WIMPS yok! Ağır parçacıklar merceksi yerçekimi anormalliklerini açıklamaz – Ars Technica

Görünür evrenin bir karanlık madde çerçevesi üzerine kurulduğu netleştikten on yıllar sonra, hala karanlık maddenin gerçekte ne olduğunu bilmiyoruz. Büyük ölçeklerde, çeşitli kanıtlar sözde WIMP’lere işaret ediyor: zayıf etkileşimli büyük parçacıklar. Ancak WIMP’lerle açıklanması zor olan çeşitli ayrıntılar var ve onlarca yıldır parçacıkları aramak hiçbir işe yaramadı, bu da insanları WIMP’den başka bir şeyin karanlık maddeden yapıldığı fikrine açık bıraktı.

Pek çok adaydan biri, ilgisiz bir fizik alanındaki bir sorunu çözmek için önerilen, kuvvet taşıyan bir parçacık olan eksen adı verilen bir şeydir. WIMP’lerden çok daha hafifler, ancak karanlık maddeyle tutarlı başka özelliklere sahipler ve bu da onlara olan ilgiyi düşük tuttu. Şimdi, yeni bir makale, kütleçekimsel merceklenmede (büyük ölçüde karanlık maddenin bir ürünü) eksen benzeri özelliklerle daha iyi açıklanabilecek özellikler olduğunu savunuyor.

parçacık mı dalga mı?

Peki, eksen nedir? En basit haliyle, dönüşü olmayan çok hafif bir parçacıktır ve bir kuvvet taşıyıcı görevi görür. Başlangıçta, protonları ve nötronları birbirine bağlayan güçlü kuvvetin davranışını tanımlayan kuantum renk dinamiğinin, yük paritesinin korunumunu bozmamasını sağlamak için önerildiler. Eksenlerin diğer teorik çerçevelerle uyumlu olmasını sağlamak için yeterince çalışma yapılmıştır ve bunları anlamaya çalışmak için bazı araştırmalar yapılmıştır. Ancak, nasıl çözeceğimizi henüz çözemediğimiz bir soruna yönelik bir dizi olası çözümden biri olarak eksenler çoğunlukla zayıfladı.

Ancak, potansiyel karanlık madde çözümleri olarak biraz ilgi gördüler. Ancak karanlık maddenin davranışı en iyi şekilde ağır bir parçacıkla, özellikle zayıf etkileşen büyük kütleli bir parçacıkla açıklanır. Axionların daha hafif olması ve neredeyse kütlesiz nötrinolar kadar hafif olması bekleniyordu. Eksen aramaları, birçok ağır kütleyi de hariç tutma eğilimindedir, bu da sorunu daha da belirgin hale getirir.

Ancak eksenler yeniden ortaya çıkabilir veya en azından WIMP’ler ön plana çıkarken sabit kalabilir. WIMP’ler için zayıf etkileşim göstergelerini denemek ve belirlemek için oluşturulmuş bir dizi dedektör var ve bunlar boş çıktı. WIMP’ler Standart Model parçacıklarıysa, parçacık çarpıştırıcılarında kaybedilen kütleye dayanarak varlıklarını anlayabiliriz. Bunun hiçbir kanıtı gösterilmemiştir. Bu, insanların WIMP’lerin karanlık madde için en iyi çözüm olup olmadığını yeniden düşünmelerine yol açtı.

Kozmik ölçeklerde, WIMP’ler verilere çok iyi uymaya devam ediyor. Ancak tek tek galaksilerin seviyelerine indiğinizde, bir galaksiyi çevreleyen karanlık madde halesi karmaşık bir yapıya sahip olmadığı sürece pek işe yaramayan bazı anormallikler vardır. Tek tek galaksilerin karanlık maddesini, arka plandaki nesneleri büyütecek ve bozacak şekilde uzayı büken bir yerçekimi merceği oluşturma yeteneğine dayanarak haritalamaya çalıştığınızda benzer şeyler kulağa doğru geliyor.

Yeni çalışma, bu potansiyel anormallikleri WIMPS ve eksenlerin özellikleri arasındaki farkla ilişkilendirmeye çalışıyor. Adından da anlaşılacağı gibi, WIMP’ler, neredeyse tamamen yerçekimi yoluyla etkileşime giren ayrı parçacıklar gibi davranmalıdır. Aksine, eksenler, galaksi boyunca frekanslarında dalga benzeri modeller oluşturan kuantum girişimi yoluyla birbirleriyle etkileşime girmelidir. Bu nedenle, WIMP’lerin frekansı galaktik çekirdekten uzaklaştıkça yavaşça azalırken, eksenler, galaktik çekirdeğe yakın frekanslarını artıran bir duran dalga (teknik olarak bir soliton) oluşturmalıdır. Bunun ötesinde, karmaşık girişim desenleri, eksenlerin esas olarak bulunmadığı bölgeleri ve ortalama yoğunluğun iki katı yoğunlukta bulundukları diğer bölgeleri oluşturmalıdır.

bulmak zor

Birkaç olası istisna dışında, karanlık madde bir galaksinin kütlesinin çoğunluğunu oluşturur. Bu göz önüne alındığında, bu girişim desenleri, galaksinin farklı bölgelerinden gelen yerçekimi çekiminin eşit olmamasına neden olmalıdır. Bölgeler arasındaki farklar yeterince büyükse, bu muhtemelen yerçekimsel merceklemenin beklenen davranışında hafif sapmalar olarak ortaya çıkacaktır. Bu nedenle, galaksinin arkasındaki nesneler yine de merceksi görüntüler olarak görünmelidir; Beklediğimiz şekilde veya tam olarak olmasını beklediğimiz yerde oluşmayabilir.

