (1/2) и одну и ту же спиральность - они левополяризованные (антинейтрино, соответственно, правополяризованные). А стерильные нейтрино появились "на кончике пера" как правые компоненты в теории Вайнберга-Глэшоу-Салама (объединившей в свое время электромагнитные и слабые взаимодействия). Стерильными они названы потому, что не участвуют даже в обычных слабых взаимодействиях (с участием тяжелых промежуточных бозонов W и Z) и с обычной материей взаимодействуют исключительно гравитационным образом (стерильные вообще гораздо массивнее, чем известные типы нейтрино). И опять же путем осцилляций обычные состояния нейтрино могут переходить в стерильные (и наоборот). При этом может происходить испускание (или, соответственно, поглощение) бозонов Хиггса (Higgs boson, H).

Если бы масса стерильных нейтрино превышала массу "нормальных" в триллионы раз, то они все уже в течение первой секунды после Большого взрыва должны были бы превратиться в своих более легких "кузенов". А вот если соотношение масс находится в пределах 100 тысяч или около того (т.е. несколько килоэлектронвольт, 1 кэВ - это одна миллионная массы водородного атома), то стерильные все еще могут существовать в нашей Вселенной и распадаться время от времени в более легкие типы нейтрино с излучением фотонов рентгеновского диапазона.

В 1994 году Скотт Доделсон (Scott Dodelson) из Национальной лаборатории высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (Fermilab, Fermi National Accelerator Laboratory - FNAL) в Батавии (штат Иллинойс, США) и Лоренс Видроу (Lawrence Widrow) из Королевского университета в Кингстоне (Queen's University, Канада) предположили, что такие относительно маломассивные стерильные нейтрино могли бы составлять основу темного вещества - то есть неведомого нам пока типа материи, что раз в шесть превосходит по своей полной массе массу всего "нормального" вещества Вселенной. Каково общее число стерильных нейтрино во Вселенной, пока неясно. Если масса стерильных нейтрино составляет порядка нескольких килоэлектронвольт, то их присутствие уже могло бы объяснить полностью феномен темной материи. Тогда же исследователи, возглавляемые выпускником Московского университета Александром Кусенко, работающим в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, проделали выкладки, согласно которым стерильные нейтрино, рожденные во взрывах сверхновых звезд, могли бы "толкать" образующиеся в ходе этих взрывов нейтронные звезды, и в результате этих "пинков" ("киков" - от слова "kick") остатки взрывов могли бы приобретать скорости до тысяч километров в секунду - явление, которое до этого казалось малообъяснимым. Дело в том, что на излучение нейтрино тратится до 99% энергии взрыва и небольшая (даже однопроцентная) анизотропия потоков нейтрино, вызванная нейтринной осцилляцией и конфигурацией магнитных полей, может привести к выдаче очень большого импульса.

Карта всего неба, отображающая интенсивность "самого древнего света" во Вселенной. Цвета обозначают мельчайшие колебания температуры реликтового излучения. "Самые теплые" места видятся красными пятнами, самые "прохладные" - синими. Овальная форма картинки - это проекция, на которой показывается оба небесных полушария; подобно этому и земной шар может быть представлен как овал. Изображение NASA/WMAP с сайта www.gsfc.nasa.gov

На иллюстрации: Карта всего неба, отображающая интенсивность "самого древнего света" во Вселенной. Цвета обозначают мельчайшие колебания температуры реликтового излучения. "Самые теплые" места видятся красными пятнами, самые "прохладные" - синими. Овальная форма картинки - это проекция, на которой показаны оба небесных полушария; подобно этому и земной шар может быть представлен как овал. Изображение NASA/WMAP с сайта www.gsfc.nasa.gov.

