Nincs WIMPS! A nehéz részecskék nem magyarázzák a lencse alakú gravitációs anomáliákat – Ars Technica

Évtizedekkel azután, hogy világossá vált, hogy a látható univerzum a sötét anyag keretére épül, még mindig nem tudjuk, mi is a sötét anyag valójában. Nagy léptékben számos bizonyíték utal az úgynevezett WIMP-kre: gyengén kölcsönható, masszív részecskékre. De számos olyan részlet létezik, amelyeket nehéz megmagyarázni a WIMP-ekkel, és a részecskék több évtizedes keresése nem hozott semmi eredményt, így az emberek nyitottak arra a gondolatra, hogy a WIMP-en kívül valami más is sötét anyagból áll.

A sok jelölt egyike az úgynevezett axion, egy erőhordozó részecske, amelyet a fizika egy nem kapcsolódó területén történő probléma megoldására javasoltak. Sokkal világosabbak, mint a WIMP-k, de más, a sötét anyaggal összeegyeztethető tulajdonságaik is vannak, ami miatt alacsony az érdeklődés irántuk. Egy új tanulmány azt állítja, hogy a gravitációs lencséknek vannak olyan jellemzői (nagyrészt a sötét anyag terméke), amelyek jobban megmagyarázhatók az axionszerű tulajdonságokkal.

részecske vagy hullám?

Szóval, mi az axion? A legegyszerűbb szintjén ez egy nagyon könnyű részecske, nincs spinje, és erőhordozóként működik. Eredetileg azt javasolták, hogy a kvantumkromodinamika, amely a protonokat és neutronokat összekötő erős erő viselkedését írja le, ne törje meg a töltésparitás megőrzését. Elegendő munkát végeztek annak biztosítására, hogy a tengelyek kompatibilisek legyenek más elméleti keretekkel, és néhány kutatást végeztek ezek kiderítésére. De az axionok többnyire gyengültek, mint egy olyan probléma lehetséges megoldása közül, amelyek megoldását még nem találtuk ki.

Mindazonáltal felkeltették az érdeklődésüket a sötét anyag lehetséges megoldásaiként. De a sötét anyag viselkedését a legjobban egy nehéz részecske magyarázza – különösen egy gyengén kölcsönhatásba lépő nagy tömegű részecske. Az axionok várhatóan a könnyebb oldalon helyezkednek el, és olyan könnyűek lehetnek, mint a tömeg nélküli neutrínók. Az axionokon végzett keresések általában sok nehéz tömeget is kizárnak, ami még nyilvánvalóbbá teszi a problémát.

De az axionok újra megjelenhetnek, vagy legalábbis mozdulatlanok maradhatnak, amíg a WIMP-k szembefordulnak. Számos detektort építettek arra, hogy megpróbálják azonosítani a WIMP-k gyenge interakcióinak jelzőit, és ezek üresen jelentek meg. Ha a WIMP-k szabványos modell részecskék, akkor a részecskeütköztetőben elvesztett tömeg alapján következtethetünk létezésükre. Erre nem mutattak be bizonyítékot. Ez arra késztette az embereket, hogy újragondolják, vajon a WIMP-k a legjobb megoldás a sötét anyagra.

Kozmikus léptékben a WIMP-k továbbra is nagyon jól illeszkednek az adatokhoz. De ha egyszer leérünk az egyes galaxisok szintjére, vannak olyan anomáliák, amelyek nem működnek jól, kivéve, ha a galaxist körülvevő sötét anyag glóriája összetett szerkezetű. Hasonló dolgok igaznak hangzanak, amikor megpróbálja feltérképezni az egyes galaxisok sötét anyagát azon képessége alapján, hogy képes létrehozni egy gravitációs lencsét, amely elvetemíti a teret úgy, hogy felnagyítja és torzítja a háttérobjektumokat.

Az új munka megkísérli ezeket a lehetséges anomáliákat a WIMPS és az axionok tulajdonságai közötti különbséggel összefüggésbe hozni. Ahogy a neve is sugallja, a WIMP-knek különálló részecskékként kell viselkedniük, amelyek szinte teljes egészében a gravitáció révén hatnak egymásra. Ezzel szemben az axionoknak kvantuminterferencián keresztül kell kölcsönhatásba lépniük egymással, ami hullámszerű mintákat hoz létre frekvenciájukban az egész galaxisban. Tehát míg a WIMP-k frekvenciájának enyhén csökkennie kell a galaktikus magtól való távolsággal, az axionoknak állóhullámot (technikailag szolitont) kell alkotniuk, amely növeli frekvenciájukat a galaktikus mag közelében. Ezen túlmenően az összetett interferencia-mintázatoknak olyan régiókat kell létrehozniuk, ahol a tengelyek lényegében hiányoznak, és olyan régiókat, ahol azok az átlagos intenzitás kétszeresével vannak jelen.

