Частицы-призраки, взаимодействующие с темной материей, могут раскрыть огромную космическую загадку
Новое исследование ранней Вселенной, проведенное Национальным центром ядерных исследований Польши, только что обнаружило, что может существовать взаимодействие между двумя наиболее неуловимыми компонентами космоса.
Объединив различные виды наблюдений, космологи показали, что то, что мы видим, легче объяснить, если нейтрино, также известные как «частицы-призраки», слабо взаимодействуют с темной материей.
При досадной уверенности в трех сигмах сигнал не является сильным. достаточно, чтобы быть окончательным, но также слишком сильным, чтобы быть простым намеком или шумом в данных.
Это открытие может открыть путь к небольшому расширению Стандартной космологической модели, ослабив предположение о том, что темная материя полностью бесстолкновительна, и допуская слабое рассеяние между нейтрино и темной материей.
По теме: Нейтрино: «частицы-призраки» могут взаимодействовать со светом после Все
Нейтрино и темная материя — это два компонента Вселенной, которые практически ни с чем не взаимодействуют.
Нейтрино — одни из самых распространенных частиц во Вселенной. Они образуются в больших количествах при таких энергетических обстоятельствах, как взрывы сверхновых и термоядерный синтез, происходящий в недрах звезд, поэтому они практически повсюду.
Однако у них нет электрического заряда, их масса чрезвычайно мала, и они практически не взаимодействуют с другими частицами, с которыми сталкиваются. Прямо сейчас через ваше тело проходят сотни миллиардов нейтрино. Время от времени нейтрино сталкивается с другой частицей, создавая поток частиц распада и фотонов, для обнаружения которых нам нужно специальное подземное оборудование.
С другой стороны, темная материя, похоже, вообще не взаимодействует с обычной материей, кроме как гравитационно. Убедительными доказательствами его существования являются гравитационные эффекты, такие как скорость вращения галактик и искривление пространства-времени, которые не могут быть объяснены обычной материей. Эти эффекты позволяют предположить, что примерно 85 процентов материи во Вселенной состоит из «темной» материи, которую мы не можем видеть.
Идея о том, что эти две очень уклончивые вещи могут взаимодействовать друг с другом, не нова: в начале 2000-х годов появились статьи, в которых предполагают, что они могут брататься способами, которые мы не обнаружили.
За последние несколько лет ученые опубликовали несколько статей, предварительно намекающих на это. существуют взаимодействия нейтрино и темной материи. Эта новая статья, возглавляемая физиком Лей Цзу, который проводил работу в Национальном центре ядерных исследований Польши и сейчас базируется в Национальной астрономической обсерватории Японии, стремилась вывести эту идею за рамки теории в надежде решить одну из самых больших проблем космологии.
Эта проблема возникает, когда мы смотрим на снимки ранней Вселенной, представленной космическим микроволновым фоном (CMB) и барионными акустическими колебаниями (BAO), и сравниваем их. их против недавней Вселенной.
Реликтовое излучение — это реликт первого света, который свободно распространялся по Вселенной примерно через 380 000 лет после Большого взрыва; БАО — это крупномасштабные структуры, оставшиеся от акустической волны, которая распространялась по всей ранней Вселенной и застывшие во времени, когда среда, через которую они путешествовали, стала слишком размытой, чтобы поддерживать их.
Если мы экстраполируем реликтовое излучение и БАО на нынешний возраст Вселенной в 13,8 миллиардов лет на основе стандартной модели космологии, мы в конечном итоге получим Вселенную, которая выглядит значительно более неуклюжей, чем Вселенная, которую мы на самом деле видим вокруг нас.
«Это противоречие не означает, что стандартная космологическая модель неверно, но это может свидетельствовать о том, что оно неполное», — объясняет космолог Элеонора Ди Валентино из Университета Шеффилда в Великобритании. «Наше исследование показывает, что взаимодействие между темной материей и нейтрино может помочь объяснить эту разницу, предлагая новое понимание того, как формируется структура во Вселенной».
В результате одного согласованного усилия исследователи собрали один из наиболее полных объединенных наборов данных для тестирования взаимодействий нейтрино и темной материи в ранней и поздней Вселенной. Они включили два разных наблюдения реликтового излучения, три набора данных BAO и данные продолжающегося исследования темной энергии, которое сканирует небо для составления карты распределения темной материи и энергии.
Затем они провели космологическое моделирование для каждого из наборов данных CMB и BAO по отдельности, прежде чем объединить их. Но они добавили еще один ингредиент: взаимодействие рассеяния нейтрино и темной материи.
Результаты показали небольшое предпочтение рассеяния в отдельных наборах данных, при этом Вселенная выглядит немного больше похожей на нашу Вселенную сегодня, чем на симуляцию без рассеяния. Но предпочтение в комбинированных наборах данных было гораздо сильнее, с уверенностью в 3 сигмы.
Это крайне далеко не убедительно, но согласуется с более ранними результатами и достаточно убедительно, чтобы гарантировать дальнейшее исследование.
«Если это взаимодействие между темной материей и нейтрино подтвердится, это будет фундаментальным прорывом», — говорит физик-теоретик и космолог Уильям Джаре из Гавайского университета, ранее работавший в Университете из Шеффилда.
«Это не только пролило бы новый свет на постоянное несоответствие между различными космологическими зондами, но и дало бы физикам элементарных частиц конкретное направление, указав, какие свойства следует искать в лабораторных экспериментах, чтобы помочь окончательно разоблачить истинную природу темной материи».
«Если» выполняет там большую тяжелую работу, но эти загадки настолько озадачивают, что это направление исследований выглядит глубоко заманчивым.
«Объяснение и Тщательная проверка такого явного эффекта требует выхода за рамки типичных приближений, используемых в космологии элементарных частиц», — заключает физик-теоретик Себастьян Трояновский из Польского национального центра ядерных исследований, — «которые станут предметом дальнейших исследований».
Результаты были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
