SN1987A constraints on the neutrino-dark-fermion interaction from resonant scattering with C$\nu$B

Neutrino's zijn de spookachtige deeltjes van het universum, triljoenen van hen passeren je lichaam elke seconde zonder ooit een enkel atoom aan te raken. Ze zijn zo licht en zo verlegen dat ze decennialang een van de meest mysterieuze stukjes van de kosmische puzzel bleven. Hoewel we weten dat ze bestaan, begrijpen we niet volledig hoe ze hun minuscule massa krijgen of of ze met elkaar interageren op manieren die we nog niet kunnen zien. Deze onzekerheid laat een gat achter in ons begrip van het universum, met name met betrekking tot waarom het heelal uitdijt met de snelheid die het doet en hoe materie samenklonterde om sterrenstelsels te vormen. Om dit op te lossen, hebben natuurkundigen voorgesteld dat neutrino's met elkaar zouden kunnen communiceren via een nieuwe, onzichtbare kracht die wordt gedragen door een licht deeltje, of zelfs zouden kunnen transformeren in een type donkere materie dat we niet direct kunnen detecteren. Als dergelijke interacties bestaan, zouden ze een subtiele vingerafdruk achterlaten op de neutrino's die door het universum reizen, wat potentieel het aantal deeltjes verandert dat onze detectoren bereikt.

Een team van onderzoekers heeft nu een historische kosmische gebeurtenis gebruikt om deze ideeën te testen, waarbij ze zochten naar tekenen dat neutrino's interageren met een zee van oude, onzichtbare deeltjes die zijn overgebleven van de oerknal. Deze oude zee, bekend als de kosmische neutrino-achtergrond, is overal aanwezig en vult het universum net zoals de kosmische microgolfachtergrond het met licht vult, maar het is nooit direct waargenomen. De onderzoekers concentreerden zich op een specifieke gebeurtenis: een massieve ster die in 1987 in een nabijgelegen sterrenstelsel explodeerde en een uitbarsting van neutrino's richting de aarde stuurde. Door de gegevens van deze explosie te analyseren, stelden zij een eenvoudige vraag: kwamen de neutrino's aan in de aantallen en met de energieën die we verwachtten, of zijn er onderweg enkele verdwenen? Hun onderzoek onthult dat het antwoord sterk afhangt van hoe we de explosie modelleren en hoe de neutrino's van identiteit veranderen terwijl ze reizen.

De studie centreert zich rond een scenario waarin een neutrino van de exploderende ster botst met een van de oude, langzaam bewegende neutrino's van de oerknal. Als de energie van deze botsing precies goed is, kunnen de twee deeltjes samensmelten om een kortlevend, onzichtbaar deeltje te vormen dat onmiddellijk vervalt in donkere materie. Dit proces werkt als een kosmisch filter, waardoor sommige van de neutrino's uit de stroom worden verwijderd voordat ze de aarde bereiken. De onderzoekers berekenden hoeveel neutrino's op deze manier verloren zouden gaan en vergeleken die voorspellingen met de werkelijke gegevens die in 1987 door detectoren werden geregistreerd. Ze ontdekten dat het aantal neutrino's dat de reis heeft overleefd, afhangt van twee hoofdfactoren: de specifieke manier waarop de ster explodeerde en de aard van de kracht die de neutrino's verbindt.

Om dit te testen, gebruikten het team twee verschillende modellen om de explosie te beschrijven. Het eerste model is een vereenvoudigde, wiskundige beschrijving die ervan uitgaat dat de explosie in twee afzonderlijke stadia plaatsvindt, met een korte, heldere energie-uitbarsting gevolgd door een langere afkoelingsfase. Het tweede model is een complexe computersimulatie die de fysica van een instortende ster in grote detail nabootst, waarbij wordt getoond hoe verschillende soorten neutrino's op verschillende momenten worden geproduceerd. Wanneer zij hun theorie van onzichtbare interacties op deze modellen toepasten, ontdekten zij een cruciaal verschil. In het vereenvoudigde model waren de verdwenen neutrino's voornamelijk degenen die begonnen als elektronneutrino's, en de gegevens uit 1987 stelden de onderzoekers in staat om een strikte limiet te stellen aan hoe sterk de onzichtbare kracht kon zijn. Echter, in de gedetailleerde simulatie veranderde het verhaal. Die simulatie voorspelde een grote hoeveelheid zware, niet-elektronneutrino's die zeer vroeg in de explosie werden geproduceerd. Omdat deze zware neutrino's anders interageren met de onzichtbare kracht, verdwenen ze niet zo gemakkelijk. Ze kwamen aan op aarde en vulden de gaten op die door de ontbrekende elektronneutrino's waren achtergelaten, waardoor het signaal van de interactie effectief werd verborgen.

Deze bevinding betekent dat de limieten die wetenschappers op deze nieuwe interacties kunnen stellen niet absoluut zijn; ze hangen volledig af van welke model van de explosie correct is. Als de gedetailleerde simulatie juist is, is de data van 1987 niet gevoelig genoeg om de existentie van deze interacties uit te sluiten, omdat de "verloren" neutrino's werden vervangen door anderen die er precies zo uitzagen als de deeltjes die we verwachtten te zien. De onderzoekers testten ook twee verschillende soorten onzichtbare krachten. Het ene type beïnvloedt alle neutrino's gelijkmatig, terwijl het andere type zwaardere neutrino's sterker beïnvloedt. Ze ontdekten dat als de kracht sterker is voor zwaardere neutrino's, de gedetailleerde simulatie daadwerkelijk een duidelijk signaal van ontbrekende deeltjes laat zien, omdat de zware neutrino's die de aarde bereiken, degenen zijn die het meest worden weggefilterd. In dit specifieke geval biedt de data van 1987 een betekenisvolle limiet, maar alleen omdat de zware neutrino's degene zijn die worden verwijderd.

De studie concludeert dat het met het beperkte aantal in 1987 gedetecteerde neutrino's onmogelijk is om een enkele, definitieve conclusie te trekken over deze onzichtbare interacties zonder precies te weten hoe de ster explodeerde en hoe de neutrino's hun identiteit veranderden tijdens de reis. De kleine hoeveelheid data werkt als een wazige foto; afhankelijk van hoe je de achtergrond interpreteert, ziet het onderwerp er anders uit. De onderzoekers zijn echter optimistisch over de toekomst. Ze berekenden dat als een soortgelijke explosie vandaag de dag in ons eigen sterrenstelsel zou plaatsvinden, een detector van de volgende generatie, genaamd Hyper-Kamiokande, in staat zou zijn om duizenden neutrino's te vangen in plaats van slechts enkele tientallen. Met veel meer van die data zou de wazigheid verdwijnen. De detector zou de subtiele verschillen in de neutrino-stroom duidelijk genoeg kunnen zien om te bepalen of deze onzichtbare interacties bestaan, ongeacht welk explosiemodel correct is. Deze toekomstige observatie zou wetenschappers eindelijk in staat stellen om de deur naar deze specifieke vorm van nieuwe fysica te sluiten of, wellicht veel spannender, een venster te openen naar een verborgen sector van het universum die tot nu toe onzichtbaar is gebleven.