Nav WIMPS! Smagās daļiņas neizskaidro lēcveida gravitācijas anomālijas – Ars Technica

Pietuvināt / Sarkanās lokas pa labi no centra ir gravitācijas lēcas fona galaktikas. Šo attēlu skaits, atrašanās vieta un izkropļojuma pakāpe ir atkarīga no tumšās vielas sadalījuma priekšplānā.

Gadu desmitiem pēc tam, kad ir skaidrs, ka redzamais Visums ir veidots uz tumšās matērijas pamata, mēs joprojām nezinām, kas patiesībā ir tumšā matērija. Plašā mērogā dažādi pierādījumi norāda uz tā sauktajiem WIMP: vāji mijiedarbojošām masīvām daļiņām. Taču ir dažādas detaļas, kuras ir grūti izskaidrot ar WIMP, un gadu desmitiem ilgā daļiņu meklēšana neatrada neko, atstājot cilvēkus atvērtus domai, ka kaut kas cits, izņemot WIMP, ir izgatavots no tumšās matērijas.

Viens no daudzajiem kandidātiem ir kaut kas, ko sauc par aksionu, spēku nesoša daļiņa, kas ir ierosināta, lai atrisinātu problēmu nesaistītā fizikas jomā. Tie ir daudz vieglāki nekā WIMP, taču tiem ir citas īpašības, kas atbilst tumšajai vielai, kas ir saglabājusi zemu interesi par tiem. Tagad jauns dokuments apgalvo, ka gravitācijas lēcām (lielākoties tumšās vielas produktam) ir pazīmes, kuras var labāk izskaidrot ar aksionām līdzīgām īpašībām.

daļiņa vai vilnis?

Tātad, kas ir aksiona? Vienkāršākajā līmenī tā ir ļoti viegla daļiņa bez griešanās un darbojas kā spēka nesējs. Sākotnēji tie tika ierosināti, lai nodrošinātu, ka kvantu hromodinamika, kas apraksta spēcīgā spēka uzvedību, kas kopā saista protonus un neitronus, nepārkāpj lādiņa paritātes saglabāšanos. Ir veikts pietiekami daudz darba, lai nodrošinātu cirvju saderību ar citām teorētiskajām sistēmām, un ir veikti daži pētījumi, lai mēģinātu tos izdomāt. Bet axions lielākoties ir novājinātas kā viens no vairākiem iespējamiem risinājumiem problēmai, kuru mēs vēl neesam izdomājuši, kā atrisināt.

Tomēr tie ir piesaistījuši zināmu interesi kā potenciālie tumšās vielas risinājumi. Bet tumšās matērijas uzvedību vislabāk var izskaidrot ar smago daļiņu – īpaši vāji mijiedarbojošu masīvu daļiņu. Bija paredzēts, ka aksioni atradīsies vieglākajā pusē un varētu būt tikpat viegli kā gandrīz bezmasas neitrīno. Meklējumi uz axions mēdz izslēgt arī daudzas smagas masas, kas padara problēmu vēl acīmredzamāku.

READ  Astronomi ir novērojuši, ka kosmiskās daļiņas paātrinās kā nekad agrāk

Bet aksioni var atkal parādīties vai vismaz palikt nekustīgi, kamēr WIMP saskaras. Ir izveidoti vairāki detektori, lai mēģinātu identificēt vājas mijiedarbības rādītājus WIMP, un tie parādījās tukši. Ja WIMP ir standarta modeļa daļiņas, mēs varam secināt to esamību, pamatojoties uz masu, kas zaudēta daļiņu sadursmēs. Nekādi pierādījumi tam nav parādīti. Tas ir licis cilvēkiem pārdomāt, vai WIMP ir labākais risinājums tumšajai vielai.

Kosmiskos mērogos WIMP joprojām ļoti labi atbilst datiem. Bet, tiklīdz jūs sasniedzat atsevišķu galaktiku līmeni, ir dažas anomālijas, kas nedarbojas labi, ja vien galaktiku ieskauj tumšās vielas oreols, kam nav sarežģīta struktūra. Līdzīgas lietas izklausās patiesi, mēģinot kartēt atsevišķu galaktiku tumšo vielu, pamatojoties uz tās spēju izveidot gravitācijas lēcu, kas deformē telpu tā, lai tā palielinātu un izkropļotu fona objektus.

Uz WIMP balstīta tumšā viela, kas modelēta kreisajā pusē, izraisa vienmērīgu sadalījumu no augstas (sarkanas) uz zemu (zilu), kad jūs attālināsit no galaktikas kodola.  Ar aksijām (pa labi) kvantu traucējumi rada daudz neregulārāku modeli.

Uz WIMP balstīta tumšā viela, kas modelēta kreisajā pusē, izraisa vienmērīgu sadalījumu no augstas (sarkanas) uz zemu (zilu), kad jūs attālināsit no galaktikas kodola. Ar aksijām (pa labi) kvantu traucējumi rada daudz neregulārāku modeli.

Amrots et al. .

Jaunais darbs mēģina saistīt šīs iespējamās anomālijas ar atšķirību starp WIMPS un axion īpašībām. Kā norāda nosaukums, WIMP ir jādarbojas kā diskrētām daļiņām, kas mijiedarbojas gandrīz pilnībā caur gravitāciju. Turpretim aksioniem ir jāsadarbojas savā starpā, izmantojot kvantu traucējumus, kas rada viļņiem līdzīgus to frekvences modeļus visā galaktikā. Tātad, lai gan WIMP biežumam vajadzētu lēnām samazināties līdz ar attālumu no galaktikas kodola, aksioniem ir jāveido stāvošs vilnis (tehniski, solitons), kas palielina to frekvenci galaktikas kodola tuvumā. Turklāt sarežģītiem traucējumu modeļiem ir jārada reģioni, kuros asis būtībā nav, un citi apgabali, kur tie ir divreiz augstāki par vidējo intensitāti.

