Tidak ada WIMPS! Partikel berat tidak menjelaskan anomali gravitasi lentikular – Ars Technica

Beberapa dekade setelah jelas bahwa alam semesta terlihat dibangun di atas kerangka materi gelap, kita masih belum tahu apa sebenarnya materi gelap itu. Pada skala besar, berbagai bukti menunjukkan apa yang disebut WIMP: partikel masif yang berinteraksi lemah. Tetapi ada berbagai detail yang sulit dijelaskan dengan WIMP, dan pencarian partikel selama beberapa dekade tidak menghasilkan apa-apa, membuat orang terbuka pada gagasan bahwa sesuatu selain WIMP terbuat dari materi gelap.

Salah satu dari banyak kandidat adalah sesuatu yang disebut axion, partikel pembawa gaya yang diusulkan untuk memecahkan masalah di bidang fisika yang tidak terkait. Mereka jauh lebih ringan daripada WIMP tetapi memiliki sifat lain yang konsisten dengan materi gelap, yang membuat tingkat ketertarikannya rendah. Sekarang, sebuah makalah baru berpendapat bahwa ada fitur dalam pelensaan gravitasi (sebagian besar merupakan produk materi gelap) yang mungkin lebih baik dijelaskan oleh sifat mirip axion.

partikel atau gelombang?

Jadi, apa itu axion? Pada tingkat yang paling sederhana, itu adalah partikel yang sangat ringan tanpa putaran dan bertindak sebagai pembawa gaya. Mereka awalnya diusulkan untuk memastikan bahwa kromodinamika kuantum, yang menggambarkan perilaku gaya kuat yang mengikat proton dan neutron secara bersamaan, tidak merusak kekekalan paritas muatan. Pekerjaan yang cukup telah dilakukan untuk memastikan bahwa sumbu kompatibel dengan kerangka teoretis lainnya, dan beberapa penelitian telah dilakukan untuk mencoba dan mengetahuinya. Tetapi sebagian besar axion telah melemah sebagai salah satu dari sejumlah solusi potensial untuk masalah yang belum kami temukan cara untuk menyelesaikannya.

Namun, mereka telah menarik minat sebagai solusi materi gelap yang potensial. Tetapi perilaku materi gelap paling baik dijelaskan oleh partikel berat – khususnya partikel masif yang berinteraksi lemah. Sumbu diharapkan berada di sisi yang lebih ringan dan bisa seringan neutrino yang hampir tidak bermassa. Pencarian pada axion cenderung mengecualikan banyak massa berat juga, yang membuat masalahnya semakin jelas.

Tapi axion mungkin muncul kembali, atau setidaknya tetap diam sementara WIMPs faceplant. Ada sejumlah detektor yang dibangun untuk mencoba dan mengidentifikasi indikator interaksi yang lemah untuk WIMP, dan hasilnya kosong. Jika WIMP adalah partikel Model Standar, kita dapat menyimpulkan keberadaannya berdasarkan massa yang hilang dalam penumbuk partikel. Tidak ada bukti yang ditunjukkan. Hal ini membuat orang mempertimbangkan kembali apakah WIMP adalah solusi terbaik untuk materi gelap.

Pada skala kosmik, WIMP terus menyesuaikan data dengan sangat baik. Tapi begitu Anda turun ke tingkat masing-masing galaksi, ada beberapa anomali yang tidak berjalan dengan baik kecuali halo materi gelap yang mengelilingi galaksi memiliki struktur kompleks. Hal serupa terdengar benar ketika Anda mencoba memetakan materi gelap masing-masing galaksi berdasarkan kemampuannya menciptakan lensa gravitasi yang membelokkan ruang sehingga memperbesar dan mendistorsi objek latar belakang.

Pekerjaan baru mencoba untuk menghubungkan anomali potensial ini dengan perbedaan antara properti WIMPS dan axion. Seperti namanya, WIMP harus berperilaku seperti partikel diskrit, berinteraksi hampir seluruhnya melalui gravitasi. Sebaliknya, axion harus berinteraksi satu sama lain melalui interferensi kuantum, yang menciptakan pola seperti gelombang dalam frekuensinya di seluruh galaksi. Jadi, sementara frekuensi WIMP akan berkurang perlahan dengan jarak dari inti galaksi, axion harus membentuk gelombang berdiri (secara teknis, soliton) yang meningkatkan frekuensinya di dekat inti galaksi. Di luar ini, pola interferensi kompleks harus menciptakan wilayah di mana sumbu pada dasarnya tidak ada dan wilayah lain di mana sumbu hadir dengan intensitas rata-rata dua kali lipat.

