Neutrinoflüssigkeiten in Supernovae könnten auf neue Physik hinweisen – Physics World

In explodierenden Sternen erzeugte Neutrinos könnten nach Berechnungen von auf eine Physik jenseits des Standardmodells hinweisen Po-Wen Chang und Kollegen an der Ohio State University in den USA. Ihre Arbeit erklärt, wie eine hypothetische Wechselwirkung den Puls von Neutrinos beeinflusst, der in einer Kernkollaps-Supernova erzeugt wird – etwas, das in bestehenden und zukünftigen Beobachtungen von Supernovae beobachtet werden könnte.

Neutrinos sind massearme und elektrisch neutrale subatomare Teilchen, die ohne Wechselwirkung weite Strecken durch Materie zurücklegen können. Sie werden in großen Mengen durch einige astrophysikalische Prozesse erzeugt und Astronomen verwenden riesige Detektoren, um die Neutrinos zu untersuchen, die auf der Erde ankommen. Die Untersuchung dieser kosmischen Neutrinos kann uns nicht nur etwas über die Astrophysik erzählen, sondern auch Einblicke in die Natur der Teilchen selbst liefern.

Nun hat Changs Team die Möglichkeit untersucht, dass Supernova-Explosionen Neutrino-Verhalten auslösen könnten, das mit dem Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklärt werden kann.

Extreme Bedingungen

Das Standardmodell besagt, dass Neutrinos über die schwache Kernkraft oder Schwerkraft miteinander interagieren. Bei Kernkollaps-Supernovae wird jedoch erwartet, dass die Teilchen so dicht gepackt werden, dass sie weitaus häufiger als gewöhnlich voneinander wegstreuen. Unter solch extremen Bedingungen deuten einige Theorien, die über das Standardmodell hinausgehen, darauf hin, dass eine hypothetische Interaktion namens „erweiterte Selbstinteraktion“ (νSI) entstehen könnte. Es wird vorhergesagt, dass diese Wechselwirkung um Größenordnungen stärker ist als die schwache Wechselwirkung und daher das Verhalten von Neutrinos in solchen Supernovae beeinflussen sollte.

Für Astronomen ergab sich 1987 die Gelegenheit, diesen Effekt zu beobachten, als 25 Neutrinos von SN 1987A in drei Neutrinodetektoren registriert wurden. SN 1987A war eine Kernkollaps-Supernova, die nur 168,000 Lichtjahre entfernt in der Großen Magellanschen Wolke auftrat.

Die allgemeine Idee ist, dass νSI die Natur des Neutrino-Pulses beeinflusst haben sollte, der hier auf der Erde entdeckt wurde. In den Jahrzehnten nach dem Ereignis hatten Physiker jedoch Mühe, beobachtbare Effekte im Neutrinosignal von SN 1987A zu berechnen, die die Existenz von νSI beweisen würden.

Relativistische Hydrodynamik

In ihrer Studie untersuchte Changs Team das Problem erneut, indem es Neutrinos betrachtete, die vom neu entstehenden Neutronenstern im Zentrum einer Kernkollaps-Supernova nach außen strömen. Unter den Randbedingungen der relativistischen Hydrodynamik zeigten ihre Berechnungen, dass νSI dazu führen würde, dass die Partikel kollektiv wirken und eine dichte, eng gekoppelte und expandierende Flüssigkeit bilden.

Die Forscher schlagen auch vor, dass diese Expansion zwei mögliche Wege verfolgen könnte. Im ersten Szenario würden Neutrinos in einem plötzlichen Ausbruch ausströmen. Das Ergebnis wäre eine Neutrinoflüssigkeit, die weit über den zentralen Neutronenstern hinausreicht – was bedeutet, dass der von Astronomen beobachtete Neutrinopuls länger anhalten würde. Im zweiten Fall strömen Neutrinos stattdessen in einem stetigen Wind mit geringerer Dichte. Hier würden die Effekte von νSI näher am Neutronenstern verschwinden, was zu einem kürzeren Neutrinopuls führen würde.

Einige kosmische Neutrinos sind möglicherweise gar nicht kosmisch

Changs Team hofft nun, dass ihre Ideen in weiteren Berechnungen verwendet werden, die es Astronomen ermöglichen könnten, Hinweise auf νSI in Neutrinodaten von SN 1987A zu finden. „Die Dynamik von Supernovae ist kompliziert, aber dieses Ergebnis ist vielversprechend, denn mit der relativistischen Hydrodynamik wissen wir, dass es eine Weggabelung gibt, um zu verstehen, wie sie jetzt funktionieren“, sagt Chang.

Basierend auf ihrem Wissen über die Neutrinoproduktion innerhalb von Supernovae sagen die Forscher voraus, dass ihre Theorie des stetigen Windes wahrscheinlicher ist als der Fall des Burst-Outflows – aber vorerst wird noch mehr Arbeit nötig sein, um festzustellen, ob beide Phänomene in derselben Explosion auftreten könnten oder nicht .

Letztendlich könnten ihre Entdeckungen es den Astronomen wesentlich erleichtern, Beweise für νSI zu sammeln, sobald neue Supernovae in der Milchstraße oder ihrer galaktischen Nachbarschaft beobachtet werden – auch wenn diese möglicherweise noch Jahrzehnte später auftreten. „Wir beten immer dafür, dass bald irgendwo eine weitere galaktische Supernova passiert, aber das Beste, was wir tun können, ist, so viel wie möglich auf dem aufzubauen, was wir wissen, bevor es passiert“, sagt Chang.

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/neutrino-fluids-in-supernovae-could-point-to-new-physics/