Как взвесить нейтрино

Ученые из Института ядерных исследований РАН предложили новый способ анализа данных, полученных при исследовании крупномасштабной структуры Вселенной. Это поможет наиболее точно установить массы нейтрино и различные космологические параметры. Статья опубликована в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Стандартная модель — одна из важнейших теоретических конструкций в физике элементарных частиц, которая описывает электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Сегодня доподлинно известно, что модель не является полной теорией, так как она не описывает ряд явлений в области физики частиц, а также противоречит некоторым астрофизическим наблюдениям. В частности, Стандартная модель не содержит подходящих кандидатов на роль темной материи и темной энергии. Другой ее недостаток в том, что она не включает в себя гравитационные взаимодействия.

Возникла проблема и с нейтрино. Эти частицы рождаются в результате ядерных и термоядерных реакций, протекающих в дальнем космосе. Они чрезвычайно слабо взаимодействуют с материей и в Стандартной модели считаются безмассовыми. Экспериментальное обнаружение нейтринных осцилляций (переходов нейтрино между типами) позволило выявить одно из самых существенных расхождений со Стандартной моделью. Это открытие доказало, что массы как минимум двух состояний нейтрино отличны от нуля, а его авторы получили в 2015 году Нобелевскую премию по физике.

Прямые методы (при наблюдении за бета-распадом легких ядер) не позволяют измерить массы нейтрино с достаточной точностью, но возможно установить их сумму с помощью космологических данных. Наиболее перспективным подходом в этом направлении стало исследование крупномасштабной структуры Вселенной, то есть того, каким образом материя, состоящая из галактик, их скоплений, филаментов и других массивных образований, распределена во Вселенной. Новые данные крупномасштабной структуры Вселенной будут получены с запуском космической обсерватории «Евклид» в 2022 году.

Точное значение масс нейтрино, вероятно, поможет объяснить феномен скрытой массы («темной материи»). Это одна из центральных проблем современной космологии: ученые видят ее присутствие по гравитационному влиянию на движение астрономических объектов, но попытки обнаружить частицы пока не увенчались успехом. Предполагается, что этой массой обладает гипотетическая темная материя. Она может составлять до 85% вещества во Вселенной, способного собираться в сгущения (кластеризоваться). Еще одним применением точной массы нейтрино станет изучение процессов, происходивших на ранних стадиях эволюции Вселенной. Нейтрино играли важную роль в образовании легких ядер и формировании равенства температуры реликтового излучения в пространстве. Реликтовое излучение возникло спустя примерно 380 000 лет после Большого Взрыва и поэтому оно содержит информацию о свойствах Вселенной того периода.

Эффект от массивных нейтрино в крупномасштабной структуре Вселенной проявляется на достаточно малых расстояниях. Материя образует сгустки, образование которых не удается описать в рамках привычной линейной теории. Авторами был использован теоретический подход на базе космологической теории возмущений. Для анализа данных применяли наиболее распространенный и надежный метод Монте-Карло марковских цепей. Его суть заключается в том, что теоретические предсказания для наблюдаемых величин вычисляются в каждой точке пространства параметров космологической модели. Однако в данном случае использование метода оказалось практически нереализуемым из-за очень сложных вычислений. Авторы статьи разработали инновационный алгоритм, который позволил впервые применить его в анализе данных крупномасштабной структуры Вселенной на базе космологической теории возмущений.

«Предыдущие исследования были основаны на более грубых феноменологических моделях. Их использование не может считаться удовлетворительным при точности глубоких обзоров неба, имеющихся сейчас и ожидающихся в будущем. Разработанный нами алгоритм не имеет мировых аналогов и способен помочь в анализе данных крупномасштабной структуры Вселенной уже в ближайшие годы», — говорит Антон Чудайкин, научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.

Для того, чтобы спрогнозировать, насколько точно будет возможно определить массу нейтрино с новыми космологическими данными, авторы смоделировали статистическую ошибку космической миссии «Евклид». Результаты моделирования Монте-Карло показали, что совместный анализ данных «Евклид» и космической обсерватории «Планк» позволит определить сумму масс нейтрино с точностью, на порядок превышающей сегодняшнюю из космологических наблюдений.