Niente WIMP! Le particelle pesanti non spiegano le anomalie gravitazionali lenticolari – Ars Technica

Decenni dopo che è chiaro che l’universo visibile è costruito su una struttura di materia oscura, non sappiamo ancora cosa sia realmente la materia oscura. Su larga scala, una varietà di prove indica le cosiddette WIMP: particelle massicce che interagiscono debolmente. Ma ci sono una varietà di dettagli che sono difficili da spiegare con i WIMP, e decenni di ricerca delle particelle non hanno prodotto nulla, lasciando le persone aperte all’idea che qualcosa di diverso da un WIMP sia fatto di materia oscura.

Uno dei tanti candidati è qualcosa chiamato assione, una particella portatrice di forza che è stata proposta per risolvere un problema in un’area della fisica non correlata. Sono molto più leggeri dei WIMP ma hanno altre proprietà coerenti con la materia oscura, che hanno mantenuto un basso livello di interesse per loro. Ora, un nuovo documento sostiene che ci sono caratteristiche nelle lenti gravitazionali (in gran parte un prodotto della materia oscura) che possono essere spiegate meglio dalle proprietà simili agli assioni.

particella o onda?

Allora, cos’è un assione? Al suo livello più semplice, è una particella molto leggera senza spin e agisce come portatore di forza. Sono stati originariamente proposti per garantire che la cromodinamica quantistica, che descrive il comportamento della forza forte che lega insieme protoni e neutroni, non rompa la conservazione della parità di carica. È stato fatto abbastanza lavoro per garantire che gli assi siano compatibili con altri quadri teorici e sono state condotte alcune ricerche per cercare di capirli. Ma gli assioni si sono per lo più indeboliti come una delle numerose potenziali soluzioni a un problema che non abbiamo ancora capito come risolvere.

Tuttavia, hanno suscitato un certo interesse come potenziali soluzioni per la materia oscura. Ma il comportamento della materia oscura è meglio spiegato da una particella pesante, in particolare una particella massiccia che interagisce debolmente. Ci si aspettava che gli assioni fossero sul lato più leggero e potessero essere leggeri come neutrini quasi privi di massa. Le ricerche sugli assioni tendono a escludere anche molte masse pesanti, il che rende il problema ancora più evidente.

Ma gli assioni potrebbero riapparire, o almeno rimanere stazionari mentre le WIMP si ripiantano. Sono stati costruiti numerosi rilevatori per cercare di identificare gli indicatori di interazioni deboli per WIMP, e sono risultati vuoti. Se le WIMP sono particelle del Modello standard, possiamo dedurre la loro esistenza in base alla massa persa nei collisori di particelle. Nessuna prova di ciò è stata mostrata. Ciò ha portato le persone a riconsiderare se le WIMP siano la migliore soluzione alla materia oscura.

Su scala cosmica, i WIMP continuano ad adattarsi molto bene ai dati. Ma una volta scesi ai livelli delle singole galassie, ci sono alcune anomalie che non funzionano bene a meno che l’alone di materia oscura che circonda una galassia non abbia una struttura complessa. Cose simili sembrano vere quando provi a mappare la materia oscura delle singole galassie in base alla sua capacità di creare una lente gravitazionale che deforma lo spazio in modo da ingrandire e distorcere gli oggetti sullo sfondo.

Il nuovo lavoro tenta di mettere in relazione queste potenziali anomalie con la differenza tra le proprietà di WIMPS e assioni. Come suggerisce il nome, i WIMP devono comportarsi come particelle discrete, interagendo quasi interamente attraverso la gravità. Al contrario, gli assioni devono interagire tra loro attraverso l’interferenza quantistica, che crea modelli ondulatori nella loro frequenza in tutta la galassia. Quindi, mentre la frequenza dei WIMP dovrebbe diminuire leggermente con la distanza dal nucleo galattico, gli assioni dovrebbero formare un’onda stazionaria (tecnicamente, un solitone) che aumenta la loro frequenza vicino al nucleo galattico. Oltre a ciò, modelli di interferenza complessi dovrebbero creare regioni in cui gli assi sono essenzialmente assenti e altre regioni in cui sono presenti con intensità doppia rispetto alla media.

