幽靈粒子與暗物質(zhì)的相互作用可能解開一個(gè)巨大的宇宙謎團(tuán)

由波蘭國家核研究中心領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)關(guān)于早期宇宙的新研究剛剛發(fā)現(xiàn)，宇宙中兩個(gè)最難以捉摸的組成部分之間可能存在相互作用。

通過結(jié)合不同類型的觀測，宇宙學(xué)家證明了我們所看到的現(xiàn)象更容易解釋，如果中微子，又稱“幽靈粒子”，與 微弱相互作用暗物質(zhì).

在令人困惑的三西格瑪確定性下，這個(gè)信號既不夠強(qiáng)，無法確定，也太強(qiáng)烈，不能只是數(shù)據(jù)中的一個(gè)線索或噪聲。

這一發(fā)現(xiàn)可能為標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的小型擴(kuò)展打開了大門，放寬了暗物質(zhì)完全無碰撞的假設(shè)，允許中微子與暗物質(zhì)之間存在微弱散射。

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中微子和暗物質(zhì)是宇宙中兩個(gè)與幾乎不相互作用的組成部分。

中微子是宇宙中最豐富的粒子之一。它們在高能量條件下大量形成，比如超新星爆炸和恒星核心發(fā)生的原子聚變——所以它們幾乎無處不在。

然而，它們沒有電荷，質(zhì)量極小，幾乎不與遇到的其他粒子相互作用。數(shù)千億中微子正在你體內(nèi)流動(dòng)。偶爾，一個(gè)中微子與另一個(gè)粒子碰撞，產(chǎn)生我們所需的衰變粒子和光子雨特殊的地下探測設(shè)備.

而暗物質(zhì)似乎除了引力作用外，幾乎不與普通物質(zhì)相互作用。其存在的有力證據(jù)來自引力效應(yīng)，如星系自轉(zhuǎn)速率和時(shí)空扭曲這無法用普通物質(zhì)來解釋。這些效應(yīng)大致表明85%宇宙中的物質(zhì)是由我們看不見的“暗”物質(zhì)組成的。

這兩種極其回避的事物相互作用的觀點(diǎn)并不新鮮，早在2000年代初就有論文推測它們可能以我們未曾發(fā)現(xiàn)的方式交往。

近年來，科學(xué)家們發(fā)表了多篇論文試探性地暗示著那中微子-暗物質(zhì)相互作用存在。這篇由物理學(xué)家祖磊領(lǐng)導(dǎo)，他曾在波蘭國家核研究中心開展這項(xiàng)工作，現(xiàn)任日本國立天文臺(tái)，旨在將這一思想擴(kuò)展到理論之外，希望解決其中之一宇宙學(xué)最大的問題.

當(dāng)我們觀察早期宇宙的快照時(shí)，這個(gè)問題就會(huì)出現(xiàn)，這些快照由宇宙微波背景（CMB）和重子聲振（BAO），并將其與近期宇宙進(jìn)行比較。

宇宙微波微波是宇宙中自由流淌的第一道光的遺跡大爆炸后38萬年;BAO是大型結(jié)構(gòu)，遺留在一種傳播的聲波在早期宇宙中，當(dāng)他們旅行的媒介變得過于分散，無法支撐他們時(shí)，時(shí)間被凍結(jié)了。

如果我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型從宇宙學(xué)角度看，我們最終得到一個(gè)看起來明顯結(jié)塊而不是我們實(shí)際看到的宇宙。

“這種張力并不意味著標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型是錯(cuò)誤的，但可能表明它不完整。”宇宙學(xué)家埃莉諾拉·迪·瓦倫蒂諾解釋道英國謝菲爾德大學(xué)的成員。“我們的研究表明，暗物質(zhì)與中微子之間的相互作用可以幫助解釋這種差異，為理解宇宙結(jié)構(gòu)如何形成提供了新的見解?！?/p>

研究人員在一次集中的努力中，匯編出了迄今為止最全面的綜合數(shù)據(jù)集之一，用于測試宇宙早期和晚期宇宙中微子-暗物質(zhì)相互作用。它們包括兩個(gè)不同的CMB觀測數(shù)據(jù)、三個(gè)BAO數(shù)據(jù)集以及正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)暗能量掃描天空以繪制暗物質(zhì)和能量分布圖的巡天。

然后，他們分別對CMB和BAO數(shù)據(jù)集分別運(yùn)行宇宙學(xué)模擬，然后將它們合并。但他們還加入了另一個(gè)因素：中微子-暗物質(zhì)散射相互作用。

結(jié)果顯示，單個(gè)數(shù)據(jù)集中對散射的偏好略有偏差，最終的宇宙看起來更像我們今天的宇宙，而非無散射的模擬。但合并后的數(shù)據(jù)集中偏好更強(qiáng)，確定性為3西格瑪。

這遠(yuǎn)非決定性結(jié)論，但與之前的結(jié)果一致，且足夠有力，值得進(jìn)一步調(diào)查。

“如果暗物質(zhì)與中微子之間的相互作用被證實(shí)，將是一個(gè)根本性的突破，”理論物理學(xué)家兼宇宙學(xué)家威廉·賈雷（William Giarè）說夏威夷大學(xué)的成員，前身為謝菲爾德大學(xué)。

“這不僅能為不同宇宙學(xué)探針之間持續(xù)存在的不匹配帶來新光明，還能為粒子物理學(xué)家提供具體方向，指示在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中應(yīng)關(guān)注哪些屬性，從而最終揭示暗物質(zhì)的真實(shí)本質(zhì)?！?/p>

“如果”在這方面承擔(dān)了大量工作，但這些謎團(tuán)足夠令人困惑，使得這條探究之路看起來極具吸引力。

“解釋并嚴(yán)格測試如此清晰的效應(yīng)，需要超越粒子宇宙學(xué)中常用的近似方法?！?a>理論物理學(xué)家塞巴斯蒂安·特羅亞諾夫斯基總結(jié)道波蘭國家核研究中心的成員，“將成為進(jìn)一步研究的對象?！?/p>

研究結(jié)果已發(fā)表于自然天文學(xué).

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