Najnowsze badania Narodowego Centrum Badań Jądrowych wskazują na możliwą interakcję pomiędzy neutrinami – często nazywanymi „cząstkami duchami” – a ciemną materią, dwoma z najbardziej tajemniczych składników Wszechświata. Kosmolodzy odkryli, że obecne obserwacje lepiej pasują do modelu, w którym te nieuchwytne istoty słabo oddziałują, potencjalnie rozwiązując długoletnią kosmiczną zagadkę.
Problem z modelem standardowym
Standardowy model kosmologiczny, pomimo swojego pod wieloma względami sukcesu, ma trudności z pełnym wyjaśnieniem rozmieszczenia materii we Wszechświecie. Kiedy naukowcy ekstrapolują dane z wczesnego Wszechświata – takie jak kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) i barionowe oscylacje akustyczne (BAO) – na współczesność, odkrywają rozbieżności. Przewidywane zlepianie się materii nie pokrywa się z tym, co obserwujemy. Nie musi to koniecznie oznaczać, że model jest niepoprawny, ale sugeruje, że może być niekompletny.
Dlaczego to ma znaczenie: CMB reprezentuje najwcześniejsze światło wyemitowane około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, podczas gdy BAO to starożytne struktury zatrzymane w czasie. Dostarczają migawek wczesnego Wszechświata. Jeśli nie zgadzają się z obecnym rozkładem materii, oznacza to, że czegoś zasadniczo brakuje w naszym rozumieniu ewolucji kosmicznej.
Neutrina i ciemna materia: nieuchwytni gracze
Zarówno neutrina, jak i ciemna materia rzadko oddziałują z inną materią. Neutrina powstające w gwiazdach i supernowych są liczne, ale przechodzą przez wszystko niemal niezauważone. Mają minimalną masę i nie mają ładunku elektrycznego. Z drugiej strony ciemna materia w ogóle nie oddziałuje ze zwykłą materią, chyba że poprzez grawitację. O jego istnieniu wnioskuje się na podstawie wpływu grawitacji na galaktyki i czasoprzestrzeń, co sugeruje, że stanowi około 85% materii we wszechświecie.
Pomysł, że te dwie nieuchwytne substancje mogą wchodzić w interakcje, nie jest nowy: teorie istnieją od początku XXI wieku. Jednak ostatnie odkrycia prowadzone pod kierunkiem fizyka Lei Zu dostarczają bardziej przekonujących dowodów niż kiedykolwiek wcześniej.
Nowe dane: sygnał trzech sigma
Zespół badawczy połączył dane z CMB, BAO i dane z Dark Energy Survey, projektu mapującego rozmieszczenie ciemnej materii i energii. Przeprowadzając symulacje z rozpraszaniem neutrin i ciemnej materii lub bez nich, odkryli, że włączenie interakcji sprawia, że symulowany wszechświat bardziej przypomina nasz.
Istotność statystyczna wynosi obecnie 3 sigma — dowód nie jest rozstrzygający, ale wystarczająco mocny, aby uzasadnić dalsze badania. Wynik ten jest zgodny z wcześniejszymi wskazówkami i sugeruje, że interakcja, jeśli zostanie potwierdzona, może okazać się przełomowa.
„Jeśli ta interakcja między ciemną materią a neutrinami zostanie potwierdzona, będzie to zasadniczy przełom” – mówi fizyk teoretyczny William Jarais. „Nie tylko rzuci to nowe światło na utrzymujące się rozbieżności między różnymi sondami kosmologicznymi, ale także zapewni fizykom cząstek konkretny kierunek eksperymentów laboratoryjnych”.
Implikacje i przyszłe badania
Jeśli zostanie potwierdzona, ta interakcja może pomóc w udoskonaleniu Modelu Standardowego kosmologii, umożliwiając słabe rozpraszanie pomiędzy neutrinami a ciemną materią. Co ważniejsze, zapewnia konkretny kierunek fizykom cząstek pragnącym zrozumieć prawdziwą naturę ciemnej materii.
Zespół badawczy przyznaje, że potrzebne są dalsze badania. Dokładne badania będą wymagały wyjścia poza standardowe przybliżenia w kosmologii cząstek elementarnych – mówi Sebastian Trojanowski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Poszukiwanie rozwiązań tych kosmicznych tajemnic trwa, a kluczem mogą być ciche szepty oddziałujących na siebie cząstek widmowych.
Aktualne dowody sugerują, że te dwa nieuchwytne obiekty mogą nie być tak odizolowane, jak wcześniej sądzono, co wskazuje na głębsze powiązanie w strukturze wszechświata.