Difficile da individuare

Con poche possibili eccezioni, la materia oscura costituisce la maggior parte della massa di una galassia. Detto questo, questi modelli di interferenza devono rendere irregolare l’attrazione gravitazionale da diverse regioni della galassia. Se le differenze tra le regioni sono abbastanza grandi, ciò si manifesterà probabilmente come lievi deviazioni nel comportamento previsto della lente gravitazionale. Pertanto, gli oggetti dietro la galassia devono ancora apparire come immagini lenticolari; Potrebbe non essere formato nel modo in cui ci aspettiamo o esattamente nella posizione in cui ci aspettiamo che sia.

La modellazione indica che queste aberrazioni sono abbastanza piccole che nemmeno il telescopio spaziale Hubble è stato in grado di catturarle. Ma potrebbe essere possibile rilevarli a lunghezze d’onda radio unendo i dati provenienti da radiotelescopi molto separati in quello che è essenzialmente un telescopio gigante. (Questo approccio ha permesso all’Event Horizon Telescope di creare un’immagine di un buco nero.)

E in almeno un caso, abbiamo quei dati. HS 0810+2554 è un’enorme galassia ellittica che si trova tra noi e un buco nero attivo nel cuore di un’altra galassia. La lente gravitazionale creata dalla galassia in primo piano crea quattro immagini della galassia attiva, ciascuna con un nucleo galattico luminoso e due grandi getti di materiale che si estendono da esso. È possibile confrontare la posizione e la distorsione di queste quattro immagini con ciò che ci aspetteremmo in base alla presenza di un tipico alone di materia oscura nella galassia in primo piano.

È una cosa relativamente semplice da fare con i WIMP, poiché c’è solo uno schema che ci aspetteremmo: un graduale calo dei livelli di materia oscura man mano che ci si allontana dal nucleo galattico. Le previsioni dell’obiettivo basate su questa distribuzione fanno un pessimo lavoro di corrispondenza dei dati del mondo reale di dove le immagini appaiono agli obiettivi dell’obiettivo.

La sfida consiste nell’eseguire la stessa analisi basata sui modelli di interferenza degli assioni caotici: eseguire il modello due volte con condizioni iniziali diverse e si ottiene un modello di interferenza diverso. Quindi le probabilità di ottenere effettivamente quelli nella galassia del mondo reale che fanno le lenti sono piuttosto scarse. Invece, il team di ricerca ha eseguito 75 modelli diversi con condizioni iniziali scelte a caso. Per caso, ho creato alcune di queste distorsioni simili a quelle osservate nei dati del mondo reale, che di solito interessano solo una delle quattro immagini con una lente. Pertanto, i ricercatori hanno concluso che le distorsioni nelle immagini lenticolari sono coerenti con un alone di materia oscura formato dall’interferenza quantistica degli assioni.

Quindi, sono davvero assioni?

Analizzare una singola galassia non sarà un colpo critico a nulla, e ci sono molte ragioni per stare più attenti qui. Ad esempio, i ricercatori hanno fatto alcune ipotesi sulla distribuzione della materia ordinaria e visibile nella galassia, che ha anche un’influenza gravitazionale. Si ritiene che le galassie ellittiche siano il risultato di fusioni di galassie più piccole, che possono influenzare la distribuzione della materia oscura in modi sottili che sono difficili da rilevare tracciando la distribuzione della materia normale.

Infine, questo tipo di schema di sovrapposizione funziona solo per assi insolitamente leggeri, dell’ordine di 10^-22 elettronvolt. Al contrario, la massa dell’elettrone stesso è di circa 500.000 elettronvolt. Ciò renderebbe gli assioni molto più leggeri persino dei neutrini.

Gli stessi autori del nuovo articolo sono per lo più cauti riguardo alle prove qui, concludendo il loro articolo con la frase: “Determinare se [WIMP- or axion-based dark matter] Riprodurre meglio le osservazioni astrofisiche farebbe pendere la bilancia verso una delle due classi simili di teorie della nuova fisica. Ma la loro cautela scivola nell’ultima frase del riassunto, dove scrivono: “Abilità”. [axion-based dark matter] La risoluzione delle anomalie dell’obiettivo anche in casi difficili come HS 0810+2554, insieme al suo successo nella riproduzione di altre osservazioni astrofisiche, inclina la bilancia verso una nuova fisica che invoca assi. “

Vedremo, senza dubbio presto, se i fisici condividono questi sentimenti al di là degli autori e dei revisori paritari di questo articolo.

Astronomia naturale, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (sui DOI).