READ  Dzīve uz zemes, kamēr tēvs staigā pa Mēnesi

Grūti atrast

Ar dažiem iespējamiem izņēmumiem tumšā viela veido lielāko galaktikas masas daļu. Ņemot to vērā, šiem traucējumu modeļiem ir jāizraisa nevienmērīga gravitācijas pievilkšanās no dažādiem galaktikas reģioniem. Ja atšķirības starp reģioniem ir pietiekami lielas, tas, iespējams, izpaudīsies kā nelielas novirzes paredzamajā gravitācijas lēcu darbībā. Tāpēc objektiem aiz galaktikas joprojām ir jāparādās kā lēcveida attēliem; Tas var nebūt izveidots tā, kā mēs to sagaidām, vai tieši tajā vietā, kādu mēs to sagaidām.

Modelēšana liecina, ka šīs novirzes ir pietiekami mazas, ka pat Habla kosmiskais teleskops nav spējis tās notvert. Bet var būt iespējams tos noteikt radioviļņu garumos, apvienojot datus no plaši atdalītiem radioteleskopiem, kas būtībā ir viens milzīgs teleskops. (Šī pieeja ļāva Event Horizon teleskopam izveidot melnā cauruma attēlu.)

Un vismaz vienā gadījumā mums ir šie dati. HS 0810+2554 ir masīva eliptiska galaktika, kas atrodas starp mums un aktīvo melno caurumu citas galaktikas centrā. Gravitācijas lēca, ko rada priekšplāna galaktika, rada četrus aktīvās galaktikas attēlus, katrs ar spilgtu galaktikas kodolu un divām lielām materiāla strūklām, kas stiepjas no tā. Ir iespējams salīdzināt šo četru attēlu atrašanās vietu un izkropļojumus ar to, ko mēs varētu sagaidīt, pamatojoties uz tipiska tumšās vielas halo klātbūtni priekšplāna galaktikā.

Tā ir salīdzinoši vienkārša lieta, ko darīt ar WIMP, jo ir tikai viens modelis, ko mēs varētu sagaidīt: pakāpeniska tumšās vielas līmeņa pazemināšanās, attālinoties no galaktikas kodola. Objektīvu prognozes, kuru pamatā ir šis sadalījums, slikti saskaņo reālās pasaules datus par to, kur attēli tiek parādīti objektīviem.

Izaicinājums ir veikt vienu un to pašu analīzi, pamatojoties uz haotisko aksiju traucējumu modeļiem: palaidiet modeli divas reizes ar dažādiem sākotnējiem nosacījumiem, un jūs iegūstat atšķirīgu traucējumu modeli. Tāpēc izredzes, ka objektīvus izmantos tie, kas atrodas reālās pasaules galaktikā, ir diezgan mazas. Tā vietā pētnieku komanda vadīja 75 dažādus modeļus ar sākotnējiem nosacījumiem, kas izvēlēti nejauši. Nejauši es izveidoju dažus no šiem kropļojumiem, kas līdzīgi tiem, kas redzami reālās pasaules datos, parasti ietekmējot tikai vienu no četriem attēliem ar objektīvu. Tāpēc pētnieki secināja, ka izkropļojumi lēcveida attēlos atbilst tumšās vielas halo, ko veido aksionu kvantu iejaukšanās.

READ  Rupus Global direktors Dr. Kannans Višvanats uzrunāja IEF Latvijas Zinātņu akadēmijā.

Tātad, vai tie tiešām ir aksiji?

Atsevišķas galaktikas analīze nebūs kritiska, un šeit ir daudz iemeslu būt uzmanīgākam. Piemēram, pētnieki ir izteikuši dažus pieņēmumus par parastās un redzamās matērijas izplatību galaktikā, kam ir arī gravitācijas ietekme. Tiek uzskatīts, ka eliptiskās galaktikas ir mazāku galaktiku saplūšanas rezultāts, kas var ietekmēt tumšās vielas izplatību smalkos veidos, kurus ir grūti noteikt, izsekojot normālās matērijas izplatību.

Visbeidzot, šāds pārklāšanās modelis darbojas tikai neparasti vieglām asīm — aptuveni 10-22 elektronu volts. Turpretim paša elektrona masa ir aptuveni 500 000 elektronu voltu. Tas padarītu aksionus daudz vieglākus par pat neitrīniem.

Paši jaunā darba autori lielākoties ir piesardzīgi par pierādījumiem šeit, noslēdzot savu darbu ar teikumu: “Noteikt, vai [WIMP- or axion-based dark matter] Labāka astrofizisko novērojumu reproducēšana novirzītu līdzsvaru uz vienu no divām līdzīgām jaunās fizikas teoriju klasēm. Taču viņu piesardzība paslīd kopsavilkuma pēdējā teikumā, kur viņi raksta: “Spēja”. [axion-based dark matter] Lēcas anomāliju izšķirtspēja pat tādos sarežģītos gadījumos kā HS 0810+2554, kā arī panākumi citu astrofizisku novērojumu reproducēšanā, novirza līdzsvaru uz jaunām fizikas asīm. “

Mēs, bez šaubām, drīz redzēsim, vai fiziķi dalās šajās domās ārpus šī raksta autoriem un salīdzinošajiem recenzentiem.

Dabas astronomija, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (par DOI).

Angelica Johnson

"Tīmekļa praktizētājs. Sašutinoši pazemīgs ēdiena entuziasts. Lepns twitter advokāts. Pētnieks."

Atbildēt

Jūsu e-pasta adrese netiks publicēta. Obligātie lauki ir atzīmēti kā *

Back to top