Neutrina sterylne - zagadka ciemnej materii

[MrVinquer]

Od kilku dni napływa nieco nowych informacji na temat ciekawego tworu jakim są neutrina sterylne. Zamierzam troszkę o nich tu powiedzieć i rozpocząć dyskusję, która mam nadzieję się wywiąże.

 

Problemem od dziesięcioleci dla wielu kosmologów jest ciemna materia. Ciemna materia to taki nasz hipotetyczny twór mający tłumaczyć rzeczywistość. Wszystko wzięło się od dwóch sposobów, jakimi astronomowie wyznaczają masy obiektów. Możemy masę czegoś wyznaczyć na podstawie tego, jak mocno świeci albo pójść inną drogą i wyznaczyć masę na podstawie siły przyciągania grawitacyjnego. Gdyby cała materia była "normalna" to obie masy byłyby takie same. Ale masa druga jest o rząd wielkości większa! Na obrazku poniżej mamy przewidywaną (niebieska) i obserwowaną (czerwona) prędkość gwiazd w galaktyce.

Musi zatem istnieć coś, co przyciąga, ale nie świeci. Zatem oddziałuje grawitacyjnie, ale elektromagnetycznie już nie. To "coś" nazwano ciemną materią. Wielka zmora kosmologów, astrofizyków i fizyków cząstek elementarnych. Próbowano na wszelkie sposoby to opisać (jak "normalną" materię), ale to zbyt wiele nie dawało. Postanowiono więc wziąć się za to jak za neutrina.

 

Neutrina to dziwne cząstki elementarne. Fermi, który postulował istnienie neutrina elektronowego powiedział "O zgrozo, zapostulowałem istnienie cząstki, która nie może zostać odkryta". Neutrina były wtedy nośnikami "brakującego" momentu pędu w rozpadach beta. Oprócz tego neutrina mogą wywoływać przemiany cząstek, co w 1970 roku ostatecznie potwierdziło ich istnienie. Pięknie widać efekt zderzenia neutrina z protonem na zdjęciu tej komory wodorowej:

Badania neutrin wykazały, że neutrina są zawsze lewoskrętne, a antyneutrina zawsze prawoskrętne. Oznacza to, że jeśli neutrina mają masę, to można ich skrętność zmienić. Nigdy nie zaobserwowano w rozpadach prawoskrętnych neutrin, ani lewoskrętnych antyneutrin. Zatem takie neutrina nie powinny oddziaływać z materią w sposób inny niż grawitacja. Takie hipotetyczne neutrina nazwano neutrinami sterylnymi.

 

Tu się zaczynają pewne schody, bo według jednych teorii neutrina sterylne to są lustrzane odbicia neutrin "zwykłych", a według innych jest to czwarta generacja neutrin nie stowarzyszona z żadnym leptonem. A jaki to ma zatem związek z ciemną materią?

 

Idealnie to pasuje do koncepcji ciemnej materii. Mamy cząstki, które nie oddziałują oddziaływaniem elektromagnetycznym, słabym ani silnym, a jedynie grawitacją. Czyli ciemna materia. Ale skąd możemy mieć pewność, że taki hipotetyczny twór jak neutrina sterylne w ogóle istnieją?

 

20 lutego na łamach Nature pokazał się artykuł właśnie o neutrinach sterylnych i obserwacjach, które ich istnienie mają potwierdzać: OTO LINK. Obserwacje promieniowania tła i odległych galaktyk wskazują, że takie takie neutrina powinny istnieć.

 

Teraz możemy dojść do pewnej konkluzji. Albo mamy rozwiązanie odwiecznego problemu, albo początek wielu nowych. Tak to już jest w nauce, że rozwiązując jeden problem tworzymy kilka nowych. Czasem też się zdarza, że zamykamy kilkanaście starych. Czy będzie tak jak z mechaniką kwantową, która zrodziła się z pozornie błachego promieniowania ciała doskonale czarnego i efektu fotoelektrycznego? Czy to oznaka powolnego upadku Modelu Standardowego? Czy obok bozonu Higgsa także i neutrina sterylne nie pasują tu do systemu?

 

Co o tym sądzicie?

[Ekolog]

Tylko drobne pytanie do autora wątku. A czy te neutrina pasują (swoimi trajektoriami) do kształtu ciemnej materii stwierdzonego już dookoła i w Drodze Mlecznej?