Теперь же Петер Бирманн (Peter Biermann), что работает в германском Радиоастрономическом институте имени Макса Планка (Max-Planck-Institut für Radioastronomie - MPIFR, Бонн), и Кусенко пришли к выводу, что стерильные нейтрино, возможно, помогли также появиться и самым первым поколениями звезд (публикация Physical Review Letters 10 марта 2006 г. - PRL (vol 96, no 091301)). Как известно, результаты наблюдений зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - Зонд для исследования микроволновой анизотропии имени Дэвида Вилкайнсона), опубликованные в 2003 году, заставили предположить, что первые звезды начали ионизировать межзвездный газ спустя всего лишь 200 миллионов лет после Большого взрыва. Это обстоятельство весьма озадачивало астрономов, поскольку срок, прошедший со времен рождения этого мира и до появления первых звезд, был необычайно мал. Новые результаты WMAP, обнародованные совсем недавно, несколько упростили ученым жизнь (теперь граница ионизация относится уже к порогу в 400 миллионов лет), однако и такой срок на сотни миллионов лет уступает ожидаемому из стандартных теорий звездообразования.

Автоматический зонд WMAP. Высота - 150 дюймов (3,8 м), ширина - 198 дюймов (5 м). Весит WMAP 1 850 фунтов (840 кг). Фото NASA/WMAP с сайта www.gsfc.nasa.gov Кусенко считает, что именно участие (в качестве своеобразного катализатора) стерильных нейтрино в формировании (охлаждении) газовых облаков из молекулярного водорода могло бы ускорить процессы первого звездообразования. Ведь образование водородных молекул требует связи двух атомов водорода. И подобные реакции протекают гораздо активнее, если один из атомов заранее ионизирован (лишен электронной оболочки). И вот эта-то изначальная ионизация могла быть вызвана рентгеновским излучением, продуцируемым распадающимися стерильными нейтрино в условиях ранней Вселенной. Первые звезды во Вселенной тогда могли бы зажечься уже спустя 20-100 миллионов лет после Большого взрыва, а ионизация газа, окружающего их, произошла тогда спустя 150-400 миллионов лет после Большого взрыва.

Кроме того, именно деятельностью стерильных нейтрино можно объяснить отсутствие больших скоплений антивещества в окружающем нас мире (так называемую барионную асимметрию Вселенной). В условиях ранней Вселенной эти стерильные нейтрино, возможно, производили "захват" плазменного "лептонного заряда" ("lepton number"), и таким образом был нарушен "закон сохранения" лептонного заряда, ну а в более позднее время недостаток этого лептонного заряда был конвертирован в барионный заряд, отличный от нуля - возникла асимметрия между барионами (вроде протонов) и антибарионами (вроде антипротонов).

Кусенко считает, что уже на нынешнем этапе развития экспериментальной техники есть шанс на обнаружение различных типов стерильных нейтрино, которые, однако, имеют меньшую массу, чем те, что несут ответственность за неуловимую темную материю. Так, несколько лет назад результаты эксперимента в американской Национальной лаборатории Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory) в штате Нью-Мексико позволили заговорить о возможности существования стерильных нейтрино с массой порядка 1 электронвольта, а в настоящее время в Fermilab в разгаре многообещающий проект по нейтринным осцилляциям и поискам массы нейтрино MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment), очередные результаты которого ожидаются в 2006 году.

Источники:
Dark Matter Lighting up the First Stars Sterile Neutrinos fecundate the Creation of Stars - Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Did "Dark Matter" Create the First Stars? Dark matter could be "sterile" neutrinos, whose decay led to the formation of stars in the early universe - Max Planck Society - Press Release
'Sterile' neutrinos may solve cosmic conundrums - New Scientist
Relic keV sterile neutrinos and reionization - arXiv

Ссылки:
Стерильные нейтрино (блог "Элементов")
Скрытая масса может состоять из стерильных нейтрино
Осцилляции нейтрино - "рентген" для небесных тел?
Физика нейтрино
Нейтринные осцилляции
Нейтрино
Загадки массы

Максим Борисов, 18.04.2006


новость Новости по теме
Фото и Видео






Наши спонсоры
Выбор читателей