Vi vet inte vad mörk materia är. Vi känner till egenskaperna hos mörk materia, och mycket av hur den beter sig, så vi vet vilka fysiska egenskaper mörk materia måste ha, men ingen känd materia har alla nödvändiga egenskaper hos mörk materia. Så vi är förbannade.
Det närmaste vi har är neutriner. De interagerar bara svagt med annan materia och interagerar inte starkt med ljus, så de kan betraktas som en form av mörk materia. Det enda problemet är att de tre kända varianterna av neutrino alla har extremt små massor. På grund av detta glider de runt kosmos med nästan ljusets hastighet. Detta betyder att neutriner är en form av 'het' mörk materia, precis som en het gas består av snabbrörliga molekyler. Baserat på observationer av mörk materia som klustring av galaxer, vet vi att kosmisk mörk materia måste vara mest kallt. Neutrinos kan utgöra en liten del av mörk materia, men det mesta av mörk materia måste vara något annat.
Neutrinos och anti-neutrinos helicitet. Kredit: Universe Review
Men eftersom neutriner är så nära att tillfredsställa egenskaperna hos mörk materia, har vissa forskare hävdat att mörk materia kan vara en ännu oupptäckt sort känd som sterila neutriner. Liksom andra elementarpartiklar har neutriner en egenskap som kallas helicitet. I grund och botten kan en neutrino snurra medurs längs sin rörelseriktning (vänsterhänt helicitet) eller moturs längs sin rörelse (högerhänt). De flesta partiklar kan ha vilken som helst typ av helicitet, men neutriner är udda. Vi ser bara vänsterhänta neutrinos och högerhänta antineutrinos.
Detta betyder att om det finns högerhänta neutriner, interagerar de inte med vanlig materia, bara med gravitationen. Därför är de 'sterila'. Och om de har en betydligt större massa än vanliga neutriner, skulle sterila neutriner vara 'kalla' och kan vara lösningen på problemet med mörk materia. Det är en bra idé, men tyvärr, som en ny studie visar, verkar det inte vara sant.
Teamet sätter in tidsprojektionskammaren i MicroBooNE-kryostaten. Kredit: Reidar Hahn, Fermilab
Denna nya studie tittade på data från Fermilabs MicroBooNE-samarbete. Neutrinos strålades in i MicroBooNE-detektorn för att se vilka typer av interaktioner som inträffade med vanlig materia. Tidigare studier som vätskescintillatorneutrinodetektorexperimentet vid Los Alamos och Fermilabs MiniBooNE hade upptäckt fler händelser än vad standardmodellen förutsäger. En möjlig lösning på detta mysterium är att sterila neutriner som interagerar med andra neutriner skapar ett överskott av elektroner i de observerade händelserna. En annan möjlighet är att bakgrundsfotoner skevde data. MicroBooNE-samarbetet är tillräckligt exakt för att titta på något av dessa alternativ och överraskande nog utesluta båda alternativen. Uppgifterna utesluter bakgrundsfotoner med 95 % konfidens och sterila neutrinos med 99 % konfidens.
Om det tidigare överskottet som sågs i MiniBooNE är en verklig effekt (och vi har ingen anledning att misstänka att det inte är det) så är det något konstigt på gång. Sterila neutriner kan fortfarande existera, men deras växelverkan måste vara mer subtil än vad modeller förutsäger. Det kan också finnas vissa komplexa interaktioner mellan vanliga neutriner som för närvarande inte beaktas i standardmodellen. Hur som helst, det finns mycket mer att förstå, och vi har bara börjat belysa svaret.
Referens:Abratenko, P., et al. ' Sök efter Neutrino-inducerad neutralströmsdelta strålningssönderfall i MicroBooNE och ett första test av MiniBooNE lågenergiöverskott under en enkelfotohypotes .'arXiv förtryckarXiv: 2110.00409 (2021).