Jest to jakby symetryczne jajko (piłka do Rugby)  w połowie przecięta płaszczyzną naszej galaktyki.

Środek ciężkości WIMP-ów CM i widocznej materii zdaje się być wspólny.

 

Dlatego pytam bo czy one aby za szybkie nie są żeby kręcić się w tak rozległym obszarze, nawet "zaczepiając" peryferia DM.

 

W US najszybciej kręci się Merkury - to jest skutek równoważenia siły odśrodkowej i grawitacji od Słońca.

 

Pozdrawiam

[Hampel]

Ech, ciemna materia.. :D Tak się składa, że wczoraj obejrzałem sobie ciekawy dokument na ten temat i polecam wszystkim: http://www.youtube.com/watch?v=Wa6yj_Sf1cg

Obecna teoria składu ciemnej materii tłumaczy, że są to neutriny sterylne tak jak napisał autor tematu. Naukowcy próbują je uchwycić wodnym detektorem Super-Kamiokande, znajdującym się w kopalni w Japonii.

Ale chciałem w związku z podjęciem tematu, napisać o poprzedniej teorii , która była dosyć ciekawa. Mianowicie uważano, że ciemną materię stanowią wygasłe gwiazdy i planety nieemitujące światła i nie odbijające go, czyli teoretycznie nie do zlokalizowania, które jednak wytwarzają silne pola grawitacyjne. Utworzono specjalną grupę naukowców, którzy mieli lokalizować właśnie te obiekty poprzez efekt soczewkowania grawitacyjnego (pięknie jest to wytłumaczone w filmie, do którego link podałem wyżej). Niestety w całym obszarze, który badali, znaleźli tylko 13 takich obiektów, co było oczywiście ilością zbyt małą, by poprzeć teorię. Tym bardziej, że ocenia się, iż ciemna materia stanowi 85% masy całego wszechświata!

Wracając do neutrin, słyszeliście o tym jak nasz Wszechświat jest poukładany? To znaczy, że ma budowę bąbelkową? Za to także jest odpowiedzialna siła grawitacyjna ciemnej materii...

[MrVinquer]

Tylko drobne pytanie do autora wątku. A czy te neutrina pasują (swoimi trajektoriami) do kształtu ciemnej materii stwierdzonego już dookoła i w Drodze Mlecznej?

Jest to jakby symetryczne jajko (piłka do Rugby)  w połowie przecięta płaszczyzną naszej galaktyki.

Środek ciężkości WIMP-ów CM i widocznej materii zdaje się być wspólny.

 

Dlatego pytam bo czy one aby za szybkie nie są żeby kręcić się w tak rozległym obszarze, nawet "zaczepiając" peryferia DM.

 

W US najszybciej kręci się Merkury - to jest skutek równoważenia siły odśrodkowej i grawitacji od Słońca.

 

Pozdrawiam

Neutrina sterylne na razie dopiero odkryto, jeszcze (chyba) żadnych map ich źródeł nie ma. Niewątpliwie jednak byłoby to bardzo ciekawe, skąd najwięcej neutrin sterylnych przychodzi, czy może są ich większe źródła/skupiska. Z czasem zapewne takie mapy zaczną się pojawiać. Gdyby pasowały to byłby to dosyć silny dowód na powiązanie ciemnej materii i neutrin sterylnych.

 

Z tą Supersymetrią i WIMPami bym póki co się wstrzymał. Co prawda nic przeciw Supersymetrii, ani innym tego typu teoriom, ale też nie ma póki co żadnych dowodów, które obaliłyby Model Standardowy, jednocześnie potwierdzając Teorię Strun (jedną z nich), SUSY, MSSM czy jakąkolwiek inną teorię mającą opisać cząstki elementarne. Model Standardowy póki co się trzyma i jak na razie wiele rzeczy da się do niego dowolnie dopasować.

 

Problem z tego typu teoriami jest taki, że matematycznie każda z nich jest perfekcyjnie spójna, jednak brak jest na razie możliwości ich skonfrontowania. Wszystkie badania cząstek elementarnych wykorzystują najnowsze osiągnięcia techniki. Zanim będziemy mogli jedną z nowszych teorii potwierdzić musi się rozwinąć technologia, którą tego dokonamy.

[Ekolog]

A nie.

 

To tylko przypadkowa zbieżność słów. O cząstkach CM zwykle mówi się "WIMP-y". Nie polemizuję co do ich natury.