Modelleme, bu sapmaların Hubble Uzay Teleskobu’nun bile yakalayamayacağı kadar küçük olduğunu gösteriyor. Ancak, birbirinden çok farklı radyo teleskoplarından gelen verileri esasen dev bir teleskop olan şeyde birleştirerek bunları radyo dalga boylarında tespit etmek mümkün olabilir. (Bu yaklaşım, Event Horizon Telescope’un bir kara delik görüntüsü oluşturmasını sağladı.)

Ve en az bir durumda, bu verilere sahibiz. HS 0810+2554, bizimle başka bir galaksinin kalbindeki aktif bir kara delik arasında yer alan devasa bir eliptik galaksidir. Ön plandaki gökada tarafından oluşturulan kütleçekimsel mercekleme, etkin gökadanın her biri parlak bir galaktik çekirdeğe ve buradan uzanan iki büyük madde jetine sahip dört görüntüsünü oluşturur. Bu dört görüntünün konumu ve distorsiyonunu, ön plandaki gökadadaki tipik bir karanlık madde halesinin varlığına dayanarak bekleyeceğimiz şeyle karşılaştırmak mümkündür.

WIMP’lerle yapmak nispeten basit bir şey çünkü beklediğimiz tek bir model var: galaktik çekirdekten uzaklaştıkça karanlık madde seviyelerinde kademeli bir düşüş. Bu dağılıma dayalı mercek tahminleri, görüntülerin mercek merceklerine nerede göründüğüne ilişkin gerçek dünya verilerini eşleştirme konusunda zayıf bir iş çıkarıyor.

Buradaki zorluk, kaotik eksenlerin girişim modellerine dayalı olarak aynı analizi gerçekleştirmektir: modeli farklı başlangıç ​​koşullarıyla iki kez çalıştırın ve farklı bir girişim modeli elde edin. Bu yüzden, gerçek dünya galaksisindekilerin lensleri yapmasını sağlama olasılığı oldukça zayıf. Bunun yerine araştırma ekibi, başlangıç ​​koşulları rastgele seçilen 75 farklı model çalıştırdı. Tesadüfen, bu bozulmalardan bazılarını gerçek dünya verilerinde görülenlere benzer şekilde oluşturdum ve genellikle lensli dört görüntüden yalnızca birini etkiledim. Bu nedenle araştırmacılar, lentiküler görüntülerdeki bozulmaların, eksenlerin kuantum girişimiyle oluşan karanlık madde halesi ile tutarlı olduğu sonucuna vardı.

Peki, onlar gerçekten eksenler mi?

Tek bir galaksiyi analiz etmek hiçbir şeye kritik bir darbe olmayacak ve burada daha dikkatli olmak için pek çok neden var. Örneğin araştırmacılar, kütleçekimsel bir etkiye de sahip olan galaksideki sıradan ve görünür maddenin dağılımı hakkında bazı varsayımlarda bulundular. Eliptik galaksilerin, karanlık maddenin dağılımını, normal maddenin dağılımını takip ederek tespit edilmesi zor olan ince yollarla etkileyebilecek daha küçük galaksilerin birleşmesinin bir sonucu olduğuna inanılıyor.

Son olarak, bu tür bir üst üste binme modeli yalnızca olağandışı hafif eksenler için işe yarar – 10 mertebesinde^-22 elektron volt. Aksine, elektronun kütlesi yaklaşık 500.000 elektron volttur. Bu, eksenleri nötrinolardan bile çok daha hafif hale getirir.

Yeni makalenin yazarları, buradaki kanıtlar konusunda çoğunlukla temkinli davranıyorlar ve makalelerini şu cümleyle bitiriyorlar: “Belirleyin [WIMP- or axion-based dark matter] Astrofiziksel gözlemleri daha iyi yeniden üretmek, dengeyi yeni fiziğin iki benzer teori sınıfından birine doğru kaydırır. Ancak özetin “Yetenek” yazdıkları son cümlesinde dikkatleri kayıyor. [axion-based dark matter] HS 0810+2554 gibi zorlu durumlarda bile lens anormalliklerinin çözünürlüğü ve diğer astrofiziksel gözlemleri yeniden üretmedeki başarısı, dengeyi yeni fiziğe başvuran eksenlere doğru kaydırır. “

Fizikçilerin bu duyguları bu makalenin yazarları ve hakemlerinin ötesinde paylaşıp paylaşmadığını yakında göreceğiz.

Doğal Astronomi, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (DOI’ler hakkında).