Нейтринные жидкости в сверхновых могут указывать на новую физику

Нейтринные жидкости в сверхновых могут указывать на новую физику

Отметка времени: 6 сентября 2023 г., 12:22
Исходный узел: 2866448

Составное изображение СН 1987А.
Нестабильная ситуация: составное изображение остатка SN 1987A. Нейтрино таких сверхновых могут дать ключ к разгадке физики за пределами Стандартной модели. (Фото любезно предоставлено: Альма/НАСА/ЕКА)

Согласно расчетам, проведенным По-Вэнь Чанг и его коллеги из Университета штата Огайо в США. Их работа объясняет, как гипотетическое взаимодействие влияет на импульс нейтрино, генерируемый в сверхновой с коллапсом ядра – то, что можно было увидеть в существующих и будущих наблюдениях сверхновых.

Нейтрино — это маломассивные и электрически нейтральные субатомные частицы, которые могут преодолевать большие расстояния в материи без взаимодействия. Они производятся в огромных количествах в результате некоторых астрофизических процессов, и астрономы используют огромные детекторы для изучения нейтрино, прибывающих на Землю. Помимо того, что изучение космических нейтрино расскажет нам кое-что об астрофизике, оно может дать представление о природе самих частиц.

Теперь команда Чанга исследовала возможность того, что взрывы сверхновых могут вызвать поведение нейтрино, которое не может быть объяснено Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Экстремальные условия

Стандартная модель утверждает, что нейтрино взаимодействуют друг с другом посредством слабого ядерного взаимодействия или гравитации. Но во время коллапса ядра сверхновых частицы, как ожидается, станут настолько плотно упакованными, что разлетятся друг от друга гораздо чаще, чем обычно. В таких экстремальных условиях некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели, предполагают, что может возникнуть гипотетическое взаимодействие, называемое «усиленным самовзаимодействием» (νSI). По прогнозам, это взаимодействие будет на порядки сильнее, чем слабое взаимодействие, и поэтому должно влиять на поведение нейтрино в таких сверхновых.

У астрономов возможность наблюдать этот эффект появилась в 1987 году, когда в трех детекторах нейтрино было зарегистрировано 25 нейтрино из SN 1987A. SN 1987A была сверхновой с коллапсом ядра, которая произошла всего в 168,000 XNUMX световых годах от нас в Большом Магеллановом Облаке.

Общая идея состоит в том, что νSI должен был повлиять на природу нейтринного импульса, зарегистрированного здесь, на Земле. Однако в течение десятилетий после этого события физики изо всех сил пытались рассчитать наблюдаемые эффекты в нейтринном сигнале SN 1987A, которые могли бы доказать существование νSI.

Релятивистская гидродинамика

В своем исследовании команда Чанга вернулась к этой проблеме, рассмотрев нейтрино, вылетающие наружу из вновь формирующейся нейтронной звезды в центре сверхновой с коллапсом ядра. Их расчеты показали, что в условиях релятивистской гидродинамики их расчеты показали, что νSI заставит частицы действовать коллективно, образуя плотную, тесно связанную и расширяющуюся жидкость.

Исследователи также предполагают, что это расширение может пойти по двум возможным путям. В первом сценарии нейтрино вылетали бы внезапной вспышкой. В результате образуется нейтринная жидкость, простирающаяся далеко за пределы центральной нейтронной звезды, а это означает, что нейтринный импульс, наблюдаемый астрономами, будет длиться дольше. Во втором случае нейтрино вместо этого текут в устойчивом ветре с меньшей плотностью. Здесь эффекты νSI исчезнут ближе к нейтронной звезде, что приведет к более короткому нейтринному импульсу.

Команда Чанга теперь надеется, что их идеи будут использованы в дальнейших расчетах, которые позволят астрономам выявить свидетельства νSI в нейтринных данных от SN 1987A. «Динамика сверхновых сложна, но этот результат многообещающий, потому что с помощью релятивистской гидродинамики мы знаем, что на пути к пониманию того, как они работают сейчас, есть развилка», — говорит Чанг.

Основываясь на своих знаниях о производстве нейтрино внутри сверхновых, исследователи предсказывают, что их теория устойчивого ветра более вероятна, чем случай всплескового истечения, но на данный момент потребуется дополнительная работа, чтобы определить, могут ли оба явления произойти в одном и том же взрыве. .

В конечном счете, их открытия могут значительно облегчить астрономам сбор доказательств существования νSI, как только в Млечном Пути или его галактических окрестностях будут наблюдаться новые сверхновые – хотя это может произойти еще через десятилетия. «Мы всегда молимся о том, чтобы где-нибудь и в ближайшее время произошла еще одна галактическая сверхновая, но лучшее, что мы можем сделать, — это попытаться как можно больше опираться на то, что мы знаем, прежде чем это произойдет», — говорит Чанг.

Исследование описано в Physical Review Letters,.

Отметка времени:

Больше от Мир физики