Fără WIMPS! Particulele grele nu explică ciudateniile lentilelor gravitaționale – Ars Technica

La câteva decenii după ce a devenit clar că Universul vizibil este construit pe un cadru de materie întunecată, încă nu știm ce este cu adevărat materia întunecată. La scară largă, diverse dovezi indică ceea ce se numesc WIMP: particule masive care interacționează slab. Dar există o varietate de detalii care sunt dificil de explicat folosind WIMP-uri, iar decenii de cercetare asupra particulelor nu au rezultat nimic, lăsând oamenii deschiși la ideea că altceva decât un WIMP include materia întunecată.

Unul dintre mulți candidați este ceva numit axion, o particulă purtătoare de forță care a fost propusă pentru a rezolva o problemă într-un domeniu care nu are legătură cu fizica. Sunt mult mai ușoare decât WIMP-urile, dar au alte proprietăți care sunt în concordanță cu materia întunecată, ceea ce a menținut interesul pentru ele scăzut. Acum, o nouă lucrare susține că există caracteristici într-o lentilă gravitațională (în mare parte produsul materiei întunecate) care sunt cel mai bine explicate prin proprietăți asemănătoare axionilor.

Particulă sau undă?

Deci, ce este un axion? La cel mai simplu nivel, este o particulă extrem de ușoară, fără spin, care acționează ca un vector de forță. Ele au fost propuse inițial pentru a se asigura că cromodinamica cuantică, care descrie comportamentul forței puternice care ține împreună protonii și neutronii, nu rupe conservarea parității sarcinii. S-a făcut suficientă muncă pentru a se asigura că axionii sunt compatibili cu alte cadre teoretice și s-au făcut unele cercetări pentru a încerca să le detecteze. Dar axions au rămas în cea mai mare parte ca una dintre multele soluții potențiale la o problemă pe care nu ne-am dat seama cum să o rezolvăm.

Cu toate acestea, ei au atras atenția ca soluții potențiale la materia întunecată. Dar comportamentul materiei întunecate a fost cel mai bine explicat de o particulă grea, în special de o particulă masivă care interacționează slab. Axionii erau de așteptat să fie mai ușoare și ar putea fi la fel de ușori ca neutrinul aproape fără masă. Căutările pentru axioni au avut, de asemenea, tendința de a exclude multe dintre masele mai grele, făcând problema și mai pronunțată.

Dar axions pot reveni, sau cel puțin rămân stabile în timp ce WIMP-urile fac față. Au fost construite o serie de detectoare pentru a încerca să capteze indicii ale interacțiunilor slabe WIMP și au fost lăsate goale. Dacă WIMP-urile sunt particule de model standard, am fi putut deduce prezența lor pe baza masei lipsă din ciocnitoarele de particule. Nu au fost furnizate dovezi în acest sens. Acest lucru i-a determinat pe oameni să reexamineze dacă WIMP-urile sunt cea mai bună soluție pentru materia întunecată.

La scară cosmologică, WIMP-urile continuă să se adapteze extrem de bine la date. Dar odată ce ajungi la nivelurile galaxiilor individuale, există anumite ciudatenii care nu funcționează la fel de bine decât dacă haloul de materie întunecată care înconjoară o galaxie are o structură complicată. Lucruri similare par să fie adevărate atunci când se încearcă să cartografieze materia întunecată a galaxiilor individuale pe baza capacității sale de a crea o lentilă gravitațională care distorsionează spațiul pentru a mări și distorsiona obiectele de fundal.

Noua lucrare încearcă să lege aceste potențiale ciudate de o diferență între proprietățile WIMPS și axionilor. După cum sugerează și numele, se așteaptă ca WIMP-urile să se comporte ca niște particule discrete, interacționând aproape în întregime prin gravitație. În schimb, axionii ar trebui să interacționeze între ele prin interferență cuantică, creând modele de unde în frecvența lor în întreaga galaxie. Deci, în timp ce frecvența WIMP-urilor ar trebui să scadă ușor odată cu distanța de la miezul unei galaxii, axionii ar trebui să formeze o undă staționară (din punct de vedere tehnic, un soliton) care le crește frecvența în apropierea nucleului galactic. În plus, modelele complexe de interferență ar trebui să creeze zone în care practic nu există axioni și alte zone în care acestea sunt prezente la o densitate de două ori mai mare decât media.

