Šta ako već znamo jednu od čestica tamne materije?
Fizičari koji pokušavaju da razumiju osnovnu strukturu prirode oslanjaju se na dosljedne teorijske okvire koji mogu objasniti ono što vidimo i istovremeno prave prognoze koje možemo testirati.
Na najmanjoj skali elementarnih čestica, standardni model fizike čestica daje osnovu našeg razumjevanja.
Na skali kosmosa, većina našeg razumjevanja zasniva se na “standardnom modelu kosmologije”.
Prema Einsteinovoj teoriji opće relativnosti, ona postavlja Que najviše mase i energije u svemiru i sastoji se od misteriozne, nevidljive materije poznate kao tamna materija (što čini 80 posto materije u svemiru) i tamne energije.
Tokom proteklih nekoliko decenija, ovaj model je bio izuzetno uspješan u objašnjavanju širokog spektra posmatranja našeg univerzuma.
Ipak, i dalje ne znamo šta čini tamnu materiju – znamo samo da postoji zbog gravitacionog djelovanja na klasterima galaksije i drugim strukturama.
Nekoliko čestica je predloženo kao kandidat, ali ne možemo sigurno reći koja jedna ili više čestica čine tamnu materiju.
Sada nova studija – koja nagovještava da izuzetno lagane čestice koje nazivaju neutrini vjerovatno čine nešto tamne materije – dovodi u pitanje trenutno razumjevanje njegovog sastava.
Vruće i hladno
Standardni model smatra da je tamna materija “hladna”. To znači da se sastoji od relativno teških čestica koje su inicijalno imale lagane pokrete.
Kao posljedica toga, veoma je lahko susjednim česticama da se sastanu da bi se oblikovali objekti vezani gravitacijom.
Prema tome, model je predviđao da univerzum treba da bude napunjen malim “haloima” od mračne materije, od kojih će se neki spajati i formirati progresivno masivnije sisteme – pravljenje “grudvenog” kosmosa.
Međutim, nije nemoguće da je bar neki dio tamne stvar “vruć”.
Ovo bi sadržavalo relativno lake čestice koje imaju vrlo visoke brzine – što znači da čestice mogu lako da pobjegnu iz gustih regiona kao što su galaksije.
Ovo bi usporilo akumulaciju nove materije i dovelo do univerzuma u kojem je formiranje strukture potisnuto (manje grupisano).
Neutrini, koji imaju ekstremno velike brzine, dobar su kandidat za vruću tamnu materiju.
Konkretno, oni ne emituju ili apsorbuju svjetlost – što ih čini “mračnim”.
Dugo se pretpostavljalo da neutrini, koji postoje u tri različite vrste, nemaju masu.
Ali oni su pokazali da mogu da se promjenu (osciliraju) od jedne vrste do druge.
Značajno je da su naučnici pokazali da ova promjena zahtijeva od njih masu – što ih čini legitimnim kandidatom za toplu tamnu materiju.
Međutim, proteklih nekoliko decenija, eksperimenti fizike čestica i različite astrofizičke linije argumenta isključili su neutrine kao potencijalne nosioce većine tamne materije u svemiru.
Štaviše, standardni model pretpostavlja da su neutrini (i vruća tamna materija uopšte) toliko mali da se njihov doprinos tamnoj materiji može potpuno ignorisati (u većini slučajeva pretpostavlja se da je 0 procenata).
I do nedavno, ovaj model je prilično dobro reprodukovao širok spektar kosmoloških opažanja.
Promjena slike
U proteklih nekoliko godina, količina i kvalitet kosmoloških opservacija je naglo porasla.
Jedan od najistaknutijih primjera ovoga bio je pojava “posmatranja gravitacionog zakretanja”.
Opšta relativnost nam govori da materija zakrivljuje prostor-vrijeme, tako da se svjetlost od udaljenih galaksija može odbaciti masivnim predmetima koji leže između nas i galaksija. Astronomi mogu izmjeriti takav odklon kako bi procjenili rast strukture (“grudvstost”) u svemiru preko kosmičkog vremena.
Ovi novi skupovi podataka prezentovali su kosmologima niz načina da detaljno testiraju predviđanja standardnog modela.
Slika koja počinje da izlazi iz ovih poređenja je da raspodjela mase u svemiru izgleda manje grupisana nego što bi trebalo da bude ako je tamna materija potpuno hladna.
Međutim, upoređivanje standardnog modela sa novim skupovima podataka možda nije jednostavno kao prvo mišljenje.
Naročito, istraživači su pokazali da na očitu grudvastost svemira ne utiče samo tamna materija, već i složeni procesi koji utiču na normalnu materiju (protone i neutrone).
Prethodna poređenja pretpostavljala su da normalna materija, koja “osjeća” i gravitaciju i snage pod pritiskom, distribuira kao tamna materija, koja samo osjeća gravitaciju.
Sada je naša nova studija proizvela najveći paket kosmoloških kompjuterskih simulacija normalne i tamne materije do sada (nazvane BAHAMAS).
Takođe smo pažljivo upoređivali širok spektar nedavnih opservacija.
Zaključujemo da je neslaganje između novih opservacionih skupova podataka i standardnog modela hladne tamne materije čak i veće nego što se ranije tvrdilo.
Pogledali smo efekte neutrina i njihove poteze u detalje. Kao što se očekivalo, kada su uključeni neutrini u model, formiranje strukture u kosmosu je isprano, čineći univerzum manje grupisanim.
Naši rezultati sugerišu da neutrini čine između 3 i 5 procenata ukupne mase mračne materije.
Ovo je dovoljno da dosljedno reproducira širok spektar opservacija – uključujući i nova mjerenja gravitacionog lensiranja.
Ako je veći dio tamne materije “vruć”, rast strukture u univerzumu je previše potisnut.
Istraživanje može takođe pomoći da se riješi misterija o tome šta je masa pojedinačnog neutrina.
Iz različitih eksperimenata, fizičari čestica izračunali su da bi zbir tri vrste neutrina trebalo da bude najmanje 0,06 elektron volta (jedinica energije, slična džulima).
To možete pretvoriti u procjenu ukupnog doprinosa neutrina tamnoj materiji, a vrijedi 0,5 posto.
S obzirom da smo utvrdili da je u stvari šest do deset puta veći od ovoga, možemo zaključiti da bi masa neutrina trebalo da bude zapravo 0.3-0.5 eV.
Razgovor
Ovo je uzbudljivo blisko vrijednostima koje se zapravo mogu izmjeriti predstojećim eksperimentima fizike čestica.
Ako ova mjerenja potvrde mase koje smo našli u našim simulacijama, to bi bilo vrlo ohrabrujuće – dajući nam konzistentnu sliku o ulozi neutrina kao tamne materije kod najveće kosmološke skale do skale fizike najsitnijih čestica.
Izvor: www.sciencealert.com
