Neutrinovloeistoffen in supernovae kunnen wijzen op nieuwe natuurkunde – Physics World

Neutrinovloeistoffen in supernovae kunnen wijzen op nieuwe natuurkunde – Physics World

Tijdstempel: 6 september 2023 12:22 uur
Bronknooppunt: 2866448

Samengesteld beeld van SN 1987A
Vloeiende situatie: samengesteld beeld van het overblijfsel van SN 1987A. Neutrino's van dergelijke supernova's zouden aanwijzingen kunnen geven over de natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel. (Met dank aan: Alma/NASA/ESA)

Neutrino's die in exploderende sterren zijn gecreëerd, zouden volgens berekeningen van het bedrijf kunnen wijzen op natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel Po-Wen Chang en collega's van de Ohio State University in de VS. Hun werk legt uit hoe een hypothetische interactie de puls van neutrino's beïnvloedt die wordt gegenereerd in een supernova die ineenstort - iets dat kan worden gezien in bestaande en toekomstige observaties van supernova's.

Neutrino's zijn elektrisch neutrale subatomaire deeltjes met een lage massa die lange afstanden door materie kunnen afleggen zonder interactie. Ze worden in grote hoeveelheden geproduceerd door bepaalde astrofysische processen en astronomen gebruiken enorme detectoren om de neutrino's te bestuderen die op aarde aankomen. Het bestuderen van deze kosmische neutrino's vertelt ons niet alleen iets over astrofysica, maar kan ook inzicht verschaffen in de aard van de deeltjes zelf.

Nu heeft het team van Chang de mogelijkheid onderzocht dat supernova-explosies neutrinogedrag kunnen veroorzaken dat niet kan worden verklaard door het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Extreme condities

Het Standaardmodel zegt dat neutrino's met elkaar interageren via de zwakke kernkracht of zwaartekracht. Maar tijdens supernovae die de kern instorten, wordt verwacht dat de deeltjes zo dicht opeengepakt raken dat ze veel vaker dan normaal van elkaar verstrooid raken. In zulke extreme omstandigheden suggereren sommige theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel dat er een hypothetische interactie zou kunnen ontstaan ​​die ‘enhanced self-interaction’ (νSI) wordt genoemd. Er wordt voorspeld dat deze interactie ordes van grootte sterker zal zijn dan de zwakke interactie en daarom het gedrag van neutrino's in dergelijke supernova's zou moeten beïnvloeden.

Voor astronomen kwam er in 1987 een kans om dit effect waar te nemen, toen 25 neutrino's uit SN 1987A werden geregistreerd in drie neutrinodetectoren. SN 1987A was een supernova die instortte op slechts 168,000 lichtjaar afstand in de Grote Magelhaense Wolk.

Het algemene idee is dat νSI de aard van de neutrinopuls zou hebben beïnvloed die hier op aarde werd gedetecteerd. In de decennia na de gebeurtenis hebben natuurkundigen echter moeite gehad om waarneembare effecten in het neutrinosignaal van SN 1987A te berekenen die het bestaan ​​van νSI zouden kunnen aantonen.

Relativistische hydrodynamica

In hun onderzoek heeft het team van Chang het probleem opnieuw bekeken door neutrino's te beschouwen die naar buiten stromen vanuit de nieuw gevormde neutronenster in het centrum van een supernova die ineenstort. Onder de beperkingen van de relativistische hydrodynamica lieten hun berekeningen zien dat νSI ervoor zou zorgen dat de deeltjes gezamenlijk een dichte, nauw gekoppelde en uitzettende vloeistof vormen.

De onderzoekers suggereren ook dat deze uitbreiding twee mogelijke paden zou kunnen volgen. In het eerste scenario zouden neutrino’s in een plotselinge uitbarsting naar buiten stromen. Het resultaat zou een neutrinovloeistof zijn die zich tot ver buiten de centrale neutronenster uitstrekt – wat betekent dat de door astronomen waargenomen neutrinopuls langer zou aanhouden. In het tweede geval stromen neutrino's in plaats daarvan in een constante wind met een lagere dichtheid. Hier zouden de effecten van νSI dichter bij de neutronenster verdwijnen, wat zou resulteren in een kortere neutrinopuls.

Het team van Chang hoopt nu dat hun ideeën zullen worden gebruikt in verdere berekeningen die astronomen in staat zouden kunnen stellen bewijs van νSI te identificeren in neutrinogegevens van SN 1987A. "De dynamiek van supernova's is ingewikkeld, maar dit resultaat is veelbelovend omdat we met de relativistische hydrodynamica weten dat er een splitsing in de weg is om te begrijpen hoe ze nu werken", zegt Chang.

Op basis van hun kennis van de productie van neutrino's in supernova's voorspellen de onderzoekers dat hun theorie van constante wind waarschijnlijker is dan het geval van een burst-outflow – maar voorlopig zal er meer werk nodig zijn om te bepalen of beide verschijnselen al dan niet in dezelfde explosie kunnen optreden. .

Uiteindelijk zouden hun ontdekkingen het voor astronomen veel gemakkelijker kunnen maken om bewijsmateriaal voor νSI te verzamelen zodra er nieuwe supernovae worden waargenomen in de Melkweg of de galactische omgeving ervan – hoewel dit nog tientallen jaren kan duren. “We bidden altijd dat er ergens en snel weer een galactische supernova zal plaatsvinden, maar het beste wat we kunnen doen is zoveel mogelijk proberen voort te bouwen op wat we weten voordat het gebeurt”, zegt Chang.

Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld