یک ابرنواختر نزدیک می‌تواند زندگی مخفی نوترینوهای شبح مانند را فاش کند!!

تشخیص فعل و انفعالات نوترینو دری را به روی فیزیک جدید فراتر از مدل استاندارد باز می کند.

تصور هنری از یک ابرنواختر که می‌تواند مقدار زیادی نوترینو تولید کند. (اعتبار تصویر: NASA/CXC/M. Weiss)

فیزیکدانان جهشی به جلو در درک چگونگی برهمکنش ذرات شبح‌وار به نام نوترینو با یکدیگر انجام داده‌اند.

چنین فعل و انفعالاتی بین نوترینوها می‌تواند پیامدهایی برای درک بیگ بنگ و همچنین فیزیک فراتر از مدل استاندارد داشته باشد. با این حال، برای تایید چگونگی این فعل و انفعالات گریزان، ستاره شناسان باید منتظر ابرنواختر بعدی در کهکشان راه شیری باشند.

از بین تمام ذرات مدل استاندارد فیزیک، نوترینوها کمترین چیزی هستند که دانشمندان درباره آنها می‌دانند. آن‌ها جرم‌های بسیار ریز دارند، به سختی با ماده معمولی تعامل دارند، می‌توانند به‌طور خود به خود هویت خود را از نوعی نوترینو به نوع دیگر تغییر دهند و در سراسر جهان وجود دارند – در حال حاضر تریلیون‌ها نوترینو از بدن شما عبور می‌کنند.

تشخیص نوترینوها نیز دشوار است. آنها به قدری نادر با ماده برهمکنش می‌کنند که رصدخانه نوترینو IceCube در قطب جنوب، پیشروترین آشکارساز نوترینو در جهان، به طور متوسط روزانه 275 نوترینو را تشخیص می‌دهد.

با این حال، گاهی اوقات، نوترینوها افزایش می‌یابند – به عنوان مثال، از یک ابرنواختر نزدیک. نزدیکترین ابرنواختر مشاهده شده در بیش از 400 سال SN 1987A در ابر ماژلانی بزرگ، کهکشان اقماری راه شیری ما بود. تخمین زده می‌شود که 10^58 نوترینو باورنکردنی تولید کرده باشد، اما آشکارسازهای روی زمین تنها 25 مورد از آنها را مشاهده کردند. با این وجود، محققان دانشگاه ایالتی اوهایو اکنون این 25 کشف را برای بررسی این احتمال مرموز به کار گرفته‌اند که نوترینوها قادر به تعامل با یکدیگر هستند.

طبق مدل استاندارد، نوترینوها باید بتوانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. چنین فعل و انفعالاتی می‌تواند پیامدهای بزرگی داشته باشد، از جمله به توضیح منشأ توده‌های نوترینوها، چرایی تعداد زیادی نوترینو در جهان، و اینکه چگونه ممکن است اثری بر تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) از خود بر جای بگذارند. بیگ بنگ، چرا جهان فاقد پادماده است و حتی نوترینوها چگونه ممکن است در تشکیل ماده تاریک در کیهان اولیه کمک کرده باشند. این ارتباط از توانایی نوترینو برای نوسان به طعمهای مختلف ناشی می‌شود – معمولاً نوترینوهای الکترونی، لپتون و تاو، اما شکل چهارمی از نوترینو نیز فرض شده است که به عنوان نوترینوی عقیم نامیده می‌شود. نوترینوی عقیم یکی از نامزدهای احتمالی برای هویت ماده تاریک است. با این حال، تا کنون هیچ شواهد تجربی برای نوترینوهای استریل به دست نیامده است.

بقایای ابرنواختر 1987A که در تصویر ترکیبی دیده می‌شود که توسط تلسکوپ فضایی هابل، رصدخانه پرتو ایکس چاندرا و ALMA گرفته شده است (اعتبار تصویر: NASA/ESA/A. Angelich (NRAO/AUI/NSF))

برای درک بهتر این تعاملات خود نوترینوها، تیم ایالت اوهایو به رهبری پو-ون چانگ، اخترفیزیکدان، نحوه ظاهر شدن سیگنال نوترینو از SN 1987A را براساس هیدرودینامیک نسبیتی انجام دادند که توصیف می‌کند چگونه ذرات محکم به هم متصل شده و مانند یک مایع در هنگام حرکت با سرعت نزدیک به نور رفتار می‌کند، کاری که نوترینوها انجام می‌دهند. عمل کردن به عنوان نوعی شبه مایع در این روش نوترینوها را قادر می‌سازد تا با یکدیگر تعامل داشته باشند.

تحت هیدرودینامیک نسبیتی، نوترینوها می‌توانند از یک ابرنواختر به یکی از دو روش “جریان” شوند. اولین مورد به عنوان یک “جریان انفجاری” است که شبیه به بیرون ریختن یک بالون در فضا و بیرون راندن انرژی حاصل از آن در همه جهات است. احتمال دوم – و احتمال بیشتری وجود دارد – “جریان باد” است، که تصور می‌کند انرژی از طریق تعداد زیادی نازل از بالون در حال خروج فرار می‌کند که نرخ جریان ثابتتری از نوترینوها را تولید می‌کند. هر نوع جریان خروجی الگوی متمایز خود را در سیگنال نوترینوی یک ابرنواختر ایجاد می‌کند. با این حال، تیم چانگ دریافت که کمبود نوترینوهای شناسایی شده از SN 1987A هنوز برای رد هر یک از این مکانیسمها کافی نیست.

پو ون چانگ در بیانیه‌ای گفت: «دینامیک ابرنواخترها پیچیده است، اما این نتیجه امیدوارکننده است، زیرا با هیدرودینامیک نسبیتی می‌دانیم که در درک نحوه عملکرد آنها در حال حاضر انشعابی وجود دارد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

A nearby supernova could reveal the secret lives of ghostly neutrinos. Here’s how.

By Keith Cooper published 18 August 2023

https://www.space.com/nearby-supernova-reveal-secrets-neutrinos