Undersøgelse tyder på, at den undvigende neutrino kunne udgøre en væsentlig del af mørkt stof

Fysikere, der forsøger at forstå naturens grundlæggende struktur, er afhængige af konsistente teoretiske rammer, der kan forklare, hvad vi ser og samtidig lave forudsigelser, som vi kan teste. På den mindste skala af elementarpartikler, standardmodellen for partikelfysik danner grundlag for vores forståelse.

På kosmos skala, meget af vores forståelse er baseret på "standardmodel for kosmologi". Informeret af Einsteins teori om generel relativitetsteori, det antager, at størstedelen af ​​massen og energien i universet består af mystiske, usynlige stoffer kendt som mørkt stof (udgør 80% af stoffet i universet) og mørk energi.

I løbet af de sidste årtier har denne model har været bemærkelsesværdig succesfuld med at forklare en lang række observationer af vores univers. Alligevel ved vi stadig ikke, hvad der udgør mørkt stof - vi ved kun, at det eksisterer på grund af den tyngdekraft, det har på galaksehobe og andre strukturer. En række partikler er blevet foreslået som kandidater, men vi kan ikke med sikkerhed sige, hvilken eller flere partikler der udgør mørkt stof.

Nu videregiver vores nye undersøgelse - som antyder, at ekstremt lette partikler kaldet neutrinoer sandsynligvis vil udgøre noget af det mørke stof - vores nuværende forståelse af dets sammensætning.

Varmt versus koldt

Standardmodellen fastholder, at mørkt stof er "koldt". Det betyder, at den består af relativt tunge partikler, der oprindeligt havde træg bevægelse. Som en konsekvens, det er meget let for nabopartikler at komme sammen for at danne objekter bundet af tyngdekraften. Modellen forudsiger derfor, at universet skal være fyldt med små "haloer" af mørkt stof, hvoraf nogle vil fusionere og danne gradvist mere massive systemer - hvilket gør kosmos "klumpet".

Imidlertid, det er ikke umuligt, at i det mindste noget mørkt stof er "varmt". Dette vil omfatte relativt lette partikler, der har ret høje hastigheder - hvilket betyder, at partiklerne let kan flygte fra tætte områder som galakser. Dette ville bremse akkumuleringen af ​​nyt stof og føre til et univers, hvor dannelsen af ​​struktur undertrykkes (mindre klumpet).

Neutrinoer, som suser rundt med ekstremt høje hastigheder, er en god kandidat til varmt mørkt stof. I særdeleshed, de udsender eller absorberer ikke lys - hvilket får dem til at virke "mørke". Det blev længe antaget, at neutrinoer, der findes i tre forskellige arter, ikke har masse. Men eksperimenter har vist, at de kan ændre sig (svinge) fra en art til en anden. Vigtigere, forskere har vist, at denne ændring kræver, at de har masse - hvilket gør dem til en legitim kandidat til varmt mørkt stof.

I løbet af de sidste årtier har imidlertid, både partikelfysiske eksperimenter og forskellige astrofysiske argumenter har udelukket, at neutrinoer udgør det meste af det mørke stof i universet. Hvad mere er, standardmodellen forudsætter, at neutrinoer (og varmt mørkt stof generelt) har så lidt masse, at deres bidrag til mørkt stof kan ignoreres fuldstændigt (i de fleste tilfælde antages det at være 0%). Og, indtil for nylig, denne model har gengivet en lang række kosmologiske observationer ganske godt.

Skiftende billede

I de seneste år, mængden og kvaliteten af ​​kosmologiske observationer er skudt enormt op. Et af de mest fremtrædende eksempler på dette har været fremkomsten af ​​"gravitationsobjektivobservationer". Generel relativitet fortæller os, at stof krummer rumtid, så lys fra fjerne galakser kan afbøjes af massive genstande, der ligger mellem os og galakserne. Astronomer kan måle en sådan nedbøjning for at estimere væksten af ​​struktur ("klump") i universet over kosmisk tid.

Disse nye datasæt har præsenteret kosmologer for en række måder til detaljeret at teste standardmodellens forudsigelser. Et billede, der begynder at komme ud af disse sammenligninger, er, at massefordelingen i universet ser ud til at være mindre klumpet, end det burde være, hvis det mørke stof er helt koldt.

Imidlertid, sammenligninger mellem standardmodellen og de nye datasæt er måske ikke så ligetil som først antaget. I særdeleshed, forskere har vist, at universets tilsyneladende klump ikke bare påvirkes af mørkt stof, men også ved komplekse processer, der påvirker normalt stof (protoner og neutroner). Tidligere sammenligninger antog, at normalt stof, som "mærker" både tyngdekraften og trykkræfterne, fordeles som mørkt stof, som kun mærker tyngdekraften.

Nu har vores nye undersøgelse produceret den største pakke af kosmologiske computersimuleringer af normalt og mørkt stof til dato (kaldet BAHAMAS). Vi har også foretaget omhyggelige sammenligninger med en lang række nylige observationer. Vi konkluderer, at uoverensstemmelsen mellem de nye observationsdatasæt og standardmodellen for koldt mørkt stof er endnu større end tidligere påstået.

Vi kiggede meget detaljeret på virkningerne af neutrinoer og deres bevægelser. Som forventet, når neutrinoer blev inkluderet i modellen, strukturdannelsen i kosmos blev skyllet ud, gør universet mindre klumpet. Vores resultater tyder på, at neutrinoer udgør mellem 3% og 5% af den samlede mørke stofmasse. Dette er tilstrækkeligt til konsekvent at gengive en lang række observationer - herunder de nye gravitationslinsemålinger. Hvis en større brøkdel af det mørke stof er "varmt", væksten af ​​struktur i universet undertrykkes for meget.

Forskningen kan også hjælpe os med at løse mysteriet om, hvad massen af ​​et individuelt neutrino er. Fra forskellige forsøg, partikelfysikere har beregnet, at summen af ​​de tre neutrino -arter skal være mindst 0,06 elektronvolt (en energienhed, ligner joule). Du kan konvertere dette til et skøn over det samlede neutrino -bidrag til mørkt stof, og det er 0,5%. I betragtning af at vi har fundet det faktisk seks til ti gange større end dette, vi kan udlede, at neutrino-massen i stedet skal være omkring 0,3-0,5 eV.

Dette er pirrende tæt på værdier, der rent faktisk kan måles ved kommende partikelfysiske eksperimenter. Hvis disse målinger bekræfter de masser, vi fandt i vores simuleringer, dette ville være meget betryggende - hvilket giver os et konsistent billede af neutrinoers rolle som mørkt stof fra de største kosmologiske skalaer til det mindste partikelfysiske område.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.