Nehéz megtalálni

Néhány lehetséges kivételtől eltekintve a sötét anyag alkotja a galaxis tömegének nagy részét. Tekintettel erre, ezeknek az interferencia-mintázatoknak a galaxis különböző régióiból származó gravitációs vonzás egyenetlenségét kell okozniuk. Ha a régiók közötti különbségek elég nagyok, ez valószínűleg a gravitációs lencsék várható viselkedésének enyhe eltéréseként jelenik meg. Ezért a galaxis mögötti objektumoknak továbbra is lencse alakú képeknek kell megjelenniük; Előfordulhat, hogy nem úgy van kialakítva, ahogyan azt várjuk, vagy nem pontosan azon a helyen, ahol elvárjuk.

A modellezés azt mutatja, hogy ezek az aberrációk elég kicsik ahhoz, hogy még a Hubble Űrteleszkóp sem volt képes rögzíteni őket. De lehetséges lehet rádióhullámhosszon is észlelni őket azáltal, hogy egymástól távol eső rádióteleszkópokból származó adatokat egy lényegében egyetlen óriási távcsővé egyesítenek. (Ez a megközelítés lehetővé tette az Event Horizon Telescope számára, hogy egy fekete lyuk képét hozza létre.)

És legalább egy esetben rendelkezünk ilyen adatokkal. A HS 0810+2554 egy hatalmas elliptikus galaxis, amely köztünk és egy másik galaxis szívében egy aktív fekete lyuk között fekszik. Az előtérben lévő galaxis által létrehozott gravitációs lencsék négy képet hoznak létre az aktív galaxisról, amelyek mindegyike fényes galaktikus maggal és két nagy anyagsugárral nyúlik ki belőle. Összehasonlítható ennek a négy képnek a helye és torzulása azzal, amit a galaxis előtérben lévő tipikus sötét anyag halója alapján várnánk.

Ez egy viszonylag egyszerű dolog a WIMP-ekkel, mivel csak egy mintára számíthatunk: a sötét anyag szintjének fokozatos csökkenése, ahogy távolodsz a galaktikus magtól. Az ezen az eloszláson alapuló objektív-előrejelzések rosszul illesztik a valós adatokat, hogy hol jelennek meg a képek az objektívekkel.

A kihívás az, hogy ugyanazt az elemzést végezzük el a kaotikus tengelyek interferenciamintázatai alapján: futtassuk le a modellt kétszer különböző kezdeti feltételekkel, és más interferenciamintát kapunk. Tehát elég kicsi annak az esélye, hogy a való világ galaxisában élők készítsék el az objektíveket. Ehelyett a kutatócsoport 75 különböző modellt futtatott le véletlenszerűen kiválasztott kezdeti feltételekkel. Véletlenül hoztam létre néhány ilyen torzítást, amelyek hasonlóak a valós adatoknál tapasztaltakhoz, és általában csak az egyiket érintik az objektívvel ellátott négy kép közül. Ezért a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a lencse alakú képek torzulásai összhangban vannak az axionok kvantuminterferenciájából származó sötét anyag halójával.

Szóval tényleg axiók?

Egyetlen galaxis elemzése nem jelent kritikus ütést semmiben, és rengeteg okunk van arra, hogy óvatosabbnak legyünk. Például a kutatók feltevéseket tettek a hétköznapi és látható anyag galaxisbeli eloszlásáról, aminek gravitációs hatása is van. Úgy gondolják, hogy az elliptikus galaxisok kisebb galaxisok egyesülésének az eredménye, ami olyan finoman befolyásolhatja a sötét anyag eloszlását, amelyet nehéz észlelni a normál anyag eloszlásának nyomon követésével.

Végül, ez a fajta átfedő minta csak szokatlanul könnyű tengelyeknél működik – 10-es nagyságrendben^-22 elektronvolt. Ezzel szemben magának az elektronnak a tömege körülbelül 500 000 elektronvolt. Ez sokkal könnyebbé tenné az axionokat, mint a neutrínók.

Maguk az új dolgozat szerzői többnyire óvatosak a bizonyítékokkal kapcsolatban, írásukat a következő mondattal zárják: „Döntse el, hogy [WIMP- or axion-based dark matter] Az asztrofizikai megfigyelések jobb reprodukálása az egyensúlyt az új fizika két hasonló elméleti osztálya felé billenti. De óvatosságuk becsúszik az összefoglaló utolsó mondatába, ahol azt írják: „Képesség”. [axion-based dark matter] A lencse anomáliáinak feloldása még az olyan kihívást jelentő esetekben is, mint a HS 0810+2554, valamint más asztrofizikai megfigyelések reprodukálásában elért sikere, az egyensúlyt az új fizika-tengelyek felé billenti. „

Kétségtelenül hamarosan látni fogjuk, hogy e tanulmány szerzőitől és lektoraitól eltérő fizikusok is osztják-e ezeket az érzéseket.

Természeti Csillagászat, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (a DOI-król).