"Symetryczny" jest kształt CM w przestrzeni koło DM. Patrz obrazek.

Po prostu swego czasu (analizy astronomiczne) gwiazdy podkradane z migrujących galaktyk karłowatych przez ową CM

pozwoliły ustalić jak CM jest rozmieszczona w naszej okolicy.

Moim zdaniem neutrina są za szybkie żeby latały po tak szerokich orbitach dookoła wspólnego środka ciężkości,

który jest oczywiście w środku tego obrazka i w środku DM mniej więcej.

 

Pozdrawiam

[MrVinquer]

A nie.

 

To tylko przypadkowa zbieżność słów. O cząstkach CM zwykle mówi się "WIMP-y". Nie polemizuję co do ich natury.

"Symetryczny" jest kształt CM w przestrzeni koło DM. Patrz obrazek.

Po prostu swego czasu (analizy astronomiczne) gwiazdy podkradane z migrujących galaktyk karłowatych przez ową CM

pozwoliły ustalić jak CM jest rozmieszczona w naszej okolicy.

Moim zdaniem neutrina są za szybkie żeby latały po tak szerokich orbitach dookoła wspólnego środka ciężkości,

który jest oczywiście w środku tego obrazka i w środku DM mniej więcej.

 

Pozdrawiam

Z neutrinami problem jest jeden. Nie do końca wiadomo czy neutrina są cząstkami masowymi czy bezmasowymi. A jeśli masowymi to jak ich masę wyznaczyć. Przez długi czas zakładano, że mają zerową masę i poruszają się z prędkością światła (co im nadaje pewien relatywistyczny pęd). Obecnie raczej obstaje się przy masywnym charakterze neutrin, zatem z prędkością światła się poruszać nie mogą. Muszą poruszać się z prędkościami mniejszymi od c, ale mieć przy okazji masę (by mieć niezerowy pęd). Zatem dałoby się spowolnić takie neutrino. Tylko jak?

 

Neutrino nie oddziałuje elektromagnetycznie, ani silnie. Oddziaływanie grawitacyjne jest w jego przypadku słabe. Jedynie pozostaje oddziaływanie słabe. Możnaby zatem spowalniać na jądrach atomowych. Ale skoro jądra atomowe te neutrina spowolniły to one musiałyby przejąć od neutrin pęd, a przejmując pęd wprawiane są w ruch, zatem oddalają się. Jedynie zderzenia czołowe mogłyby to wyhamować, zatem powinny istnieć specjalne banieczki, które odzielałby galaktyki, źródła neutrin.

 

Moim zdaniem to może wyglądać tak, że w gwiazdach w procesach termojądrowych powstają neutrina sterylne razem z elektronowymi "normalnymi" i oddalają się od niej przemierzając galaktykę stopniowo wyhamowując w halo galaktycznym i formując specyficzne bąble. To byłoby nawet możliwe, o ile w gwiazdach te neutrina sterylne powstają, a nie w innych procesach.

[Ekolog]

No ale czy doniesienie z LINKa w pierwszym poście to nie jest trochę zgadywanie? Co ile wnosiło wpływu na obecną gęstość występowania galaktyk (czy gromad).

Ciemna materia zdaje sie otaczać stosunkowo małymi kokonami pojedyncze galaktyki a neutrina (NADAL TAK UWAŻAM) latały by dalej bo są za szybkie.

Nie słyszałem nigdy o neutrinach powolnych jak ŚLIMAKI CZYLI najszybsze gwiazdy dajmy na to.

Co niby miało by je wyhamować tak żeby grzecznie latały w kuli o średnicy rzędu średnicy Drogi Mlecznej?

Model standardowy się bardzo dobrze sprawdza ponoć i raczej chyba zostanie uzupełniony niż obalony.

Może to tak jak z przyzwoitą grawitacją Newtona i lepszą Einsteina?

Pozdrawiam

p.s.

Tak czy siak temat Ciemnej Materii jest świetny i trzeba trzymać rękę na pulsie bo to większość masy jaka istnieje dookoła.

Widzialna jest mniejszością - czyli my :D

[MrVinquer]

W tym, co opisywałem powyżej to neutrina miałyby wyhamowywać na jądrach atomowych w zwykłych zderzeniach sprężystych. Coś jak zderzenie piłeczek, czy monet.

 

Jak w cały trójkąt kul bilardowych uderzysz to pęd kuli białej przejdzie częściowo na pęd kuli w trójkącie. Kula biała wyhamuje. Kule białe są neutrinami, a kule w trójkącie to gazy i pyły w halo galaktycznym. Gracz to galaktyka, której gwiazdy te neutrina wysyłają.

 

Jeśli ustawimy koło siebie dwa trójkąty i w oba uderzymy z przeciwnych stron białymi kulami to kule w trójkątach nawzajem się wyhamują tworząc barierę, która potem będzie hamować kolejne neutrina tworzące coraz większą barierę. Z czasem sama bariera zacznie działać hamująco.

 

Co prawda tej ciemnej materii jest za dużo by cała mogła tak powstać, ale chociaż mała część z takich procesów może istnieje.

[Ekolog]

O! Tak chyba jest jak na końcu napisałeś. Z tego co się właśnie dowiedziałem w dyskusji ze znajomym z Wrocławia  neutrina nie mogą stanowić więcej niż 20% ciemnej materii bo są za szybkie,  należą do tzw. gorącej ciemnej materii, a ta nie może się skupiać w niewielkich obiektach np. w galaktykach, a najwyżej w gromadach galaktyk.

 

Pozdrawiam

[MrVinquer]

O! Tak chyba jest jak na końcu napisałeś. Z tego co się właśnie dowiedziałem w dyskusji ze znajomym z Wrocławia  neutrina nie mogą stanowić więcej niż 20% ciemnej materii bo są za szybkie,  należą do tzw. gorącej ciemnej materii, a ta nie może się skupiać w niewielkich obiektach np. w galaktykach, a najwyżej w gromadach galaktyk.

 

Pozdrawiam

Jeśli neutrina mają niezerową masę to mogą mieć też dowolną prędkość. Kwestia tylko czy da się je tak spowolnić. To zależy od ich masy, którą ciężko wyznaczyć.

 

Dopiero zaczynamy poznawać nową materię i jeszcze wiele przed nami. Możliwe że tworzy ją w większości jakiś inny rodzaj materii.

 

Kiedyś czytałem, że stosunek ciemnej materii do zwykłej się w czasie zmienia. Muszą zatem zachodzić jakieś przemiany między nimi więc ciemna materia nie jest taka ciemna jakby się mogło wydawać, a w jakiś sposób musi z normalną materią reagować.

[romkur55]

Nowa symulacja komputerowa NASA pokazuje, że cząstki ciemnej materii kolidują w skrajnym polu grawitacyjnym czarnej dziury, która może wytworzyć silne, potencjalnie możliwe do zaobserwowania promieniowania gamma. Wykrywanie tej emisji będzie stanowić dla astronomów nowe narzędzie do zrozumienia zarówno czarnej dziury, jak  i natury ciemnej materii, nieuchwytnej substancji stanowiącej większość masy wszechświata, która nie odzwierciedla, nie pochłania, ani nie emituje światła.

 

Podczas gdy my jeszcze nie wiemy, czym jest ciemna materia, wiemy, że współdziała grawitacyjnie z resztą masy materii wszechświata, co oznacza, że formuje się wokół czarnej dziury. Czarna dziura nie tylko naturalnie skupia cząstki ciemnej  materii, jej siła grawitacji wzmacnia energię i liczbę kolizji, które mogą wytwarzać promienie gamma.

 

W tym procesie, wszystkie działania mają miejsce poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury, poza granicą,  której nic nie może przekroczyć, w regionie zwanym spłaszczoną ergosferą. W ergosferze, obrót czarnej dziury ciągnie czasoprzestrzeń wraz z nią i wszystko jest zmuszone do poruszania się w tym samym kierunku,  z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Komputerowa symulacja stwarza  laboratorium bardziej skrajne, niż wszystkie inne możliwe na Ziemi.

 

Odpowiedź ta ma tyle wspólnego z neutrinami sterylnymi, ile jakiekolwiek neutrina mają wspólnego z ciemną materią.

 

Wykorzystałem artykuł NASA: NASA Simulation Suggests Black Holes May Make Ideal Dark Matter Labs

 

Ten obraz pokazuje sygnał gamma wytwarzany w symulacji komputerowej poprzez anihilację cząstek ciemnych  materii.

Źródło: Należące do NASA Goddard Space Flight Center