Neutrinovæsker i supernovaer kunne pege på ny fysik - Physics World

Neutrinovæsker i supernovaer kunne pege på ny fysik - Physics World

Tidsstempel: 6. september 2023 kl. 12
Kildeknude: 2866448

Sammensat billede af SN 1987A
Væskesituation: sammensat billede af resterne af SN 1987A. Neutrinoer fra sådanne supernovaer kunne give spor om fysik ud over standardmodellen. (Med høflighed: Alma/NASA/ESA)

Neutrinoer skabt i eksploderende stjerner kunne pege på fysik hinsides standardmodellen, ifølge beregninger udført af Po-Wen Chang og kolleger ved Ohio State University i USA. Deres arbejde forklarer, hvordan en hypotetisk interaktion påvirker pulsen af ​​neutrinoer, der genereres i en kerne-kollaps supernova - noget, der kunne ses i eksisterende og fremtidige observationer af supernovaer.

Neutrinoer er lavmasse og elektrisk neutrale subatomære partikler, der kan rejse lange afstande gennem stof uden at interagere. De produceres i enorme mængder af nogle astrofysiske processer, og astronomer bruger enorme detektorer til at studere de neutrinoer, der ankommer til Jorden. Udover at fortælle os noget om astrofysik, kan studiet af disse kosmiske neutrinoer give indsigt i partiklernes natur.

Nu har Changs hold undersøgt muligheden for, at supernovaeksplosioner kan udløse neutrino-adfærd, som ikke kan forklares af partikelfysikkens standardmodel.

Ekstreme forhold

Standardmodellen siger, at neutrinoer interagerer med hinanden via den svage kernekraft eller tyngdekraften. Men under kernekollaps-supernovaer forventes partiklerne at blive så tætpakket, at de spreder hinanden langt hyppigere end normalt. Under sådanne ekstreme forhold antyder nogle teorier, der går ud over standardmodellen, at en hypotetisk interaktion kaldet "forstærket selvinteraktion" (νSI), kunne opstå. Denne interaktion forudsiges at være størrelsesordener stærkere end den svage interaktion og bør derfor påvirke neutrinoers adfærd i sådanne supernovaer.

For astronomer kom en mulighed for at observere denne effekt i 1987, hvor 25 neutrinoer fra SN 1987A blev registreret i tre neutrino-detektorer. SN 1987A var en kerne-kollaps supernova, der fandt sted kun 168,000 lysår væk i den store magellanske sky.

Den generelle idé er, at νSI skulle have påvirket arten af ​​neutrino-impulsen, der blev detekteret her på Jorden. Men i årtierne efter begivenheden har fysikere kæmpet for at beregne observerbare effekter i SN 1987A's neutrinosignal, der ville fastslå eksistensen af ​​νSI.

Relativistisk hydrodynamik

I deres undersøgelse gentog Changs team problemet ved at overveje neutrinoer, der strømmer udad fra den nyligt dannede neutronstjerne i midten af ​​en supernova med sammenbrud af kerne. Under begrænsningerne af relativistisk hydrodynamik viste deres beregninger, at νSI ville få partiklerne til at handle kollektivt for at danne en tæt, tæt koblet og ekspanderende væske.

Forskerne foreslår også, at denne udvidelse kan følge to mulige veje. I det første scenarie ville neutrinoer flyde ud i et pludseligt udbrud. Resultatet ville være en neutrinovæske, der strækker sig langt ud over den centrale neutronstjerne - hvilket betyder, at neutrinoimpulsen observeret af astronomer ville vare længere. I det andet tilfælde flyder neutrinoer i stedet i en jævn vind med en lavere tæthed. Her ville virkningerne af νSI forsvinde tættere på neutronstjernen, hvilket resulterede i en kortere neutrinoimpuls.

Changs team håber nu, at deres ideer vil blive brugt i yderligere beregninger, der kan gøre det muligt for astronomer at identificere beviser for νSI i neutrinodata fra SN 1987A. "Supernovaernes dynamik er kompliceret, men dette resultat er lovende, fordi vi med relativistisk hydrodynamik ved, at der er en gaffel i vejen for at forstå, hvordan de fungerer nu," siger Chang.

Baseret på deres viden om neutrinoproduktion inde i supernovaer forudsiger forskerne, at deres konstante vindteori er mere sandsynlig end tilfældet med burst-outflow - men indtil videre vil der være behov for mere arbejde for at afgøre, om begge fænomener kan forekomme i den samme eksplosion. .

I sidste ende kan deres opdagelser gøre det meget nemmere for astronomer at indsamle beviser for νSI, når nye supernovaer er observeret i Mælkevejen eller dens galaktiske kvarter - selvom disse stadig kan være årtier nede. "Vi beder altid om, at endnu en galaktisk supernova sker et sted og snart, men det bedste, vi kan gøre, er at prøve at bygge videre på det, vi ved, så meget som muligt, før det sker," siger Chang.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden