Физики, пытающиеся понять основную структуру природы, полагаются на непротиворечивую теоретическую базу, которая может объяснить то, что мы видим, делая прогнозы, которые мы можем проверить.
В масштабе наименьших элементарных частиц стандартная модель физики элементарных частиц обеспечивает основу для нашего понимания. В масштабах Вселенной многие из наших представлений основаны на «стандартной модели космологии».
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, она предполагает, что большая часть массы и энергии во Вселенной состоит из таинственной, невидимой материи, известной как темная материя (составляющая 80% материи во Вселенной), и темной энергии.
За последние несколько десятилетий эта модель была очень успешной в объяснении обширных наблюдений за нашей Вселенной. Однако мы до сих пор не знаем, из чего состоит темная материя — мы знаем только о ее существовании из-за ее гравитационного воздействия на скопления галактик и другие структуры.
Некоторые частицы были предложены в качестве потенциальных частиц, но мы не можем сказать, какие именно или сколько частиц составляют темную материю.
Теперь наше новое исследование предполагает, что чрезвычайно легкие частицы, называемые нейтрино, могут образовывать некоторую часть темной материи, бросая вызов нашему нынешнему пониманию ее состава.
Горячая и холодная.
Стандартная модель считает, что темная материя «холодная». Это означает, что она состоит из относительно тяжелых частиц и её первоначальное движение медленное. Следовательно, соседние частицы могут легко собираться вместе, образуя объекты, связанные гравитацией.
Получается, модель предсказывает, что вселенная должна быть заполнена небольшими «аурами» темной материи, некоторые из которых будут сливаться и образовывать более крупные системы, вызывая во вселенной «взлеты и падения». Однако часть темной материи является «горячей», что не исключено. Сюда войдут относительно легкие частицы, которые довольно быстры, — это означает, что эти частицы могут легко улетучиваться из плотных областей, таких как галактика.
Это замедлит накопление новой материи и приведет к формированию структурно подавленной вселенной (менее нестабильной). Скорость нейтрино чрезвычайно высока, что делает их идеальными для горячей темной материи. В частности, они не выделяют и не поглощают свет, из-за чего выглядят «темными».
Долгое время считалось, что нейтрино состоят из трех различных видов и у них нет массы. Но эксперименты доказали, что они могут изменяться (колебаться) от одного вида к другому. Важно отметить, что ученые доказали: это изменение требует от них наличия большого количества материи, что делает их законными кандидатами на роль горячей темной материи.
За последние несколько десятилетий эксперименты по физике элементарных частиц и различные астрофизические аргументы исключили возможность того, что нейтрино составляют большую часть темной материи во Вселенной. Что еще более важно, стандартная модель предполагает, что масса нейтрино (и горячей темной материи в целом) настолько мала, что их вклад в темную материю полностью игнорируется (в большинстве случаев предполагается, что он равен 0%).
До недавнего времени в рамках этой модели проводились обширные исследования по космологическим наблюдениям.
Движение вперёд.
За последние несколько лет количество и качество космических наблюдений значительно улучшились. Одним из наиболее значимых примеров является «наблюдения с помощью гравитационного линзирования».
Общая теория относительности говорит нам, что материя искажает время и пространство, поэтому свет от далеких галактик будет отклоняться огромными объектами между нами и галактикой. Астрономы могут измерить это отклонение, чтобы оценить рост «блочной» структуры космического времени во Вселенной.
Эти новые наборы данных предоставляют космологам множество способов детальной проверки предсказаний стандартной модели. Одна из картин, которая начинает вырисовываться из этих сравнений, состоит в том, что, если темная материя полностью холодная, то распределение массы во Вселенной кажется менее нестабильным. Но если сравнить стандартную модель с новым набором данных, может оказаться всё не так просто, как предполагалось первоначально.
В частности, исследователи доказали, что видимая часть Вселенной подвержена влиянию не только темной материи, но и сложных процессов, происходящих в обычной материи (протонах и нейтронах). Предыдущее сравнение предполагает, что нормальная материя, то есть силы тяжести и давление, которые "ощущаются", распределены подобно темной материи, и ощущается только гравитация.
Теперь наше новое исследование привело к крупнейшему на сегодняшний день компьютерному моделированию Вселенной нормальной и темной материи (называемой Вселенной). Мы пришли к выводу, что разница между новым набором данных наблюдений и стандартной моделью холодной темной материи больше, чем утверждалось ранее. Причём подробно изучили эффекты нейтрино и их движение. Как и ожидалось, когда в модель включаются нейтрино, структура Вселенной размывается, делая вселенную менее нестабильной.
Результаты исследований показывают, что нейтрино составляют 3–5% массы всей темной материи. Этого достаточно для непрерывного воспроизведения множества наблюдений, включая новые измерения с помощью гравитационного линзирования. Если большая часть темной материи «горячая», то рост структуры Вселенной будет слишком сильно подавлен.
Это исследование также может помочь разгадать тайну массы отдельного нейтрино. На основе различных экспериментов физики элементарных частиц подсчитали, что сумма трех нейтрино должна составлять не менее 0,06 электрон-вольт (единица энергии, аналогичная джоулю). Вы можете преобразовать его в оценку общего вклада нейтрино в темную материю, и результат будет равен 0,5%.
Предполагается, что будет обнаружено в 6-10 раз больше нейтрино. Тогда можно будет сделать вывод, что масса нейтрино должна составлять 0,3-0,5 эВ. Это очень близко к значению, которое может быть измерено с помощью предстоящих экспериментов по физике элементарных частиц.
Если эти измерения подтвердят массу, которую мы обнаружили в ходе моделирования, это будет очень обнадеживающе - это даст нам последовательное понимание роли нейтрино как темной материи, от самого большого космического масштаба до самой маленькой области физики элементарных частиц.