Greu de observat

Cu puține excepții, materia întunecată reprezintă cea mai mare parte a masei unei galaxii. Având în vedere acest lucru, aceste modele de interferență ar trebui să facă atracția gravitațională a diferitelor zone ale galaxiei inegale. Dacă diferențele dintre regiuni sunt suficient de mari, aceasta ar putea apărea ca abateri minore în comportamentul așteptat al lentilei gravitaționale. Astfel, obiectele din spatele unei galaxii ar trebui să apară întotdeauna ca imagini cu lentile; s-ar putea să nu fie modelate așa cum ne așteptam sau exact acolo unde ne-am propus.

Modelarea indică faptul că aceste abateri sunt suficient de mici încât nici măcar telescopul spațial Hubble nu le poate detecta. Dar ar putea fi posibil să le detectăm la lungimi de undă radio prin combinarea datelor de la radiotelescoape larg separate în ceea ce este în esență un singur telescop gigant. (Această abordare a permis Telescopului Event Horizon să creeze o imagine a unei găuri negre.)

Și, în cel puțin un caz, avem acele date. HS 0810+2554 este o galaxie eliptică masivă care se află între noi și o gaură neagră activă din inima altei galaxii. Lentila gravitațională creată de galaxia din prim-plan creează patru imagini ale galaxiei active, fiecare cu un nucleu galactic strălucitor și două jeturi mari de materie care se extind din aceasta. Este posibil să se compare locația și distorsiunea acestor patru imagini cu ceea ce ne-am aștepta pe baza prezenței unui halou tipic de materie întunecată în galaxia din prim-plan.

Este un lucru relativ simplu de făcut cu WIMP-urile, pentru că există un singur model la care ne așteptăm: nivelurile de materie întunecată scad treptat pe măsură ce te îndepărtezi de miezul galactic. Predicțiile lentilelor bazate pe această distribuție fac o treabă slabă de potrivire a datelor din lumea reală cu privire la locul în care apar imaginile lentilelor.

Provocarea este să faceți aceeași analiză pe baza modelelor de interferență axională, care sunt haotice: rulați modelul de două ori cu condiții inițiale diferite și veți obține un model de interferență diferit. Deci șansele ca oricine este prezent în galaxia reală să facă obiectivul sunt destul de mici. În schimb, echipa de cercetare a rulat 75 de modele diferite cu condițiile inițiale alese la întâmplare. Din fericire, unele dintre ele au creat distorsiuni similare cu cele observate în datele din lumea reală, de obicei afectând doar una dintre cele patru imagini ale obiectivului. Astfel, cercetătorii concluzionează că distorsiunile din imaginile lentilelor sunt în concordanță cu un halo de materie întunecată structurat de interferența cuantică a axionilor.

Deci, sunt cu adevărat axioni?

Scanarea unei singure galaxii nu va fi niciodată o problemă decisivă pentru nimic și există mai multe motive pentru a fi extrem de atent aici. Pe de o parte, cercetătorii au emis ipoteza despre distribuția materiei vizibile normale într-o galaxie, care exercită și un efect gravitațional. Și se crede că galaxiile eliptice sunt rezultatul fuziunii galaxiilor mai mici, care ar putea influența distribuția materiei întunecate în moduri care sunt subtile și greu de detectat prin urmărirea distribuției materiei normale.

În cele din urmă, acest tip de model de interferență funcționează doar cu axioni extraordinar de ușoare – de ordinul a 10^-22 electronVolți. În schimb, electronul în sine are o masă de aproximativ 500.000 de electronVolți. Acest lucru ar putea face axiunile mult mai ușoare chiar și chiar și neutrinii.

Iar autorii noii lucrări înșiși sunt în mare parte precauți cu privire la dovezile de aici, încheiend lucrarea lor cu fraza: „Determinând dacă [WIMP- or axion-based dark matter] reproduce mai bine observațiile astrofizice va înclina balanța spre una dintre cele două clase corespunzătoare de teorii pentru noua fizică.” Dar precauția lor se strecoară în ultima propoziție a rezumatului, unde scriu: „Abilitatea de a [axion-based dark matter] pentru a rezolva anomaliile lentilelor chiar și în cazuri solicitante, cum ar fi HS 0810+2554, împreună cu succesul său în reproducerea altor observații astrofizice, înclină balanța către o nouă fizică care invocă axionii.”

Vom vedea, fără îndoială, în scurt timp, dacă acest sentiment este împărtășit de fizicienii din spatele autorilor și evaluatorilor colegilor acestei lucrări.

Nature Astronomy, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (Despre DOI).