Стерильные нейтрино как кандидат темной материи

Основные концепции и мотивация

Стерильные нейтрино представляют собой гипотетические фермионы, которые не взаимодействуют через стандартные слабые, сильные или электромагнитные взаимодействия, за исключением возможного смешивания с активными нейтрино. Их введение продиктовано необходимостью объяснения нескольких наблюдаемых явлений, включая:

• Массы и осцилляции активных нейтрино.
• Асимметрию барионов во Вселенной.
• Природу темной материи.

С точки зрения космологии, стерильные нейтрино с массой в диапазоне от нескольких кэВ до десятков кэВ способны выполнять роль теплой или холодной темной материи, оказывая влияние на формирование крупномасштабной структуры Вселенной.

Теоретическая структура модели

Стерильные нейтрино вводятся как расширение Стандартной модели через дополнительные нейтральные фермионы N_i (i = 1, 2, …), не участвующие в слабых взаимодействиях. Их масса и взаимодействие с активными нейтрино описываются с помощью так называемой механизмы нейтринной массы типа I (Type-I Seesaw):

$$ \mathcal{L} \supset - y_{\alpha i} \overline{L_\alpha} \tilde{H} N_i - \frac{1}{2} M_i \overline{N_i^c} N_i + h.c. $$

где L_α — левосторонние лептонные двойки, H̃ — сопряжённое хиггсовское поле, y_αi — матрица Йукавы, M_i — большие массы стерильных нейтрино.

Ключевое свойство этой модели — малое смешивание с активными нейтрино:

$$ \theta_{\alpha i} \sim \frac{y_{\alpha i} v}{M_i} $$

где v — вакуумное ожидание Хиггса. Именно через это смешивание стерильные нейтрино получают возможность распадаться или участвовать в производственных процессах с очень низкой вероятностью.

Космологические аспекты

Производство стерильных нейтрино

Существует несколько механизмов образования стерильных нейтрино в ранней Вселенной:

1. Нестерильная тепловая конверсии (Dodelson-Widrow): Активные нейтрино в горячем плазменном фоне конвертируются в стерильные нейтрино через слабое смешивание. Этот процесс зависит от температуры, массы стерильного нейтрино m_s и угла смешивания θ.

2. Производство через распад тяжелых лептонных фермионов: В сценариях типа «неравновесный распад тяжелых нейтрино» стерильные нейтрино могут возникать в результате распада частиц с массой ≫ кэВ.

3. Асимметричный сценарий (Shi-Fuller): Если в плазме существует значительная лептонная асимметрия, резонансное преобразование активных нейтрино в стерильные усиливается, создавая «резонансное производство».

Влияние на структуру Вселенной

Масса стерильных нейтрино определяет характер темной материи:

• Теплая темная материя (WDM): m_s ∼ 1 − 10 кэВ. Оказывает влияние на формирование галактик и субгалактикальных структур, подавляя мелкомасштабные возмущения.
• Холодная темная материя (CDM): m_s ≫ 10 кэВ. Поведение близко к классической невзаимодействующей темной материи, практически не подавляет мелкие структуры.

Таким образом, наблюдения космического микроволнового фона (CMB), крупномасштабных структур и распределение галактик накладывают ограничения на массу и угол смешивания стерильных нейтрино.

Детектирование стерильных нейтрино

Поскольку стерильные нейтрино не участвуют в слабых взаимодействиях напрямую, их поиск осуществляется косвенными методами:

1. Распады, испускающие рентгеновские фотонные линии: Стерильные нейтрино могут распадаться на активное нейтрино и фотон:

   N_s → ν_α + γ

   Рентгеновская линия с энергией E_γ ∼ m_s/2 может быть зарегистрирована космическими телескопами.

2. Влияние на осцилляции активных нейтрино: Смешивание с активными нейтрино может вызывать аномалии в наблюдаемых потоках нейтрино от Солнца, реакторов или ускорителей.

3. Космологические ограничения: Влияние на количество эффективных степеней свободы $N_{\rm eff}$ и плотность темной материи. Космологические наблюдения предоставляют строгие ограничения на возможные параметры стерильных нейтрино.

Ограничения на параметры

На сегодняшний день эксперименты и космологические данные накладывают следующие ориентировочные ограничения:

• Масса m_s ∼ 1 − 50 кэВ.
• Угол смешивания sin²2θ ≲ 10⁻⁷ − 10⁻¹⁰ в зависимости от массы.

Эти ограничения согласуются с тем, что стерильные нейтрино должны быть достаточно «долго живущими» для выполнения роли темной материи, но достаточно активными для образования в ранней Вселенной.

Роль в современных моделях

Стерильные нейтрино являются одним из наиболее привлекательных кандидатов на роль теплой темной материи. Их введение позволяет:

• Объяснить малые масштабы дефицита структуры в стандартной ΛCDM модели.
• Связать происхождение масс нейтрино с космологическими наблюдениями.
• Включить механизм лептогенеза через распад тяжелых стерильных нейтрино, что может объяснять барионную асимметрию.

Перспективы исследований

Основные направления экспериментальной и теоретической работы:

• Космические миссии для поиска рентгеновских линий от распада.
• Лабораторные эксперименты с точным измерением спектров бета-распада для поиска следов тяжелых нейтрино.
• Детальные симуляции формирования структур во Вселенной с учетом стерильных нейтрино.
• Исследование взаимосвязи масс нейтрино, угла смешивания и лептогенеза.

Эти направления создают уникальную возможность для соединения физики частиц и космологии, делая стерильные нейтрино одним из центральных объектов изучения современной физики темной материи.