Chất lỏng neutrino trong siêu tân tinh có thể hướng tới nền vật lý mới

Chất lỏng neutrino trong siêu tân tinh có thể hướng tới nền vật lý mới

Dấu thời gian: 6:2023 PM ngày 12 tháng 22 năm XNUMX
Nút nguồn: 2866448

Hình ảnh tổng hợp của SN 1987A
Tình trạng chất lỏng: hình ảnh tổng hợp của tàn dư SN 1987A. Neutrino từ những siêu tân tinh như vậy có thể cung cấp manh mối về vật lý ngoài Mô hình Chuẩn. (Được phép: Alma/NASA/ESA)

Neutrino được tạo ra trong các ngôi sao đang phát nổ có thể hướng tới vật lý ngoài Mô hình Chuẩn, theo các tính toán được thực hiện bởi Po-Wen Chang và các đồng nghiệp tại Đại học bang Ohio ở Mỹ. Công trình của họ giải thích một tương tác giả thuyết ảnh hưởng như thế nào đến xung của neutrino được tạo ra trong một siêu tân tinh sụp đổ lõi – cái có thể thấy được trong các quan sát siêu tân tinh hiện tại và tương lai.

Neutrino là các hạt hạ nguyên tử có khối lượng thấp và trung hòa về điện, có thể di chuyển quãng đường dài xuyên qua vật chất mà không cần tương tác. Chúng được tạo ra với số lượng lớn bởi một số quá trình vật lý thiên văn và các nhà thiên văn học sử dụng các máy dò khổng lồ để nghiên cứu các neutrino đến Trái đất. Ngoài việc cho chúng ta biết điều gì đó về vật lý thiên văn, việc nghiên cứu các neutrino vũ trụ này có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc về bản chất của chính các hạt.

Giờ đây, nhóm của Chang đã khám phá khả năng các vụ nổ siêu tân tinh có thể kích hoạt các hành vi neutrino không thể giải thích được bằng Mô hình Chuẩn của vật lý hạt.

Điều kiện khắc nghiệt

Mô hình Chuẩn nói rằng các neutrino tương tác với nhau thông qua lực hạt nhân yếu hoặc lực hấp dẫn. Nhưng trong các siêu tân tinh sụp đổ lõi, người ta cho rằng các hạt sẽ trở nên dày đặc đến mức chúng phân tán ra nhau thường xuyên hơn bình thường. Trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy, một số lý thuyết vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn cho thấy rằng một tương tác giả thuyết được gọi là “sự tự tương tác nâng cao” (νSI), có thể xuất hiện. Tương tác này được dự đoán là có cường độ mạnh hơn tương tác yếu và do đó sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của neutrino trong các siêu tân tinh như vậy.

Đối với các nhà thiên văn học, cơ hội quan sát hiệu ứng này đến vào năm 1987, khi 25 neutrino từ SN 1987A được ghi nhận trong ba máy dò neutrino. SN 1987A là một siêu tân tinh sụp đổ lõi xảy ra chỉ cách 168,000 năm ánh sáng trong Đám mây Magellan Lớn.

Ý tưởng chung là νSI lẽ ra đã ảnh hưởng đến bản chất của xung neutrino được phát hiện ở đây trên Trái đất. Tuy nhiên, trong những thập kỷ sau sự kiện này, các nhà vật lý đã phải vật lộn để tính toán những hiệu ứng quan sát được trong tín hiệu neutrino của SN 1987A sẽ chứng minh sự tồn tại của νSI.

Thủy động lực học tương đối

Trong nghiên cứu của họ, nhóm của Chang đã xem xét lại vấn đề bằng cách xem xét các neutrino chảy ra ngoài từ sao neutron mới hình thành ở trung tâm của siêu tân tinh sụp đổ lõi. Dưới sự ràng buộc của thủy động lực học tương đối tính, các tính toán của họ cho thấy νSI sẽ khiến các hạt tác dụng tập thể để tạo thành một chất lỏng đậm đặc, liên kết chặt chẽ và giãn nở.

Các nhà nghiên cứu cũng gợi ý rằng việc mở rộng này có thể đi theo hai con đường khả thi. Trong kịch bản đầu tiên, neutrino sẽ phát ra một cách đột ngột. Kết quả sẽ là một chất lỏng neutrino vượt xa ngôi sao neutron trung tâm – nghĩa là xung neutrino mà các nhà thiên văn học quan sát được sẽ tồn tại lâu hơn. Trong trường hợp thứ hai, neutrino chuyển động theo một cơn gió ổn định với mật độ thấp hơn. Ở đây, tác động của νSI sẽ biến mất khi đến gần sao neutron hơn, dẫn đến xung neutrino ngắn hơn.

Đội của Chang hiện hy vọng ý tưởng của họ sẽ được sử dụng trong các tính toán tiếp theo có thể cho phép các nhà thiên văn xác định bằng chứng về νSI trong dữ liệu neutrino từ SN 1987A. “Động lực học của siêu tân tinh rất phức tạp, nhưng kết quả này đầy hứa hẹn vì với thủy động lực học tương đối tính, chúng ta biết có một ngã ba đường trong việc tìm hiểu cách chúng hoạt động hiện nay,” Chang nói.

Dựa trên kiến ​​thức của họ về sự sản sinh neutrino bên trong siêu tân tinh, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng lý thuyết gió ổn định của họ có nhiều khả năng xảy ra hơn trường hợp dòng chảy bùng nổ – nhưng hiện tại, sẽ cần nhiều công việc hơn để xác định liệu cả hai hiện tượng có thể xảy ra trong cùng một vụ nổ hay không .

Cuối cùng, những khám phá của họ có thể giúp các nhà thiên văn học thu thập bằng chứng về νSI dễ dàng hơn nhiều khi các siêu tân tinh mới được quan sát thấy trong Dải Ngân hà hoặc vùng lân cận thiên hà của nó – mặc dù những điều này có thể còn phải mất hàng thập kỷ nữa. Chang nói: “Chúng tôi luôn cầu nguyện cho một siêu tân tinh thiên hà khác sẽ sớm xảy ra ở đâu đó, nhưng điều tốt nhất chúng tôi có thể làm là cố gắng xây dựng dựa trên những gì chúng tôi biết nhiều nhất có thể trước khi nó xảy ra”.

Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý