مطالعه‌ی ماده‌ی تاریک کهکشان توسط نوترینوهای کیهانی پرانرژی

مطالعه‌ی ماده‌ی تاریک کهکشان توسط نوترینوهای کیهانی پرانرژی
شکل ۱. راستای نوترینوهای مشاهده‌شده در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب در مختصات کهکشان مربوط به داده‌های گرفته‌شده طی ۴ سال. x راستای نوترینوهایی که میون در داخل آشکارگر آزاد کرده‌اند و + دیگر نوترینوها را نشان می‌دهند. دایره‌ها میانگین دقت زاویه‌ای راستای نوترینوها را نمایش می‌دهد. گستردگی راستای نوترینوها بر طیف رنگی پس‌زمینه‌ی چگالی ماده تاریک در آسمان قابل مشاهده است.

شکل ۱. راستای نوترینوهای مشاهده‌شده در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب در مختصات کهکشان مربوط به داده‌های گرفته‌شده طی ۴ سال. x راستای نوترینوهایی که میون در داخل آشکارگر آزاد کرده‌اند و + دیگر نوترینوها را نشان می‌دهند. دایره‌ها میانگین دقت زاویه‌ای راستای نوترینوها را نمایش می‌دهد. گستردگی راستای نوترینوها بر طیف رنگی پس‌زمینه‌ی چگالی ماده تاریک در آسمان قابل مشاهده است.

علی‌رغم آن‌که وجود ماده‌ی تاریک تاکنون تنها از طریق اثرات گرانشی آن مشاهده شده است، هم‌مرتبه‌بودن مؤلفه‌های باریونی مدل استاندارد و ماده‌ی تاریک دلالت بر وجود برهم‌کنش غیرگرانشی بین این دو دارد. سطح مقطع نابودی۱ ماده‌ی تاریک در مجاورت مقیاس ضعیف می‌تواند به سادگی چگالی باقی‌مانده از تفکیک حرارتی را توضیح دهد؛ پدیده‌ای که از آن به عنوان معجزه‌ی ویمپ۲ یاد می‌شود. وجود فرآیند نابودی و تبدیل ماده‌ی تاریک به ذرات مدل استاندارد، مؤید وجود برهم‌کنش بین ماده‌ی تاریک و ذرات مدل استاندارد است. شایان ذکر است که این خاصیت بن‌مایه‌ی آزمایش‌هایی است که به دنبال کشف مستقیم ماده‌ی تاریک پدیدار می‌شوند. برهم‌کنش میان نوترینوها و ماده‌ی تاریک، علی‌الخصوص در مدل‌های شامل ماده‌ی تاریک سبک، به طور طبیعی ظاهر می‌شود.

شکل ۲. پراکندگی فاصله‌ی نوترینوها از مرکز کهکشان برای داده های ۴ سال آیس کیوب، نوترینوهای اتمسفری (بنفش)، جمع کل نوترینوها بدون برهم‌کنش با ماده‌ی تاریک (مشکی)، و پیش‌بینی برای ۳ مدل مختلف از برهم‌کنش نوترینو ها با ماده‌ی تاریک با اسپین و ضریب برهم‌کنش متفاوت. کاهش تعداد نوترینوهای مشاهده‌شده در مجاورت مرکز کهکشان هنگام وجود برهم‌کنش در تصویر نمایش داده شده است.

شکل ۲. پراکندگی فاصله‌ی نوترینوها از مرکز کهکشان برای داده های ۴ سال آیس کیوب، نوترینوهای اتمسفری (بنفش)، جمع کل نوترینوها بدون برهم‌کنش با ماده‌ی تاریک (مشکی)، و پیش‌بینی برای ۳ مدل مختلف از برهم‌کنش نوترینو ها با ماده‌ی تاریک با اسپین و ضریب برهم‌کنش متفاوت. کاهش تعداد نوترینوهای مشاهده‌شده در مجاورت مرکز کهکشان هنگام وجود برهم‌کنش در تصویر نمایش داده شده است.

در این مقاله، من و همکارانم روشی نوین برای بررسی برهم کنش نوترینوهای پرانرژی و ماده‌ی تاریک ارائه داده‌ایم. نوترینوهای کیهانی مشاهده‌شده در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب۳ ابزار مناسبی را برای این امر در اختیار قرار می‌دهند. در این مطالعه، تمرکز ما بر روی آن دسته از نوترینوهایی است که اولین واکنش آن‌ها در درون آشکارساز آیس‌کیوب انجام شده است. خصوصیت مهم این دسته از نوترینوها این است که امکان تفکیک میان نوترینوهای با منشا اخترفیزیکی و دیگر نوترینوهای ناشی از برهم‌کنش پرتوهای کیهانی در اتمسفر را ایجاد می‌کنند. شایان ذکر است که بررسی این دسته از نوترینوها بود که برای اولین بار زمینه‌ی کشف شار نوترینوهای کیهانی در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب را فراهم کرد. تصویر ۱ راستای نوترینوهای مشاهده‌شده در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب را در مختصات کهکشان نمایش می‌دهد. پراکندگی چگالی ماده‌ی تاریک نیز در این تصویر نمایش داده شده است.

بررسی شار نوترینوهای کیهانی نشان از وجود یک طیف توانی ساده دارد. مطالعات انجام‌شده بر روی راستای نوترینوهای مشاهده‌شده حاکی از همگونی راستای نوترینوها‌ی کیهانی در آسمان است. هم‌چنین با توجه به این همگونی و عدم مشاهده‌ی هم‌بستگی نوترینوها با صفحه‌ی کهکشان راه شیری، عمده‌ی نوترینوهای یافت‌شده تاکنون منشا فراکهکشانی دارند.

شکل ۳. محدوده‌ی مجاز در فضای پارامترهای برهم‌کنش ماده‌ی تاریک و نوترینو برای دو مدل (چپ: ماده‌ی تاریک فرمیونی و ذره‌ی واسطه‌ی برداری، راست: ماده‌ی تاریک اسکالر و ذره‌ی واسطه‌ی فرمیونی). ناحیه های روشن و کدر به ترتیب محدوده های ۶۸ و ۹۵ درصد را مشخص می‌کنند.

شکل ۳. محدوده‌ی مجاز در فضای پارامترهای برهم‌کنش ماده‌ی تاریک و نوترینو برای دو مدل (چپ: ماده‌ی تاریک فرمیونی و ذره‌ی واسطه‌ی برداری، راست: ماده‌ی تاریک اسکالر و ذره‌ی واسطه‌ی فرمیونی). ناحیه های روشن و کدر به ترتیب محدوده های ۶۸ و ۹۵ درصد را مشخص می‌کنند.

در این مطالعه ما با در نظرگرفتن دو مدل ساده‌شده از برهم‌کنش نوترینو و ماد‌ه‌ی تاریک نشان دادیم که وجود این برهم‌کنش موجب ایجاد یک ناهمگنی در شار مشاهده‌شده در راستای مرکز کهکشان و فرونشانی شار در انرژی‌های بالا خواهد گردید، چرا که در اثر برهم‌کنش الاستیک نوترینوها با ماده‌ی تاریک درون کهکشان، نوترینوها دچار افت انرژی شده و نوترینوهایی که در این راستا به آیس‌کیوب می‌رسند در بازه‌ی انرژی‌های بالا مشاهده نخواهند شد. این اثر برای نوترینوهایی که از مرکز کهکشان، یعنی جایی که بیشترین میزان چگالی ماد‌ه‌ی تاریک انتظار می‌رود بیشینه خواهد بود.

رصدخانه آیس کیوب و شار مشاهده شده که عمدتا منشا فراکهکشانی دارد، زمینه مناسبی را برای بررسی این پدیده فراهم می‌کنند. زیرا نوترینوها با منشا فراکهکشانی بایستی از هاله‌ی ماده‌ی تاریک حول کهکشان عبور کرده تا به زمین برسند و با توجه به راستای آن‌ها مسیرهای متفاوتی را در ماده‌ی تاریک طی کنند. وجود ناهمگونی در مشاهدات آیس‌کیوب مبین وجود این پدیده و عدم مشاهده آن محدودکننده‌ی قدرت این برهم‌کنش خواهد بود. تصویر ۲ چگونگی تغییر فاصله‌ی نوترینوها از مرکز کهکشان بر اثر این پدیده را نشان می‌دهد.

با درنظرگرفتن موارد ذکرشده و با استفاده از ابزار زنجیره‌ی مارکوف مونت کارلو۴، مطالعه‌ی مشاهده‌پذیرهایی از قبیل راستای نوترینوها، انرژی، و هندسه‌ی برهم‌کنش نوترینو در آیس‌کیوب به بررسی این پدیده پرداختیم و نشان دادیم که براساس داده‌های فعلی، نوترینوها فضای پارامترهای برهم‌کنش (ضریب برهم‌کنش، جرم ماده‌ی تاریک، و جرم ذره واسطه) را محدود می کند. تصویر ۳ ناحیه‌های محدودشده در این بررسی را نشان می‌دهد.


(۱) annihilation
(۲) WIMP
(۳) IceCube
(۴) Markov Chain Monte Carlo

عنوان اصلی مقاله: Imaging Galactic Dark Matter with High-Energy Cosmic Neutrinos
نویسندگان:Carlos A. Argüelles, Ali Kheirandish, Aaron C. Vincent
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/abs/1703.00451
گردآوری: علی خیراندیش

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

علی خیراندیش

پژوهشگر پسادکترا در مؤسسه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای دانشگاه ویسکانسین است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. وی در حال حاضر عضو رصدخانه‌ی نوترینو IceCube است. او در سال ۲۰۱۶ دکترای خود را از دانشگاه ویسکانسین اخذ کرده است. تحقیقات وی بر روی منابع نوترینوهای کیهانی و پژوهش‌های فیزیک جدید با استفاده از نوترینوهای انرژی بالا متمرکز است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*