Nøytrinovæsker i supernovaer kan peke på ny fysikk – Physics World

Nøytrinovæsker i supernovaer kan peke på ny fysikk – Physics World

Tidsstempel: 6. september 2023 12:22
Kilde node: 2866448

Sammensatt bilde av SN 1987A
Væskesituasjon: sammensatt bilde av resten av SN 1987A. Nøytrinoer fra slike supernovaer kan gi ledetråder om fysikk utover Standardmodellen. (Med tillatelse: Alma/NASA/ESA)

Nøytrinoer skapt i eksploderende stjerner kan peke på fysikk utenfor standardmodellen, ifølge beregninger gjort av Po-Wen Chang og kolleger ved Ohio State University i USA. Arbeidet deres forklarer hvordan en hypotetisk interaksjon påvirker pulsen til nøytrinoer som genereres i en kjernekollaps supernova - noe som kan sees i eksisterende og fremtidige observasjoner av supernovaer.

Nøytrinoer er lavmasse og elektrisk nøytrale subatomære partikler som kan reise lange avstander gjennom materie uten å samhandle. De produseres i enorme mengder av noen astrofysiske prosesser, og astronomer bruker enorme detektorer for å studere nøytrinoene som kommer til jorden. I tillegg til å fortelle oss noe om astrofysikk, kan det å studere disse kosmiske nøytrinoene gi innsikt i partiklenes natur.

Nå har Changs team undersøkt muligheten for at supernovaeksplosjoner kan utløse nøytrino-atferd som ikke kan forklares av standardmodellen for partikkelfysikk.

Ekstreme forhold

Standardmodellen sier at nøytrinoer samhandler med hverandre via den svake kjernekraften eller tyngdekraften. Men under kjernekollaps-supernovaer forventes partiklene å bli så tettpakket at de sprer hverandre langt oftere enn vanlig. Under slike ekstreme forhold antyder noen teorier som går utover standardmodellen at en hypotetisk interaksjon kalt "forbedret selvinteraksjon" (νSI), kan dukke opp. Denne interaksjonen er spådd å være størrelsesordener sterkere enn den svake interaksjonen og bør derfor påvirke oppførselen til nøytrinoer i slike supernovaer.

For astronomer kom en mulighet til å observere denne effekten i 1987, da 25 nøytrinoer fra SN 1987A ble registrert i tre nøytrino-detektorer. SN 1987A var en kjernekollaps supernova som fant sted bare 168,000 XNUMX lysår unna i den store magellanske skyen.

Den generelle ideen er at νSI burde ha påvirket naturen til nøytrinopulsen som ble oppdaget her på jorden. Imidlertid har fysikere i tiårene etter hendelsen slitt med å beregne observerbare effekter i SN 1987As nøytrinosignal som ville fastslå eksistensen av νSI.

Relativistisk hydrodynamikk

I sin studie tok Changs team tilbake til problemet ved å vurdere nøytrinoer som strømmer utover fra den nylig dannede nøytronstjernen i midten av en kjernekollaps supernova. Under begrensningene til relativistisk hydrodynamikk viste deres beregninger at νSI ville få partiklene til å virke kollektivt for å danne en tett, tett koblet og ekspanderende væske.

Forskerne foreslår også at denne utvidelsen kan følge to mulige veier. I det første scenariet ville nøytrinoer strømme ut i et plutselig utbrudd. Resultatet ville være en nøytrinovæske som strekker seg langt utenfor den sentrale nøytronstjernen - noe som betyr at nøytrinopulsen observert av astronomer ville vare lenger. I det andre tilfellet strømmer nøytrinoer i stedet i en jevn vind med lavere tetthet. Her ville effekten av νSI forsvinne nærmere nøytronstjernen, noe som resulterte i en kortere nøytrinopuls.

Changs team håper nå ideene deres vil bli brukt i ytterligere beregninger som kan gjøre det mulig for astronomer å identifisere bevis på νSI i nøytrinodata fra SN 1987A. "Dynamikken til supernovaer er komplisert, men dette resultatet er lovende fordi med relativistisk hydrodynamikk vet vi at det er en gaffel i veien for å forstå hvordan de fungerer nå," sier Chang.

Basert på deres kunnskap om nøytrinoproduksjon inne i supernovaer, spår forskerne at teorien om jevn vind er mer sannsynlig enn eksplosjonsutbruddet – men foreløpig vil det være behov for mer arbeid for å avgjøre om begge fenomenene kan oppstå i samme eksplosjon. .

Til syvende og sist kan oppdagelsene deres gjøre det mye lettere for astronomer å samle bevis for νSI når nye supernovaer er observert i Melkeveien eller dens galaktiske nabolag – selv om disse fortsatt kan være flere tiår på vei. "Vi ber alltid om at en ny galaktisk supernova skal skje et sted og snart, men det beste vi kan gjøre er å prøve å bygge på det vi vet så mye som mulig før det skjer," sier Chang.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden