De kwantumwereld: hoe zijn steriele neutrino's en donkere materie gerelateerd?

De meest voorkomende deeltjes van de natuur, voormet uitzondering van fotonen (lichtdeeltjes) zijn dit neutrino's. Ze hebben geen lading en komen van de zon, maar ook van supernova's en andere kosmische gebeurtenissen. Bovendien gaan er op dit moment ongeveer een biljoen neutrino's door je hand! Wetenschappers identificeren verschillende soorten of variëteiten van neutrino's: elektronen-, muon- en tau-neutrino's, en hopen ook op het bestaan ​​van een vierde type - "steriele neutrino's". Als ze echt bestaan, zouden ze helpen bij het oplossen van verschillende fundamentele mysteries in de natuurkunde, bijvoorbeeld waarom neutrino's massa hebben, terwijl theorieën voorspellen dat deze deeltjes geen massa zouden moeten hebben? Steriele neutrino's zijn ook in verband gebracht met een mysterieuze substantie die 85% van het waarneembare heelal vult: donkere materie die de ruimte doordringt. Eerdere experimenten voorspelden de aanwezigheid van deze mysterieuze deeltjes, maar hier is het probleem: de theorie voorspelt ook het mogelijke bestaan ​​van niet alleen "steriele" neutrino's, maar ook van vele andere, extra deeltjes. Deze neutrino's zouden met elkaar kunnen interageren via hun eigen geheime krachten ergens achter in het universum. Maar eerst dingen eerst.

De kwantumwereld verbergt veel geheimen, waarvan we een klein deel proberen te begrijpen

De inhoud

• 1 Waar bestaat alles rondom uit?
• 2 Mysterieuze neutrino's
• 3 Op zoek naar steriele neutrino's
• 4 Wat heeft donkere materie ermee te maken?

Waar bestaat alles rondom uit?

Vanuit het gezichtspunt van de natuurkunde zijn we samengesteld uit quarks enleptonen. Zoals Mikhail Vladimirovich Danilov, doctor in de fysische en wiskundige wetenschappen, in zijn video voor Post-Science uitlegt, bestaan ​​neutronen uit u-quarks en d-quarks en vormen ze atoomkernen. Atomen worden gevormd uit atoomkernen en elektronen, die vervolgens worden gecombineerd tot moleculen, die absoluut alles vormen wat we om ons heen zien.

Mee eens, een vrij simpele foto.Elektronen in atomen worden bij elkaar gehouden door elektromagnetische interactie en de drager ervan is fotonen. De quarks in het proton en het neutron worden bij elkaar gehouden door de sterke interactie, waarvan de dragers gluonen zijn.

Het Higgs-deeltje is veel veranderd in de wereld van elementaire deeltjes

Door de sterke interactie kunnen protonen enneutronen worden vastgehouden in de kern van een atoom en een zwakke interactie is verantwoordelijk voor de overgang van een neutron naar een proton, elektron en antineutrino. Hier moet echter worden opgemerkt dat: elk deeltje heeft zijn eigen antideeltje, die verschilt van een deeltje in een negatieve lading, - merkt Danilov op.

Maar ondanks dat het zo elegant en eenvoudig isOp het eerste gezicht is de natuur niet zo eenvoudig. En het bewijs hiervan is het bestaan ​​van een andere reeks quarks en leptonen, die natuurkundigen generaties noemen. Interessant is dat deze deeltjes zwaarder zijn dan gewone quarks en leptonen, maar ze zijn niet om ons heen. Ze komen slechts in zeldzame gevallen voor.

Dus wat weten we uiteindelijk over het universum?

Er zijn quarks en leptonen in de natuur. Quarks nemen deel aan sterke interacties, leptonen niet.

In feite zijn deze kleine deeltjes de basis van alleswat we zien. Het in 2012 ontdekte Higgs-deeltje lijkt het plaatje compleet te maken, aangezien het de massa geeft aan alle andere deeltjes in het standaardmodel. In meer detail over wat het standaardmodel is en hoe natuurkundigen materie in atomen splitsen, raad ik aan om het in dit artikel te lezen.

Mysterieuze neutrino's

Maar terug naar neutrino's.In de jaren negentig gebeurde er tijdens het experimenteren met deze mysterieuze deeltjes iets vreemds: er verschenen te veel deeltjes in de detector. In 2002 begonnen wetenschappers een ander experiment om erachter te komen wat er gebeurde. Ook deze test liet verbluffende resultaten zien - maar op een andere manier.

Neutrino Zijn mysterieuze kwantumdeeltjes diemassa, maar erg klein en moeilijk te meten. Ze zijn verbazingwekkend omdat de massa die ze bevatten niet is opgenomen in het standaardmodel, dat de subatomaire wereld beschrijft.

Deze overtollige deeltjes in vroege experimentende wetenschappers opgewonden. Het feit is dat ze eruit zagen als mogelijke tekenen van het bestaan ​​van zogenaamde "steriele neutrino's" die interfereren met normale neutrino-smaken (zoals natuurkundigen ze poëtisch noemen): steriele neutrino's zouden alleen interageren met andere deeltjes met behulp van de zwaartekracht, terwijl de bron -bekende drie smaken van neutrino's - met behulp van zwakke interactie.

Natuurkundigen verwijzen poëtisch naar verschillende soorten quarks als smaken.

Toch kunnen ze anderen beïnvloedenneutrino's vanwege een vreemde eigenschap die al deze deeltjes hebben: het vermogen om te "trillen" of van smaak te veranderen. Een deeltje, zoals een elektronenneutrino, kan veranderen in een tau of muonisch neutrino, en omgekeerd. Deze transformatie vindt meestal plaats wanneer neutrino's een bepaalde afstand afleggen, maar het lijkt sneller te gaan in andere experimenten.

Echter, in 2013, het bestaan ​​van sterieleneutrino's zijn in twijfel getrokken, aangezien onderzoek aan het Max Planck Instituut in Duitsland naar het vroege heelal geen spoor van hen heeft gevonden, zoals het tijdschrift Quanta in dit verband uitlegt.

Meer over het onderwerp: Natuurkundigen hebben een nieuw elementair deeltje ontdekt - tetraquark

Sindsdien zijn er speculaties geweest over de mogelijkheidhet bestaan ​​van niet één steriele, maar veel extra neutrino's die met elkaar kunnen interageren via hun eigen geheime krachten op een plek in het heelal die we nog steeds niet kennen.

Op zoek naar steriele neutrino's

LSND-neutrinodetector inLos Alamos National Laboratory en MiniBooNE neutrino mini-accelerator bij Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) lieten onderzoekers tot verrassende conclusies komen.

Natuurkundigen zijn al meer dan twintig jaar op zoek naar een mysterieus steriel neutrino

Interessant feit
Eerder werd aangenomen dat muonische neutrino'sveranderen in steriele neutrino's en vervolgens in elektronische neutrino's - dit proces kan sneller plaatsvinden dan een simpele omschakeling van de muon-smaak naar de elektronische.

In hun experimenten genereren natuurkundigen een stroommuon-neutrino's en leiden ze naar een detector op een afstand van 470 meter. De detector - een gigantisch reservoir gevuld met 170 ton pure vloeibare argon - wacht op het vangen van neutrino's als een van de argonatomen in botsing komt met de kern. Dergelijke botsingen zijn uiterst zeldzaam, en hun enige tekenen zijn secundaire deeltjes gevormd als gevolg van interactie.

Volgens Scientific American hebben de wetenschappers op 27 oktober de resultaten aangekondigd die met de MicroBooNE-detector zijn verkregen, waarin staat dat: zag geen tekenwat wijst op de aanwezigheid van extra deeltjes.

Ja, het is wel een beetje raar, zegt een woordvoerder.MicroBooNE Bonnie Fleming van Yale University. "Eerdere experimenten hebben extra deeltjes gezien die op elektronen of fotonen lijken", merkt hij op.

Elementaire deeltjesdetector MicroBooNE

Dit is interessant: wetenschappers begrijpen beter waarom er minder antimaterie in het heelal is dan materie

MicroBooNE kan echter veel nauwkeuriger bepalende bewegingsrichting van de deeltjes en de energie die de deeltjes afgeven. Dit betekent dat natuurkundigen kunnen beslissen of iets een elektron of een foton is. De echte triomf van het experiment is dat de technologie zo goed werkt.

Onderzoekers zijn er echter vrijwel zeker van:het feit dat waar ze keken, er geen extra elektronen of fotonen zijn, wat de hoop op het vinden van steriele neutrino's vermindert. Als muonische neutrino's snel zouden kunnen veranderen in steriele neutrino's en vervolgens in elektronenneutrino's, zouden elektronen in de detector verschijnen.

De detector is niet ver genoeg van zijn bron om de gebruikelijke oscillatie van een muon-neutrino naar een elektronenneutrino te laten plaatsvinden

Maar als er geen extra elektronen of fotonen zijn, wat dan?is het voor de overtollige deeltjes die zijn geregistreerd door LSND en MiniBooNE? Een antwoord is dat onverklaarbare neutrino-botsingen in geen van de eerdere experimenten plaatsvonden, en dat in het geval van MiniBooNE de onderzoekers tijdens het experiment gewoon wat interferentie in de detector misten.

De detector is niet ver genoeg van zijn bron om de gebruikelijke oscillatie van een muon-neutrino naar een elektronenneutrino te laten ontstaan.

Anderen zijn het daarmee eens."Het is hoogst onwaarschijnlijk dat er een fout in de detector zat", vertelde de theoretisch fysicus van de Northwestern University André de Gouvea aan verslaggevers. Er moet een nieuwe bron zijn van ofwel elektronen ofwel fotonen, of zoiets als elektronen of fotonen. Misschien, zegt hij, is er iets ingewikkelders aan de hand.

Deze deeltjes kunnen in andere vervallen -bijvoorbeeld een gewoon neutrino en iets exotisch, zoals een "donker foton" (een neef van gewone fotonen, natuurkundigen gaan ervan uit dat het bestaat, maar er is tot op heden geen bewijs van hun bestaan).

Zie ook: Moet je de wetenschap vertrouwen?

Wat heeft donkere materie ermee te maken?

Toch blijven er steriele neutrino'saantrekkelijk vooruitzicht voor natuurkundigen. Ze zijn waarschijnlijk een bijproduct van theorieën die proberen te verklaren waarom neutrino's überhaupt massa hebben. Bovendien kunnen deze mysterieuze deeltjes helpen verklaren wat donkere materie is.

Het is een feit dat sommige soorten sterieleneutrino's zelf kunnen kandidaten zijn voor donkere materie, of deel uitmaken van de "donkere sector" waarin een deeltje donkere materie wordt geassocieerd met steriele neutrino's of daarin vervalt. En uitzoeken wat er gaande is in deze neutrino-experimenten zou de eerste stap kunnen zijn naar het beantwoorden van deze bredere vragen.

Dit is echt interessant omdat alle voor de hand liggende mogelijkheden al zijn getest, zeggen de onderzoekers.

Omdat donkere materie geen elektromagnetische interactie aangaat met fotonen van licht, is het onmogelijk om deze rechtstreeks waar te nemen.

Je zult je afvragen: kan donkere materie ontstaan ​​uit gewone materie?

Zoals gesuggereerd door Janet Konrad, een natuurkundige uitMassachusetts Institute of Technology (MIT), en Carlos Arguelles-Delgado, een fysicus aan de Harvard University, kunnen steriele neutrino's vervallen tot een verzameling onzichtbare deeltjes: ze zouden het bestaan ​​van een donkere sector bevestigen, ontwikkeld als alternatief voor de onmogelijkheid van detectie "intacte" steriele neutrino's.

Laat me je daaraan herinneren donkere materie bestaat niet uit gewone deeltjes, zoals elektronen, protonen of elektronen, dus wordt aangenomen dat het moet zijn samengesteld uit een deeltje dat niet wordt herkend door het standaardmodel.

Historisch gezien waren steriele neutrino's kandidatenom de samenstelling van donkere materie te verklaren, dus controleren of ze de donkere sector domineren met onzichtbare deeltjes die hun directe afstammelingen zijn, zou ook verklaren waarom het universum constant uitdijt.

Misschien zullen wetenschappers binnenkort iets ontdekken dat de moderne natuurkunde voor altijd zal veranderen.

Meer over het onderwerp: Wetenschappers denken dat donkere materie op de loer ligt in een extra dimensie

Kortom, het mooie is dat we de tools hebben omdeze kwestie verder bestuderen, zodat wetenschappers hopelijk tot op de bodem uit kunnen zoeken. De zoektocht naar steriele neutrino's gaat door, blijf op de hoogte en abonneer je op ons Telegram-kanaal, zodat je zeker niets interessants zult missen!