Sulit ditemukan

Dengan beberapa kemungkinan pengecualian, materi gelap membentuk sebagian besar massa galaksi. Mengingat hal ini, pola interferensi ini pasti menyebabkan tarikan gravitasi dari berbagai wilayah galaksi menjadi tidak merata. Jika perbedaan antar daerah cukup besar, ini kemungkinan besar akan bermanifestasi sebagai sedikit penyimpangan dalam perilaku pelensaan gravitasi yang diharapkan. Oleh karena itu, objek di belakang galaksi harus tetap muncul sebagai bayangan lentikular; Itu mungkin tidak terbentuk seperti yang kita harapkan atau persis di lokasi yang kita harapkan.

Pemodelan menunjukkan bahwa penyimpangan ini cukup kecil sehingga Teleskop Luar Angkasa Hubble pun tidak dapat menangkapnya. Tetapi dimungkinkan untuk mendeteksi mereka pada panjang gelombang radio dengan menggabungkan data dari teleskop radio yang terpisah jauh menjadi satu teleskop raksasa. (Pendekatan ini memungkinkan Teleskop Cakrawala Peristiwa untuk membuat gambar lubang hitam.)

Dan setidaknya dalam satu kasus, kami memiliki data itu. HS 0810+2554 adalah galaksi elips masif yang terletak di antara kita dan lubang hitam aktif di jantung galaksi lain. Pelensaan gravitasi yang dibuat oleh galaksi latar depan menciptakan empat gambar galaksi aktif, masing-masing dengan inti galaksi yang cerah dan dua pancaran material besar yang memanjang darinya. Dimungkinkan untuk membandingkan lokasi dan distorsi keempat gambar ini dengan apa yang kita perkirakan berdasarkan keberadaan halo khas materi gelap di galaksi latar depan.

Ini adalah hal yang relatif sederhana untuk dilakukan dengan WIMP, karena hanya ada satu pola yang kami perkirakan: penurunan bertahap tingkat materi gelap saat Anda menjauh dari inti galaksi. Prediksi lensa berdasarkan distribusi ini tidak berhasil mencocokkan data dunia nyata di mana gambar muncul ke lensa lensa.

Tantangannya adalah melakukan analisis yang sama berdasarkan pola interferensi aksis kacau: jalankan model dua kali dengan kondisi awal yang berbeda, dan Anda mendapatkan pola interferensi yang berbeda. Jadi kemungkinan untuk benar-benar mendapatkan orang-orang di galaksi dunia nyata melakukan lensa cukup tipis. Sebagai gantinya, tim peneliti menjalankan 75 model berbeda dengan kondisi awal yang dipilih secara acak. Secara tidak sengaja, saya membuat beberapa distorsi ini serupa dengan yang terlihat pada data dunia nyata, biasanya hanya memengaruhi satu dari empat gambar dengan lensa. Oleh karena itu, para peneliti menyimpulkan bahwa distorsi pada gambar lenticular konsisten dengan halo materi gelap yang dibentuk oleh interferensi kuantum axion.

Jadi, apakah mereka benar-benar axion?

Menganalisis satu galaksi tidak akan menjadi pukulan kritis dalam segala hal, dan ada banyak alasan untuk lebih berhati-hati di sini. Misalnya, para peneliti telah membuat beberapa asumsi tentang distribusi materi biasa dan materi tampak di galaksi, yang juga memiliki pengaruh gravitasi. Diyakini bahwa galaksi elips adalah hasil penggabungan galaksi-galaksi yang lebih kecil, yang dapat memengaruhi distribusi materi gelap dengan cara halus yang sulit dideteksi dengan menelusuri distribusi materi normal.

Terakhir, pola tumpang tindih semacam ini hanya berfungsi untuk sumbu yang sangat ringan – pada urutan 10^-22 elektron volt. Sebaliknya, massa elektron itu sendiri adalah sekitar 500.000 elektron volt. Ini akan membuat axion jauh lebih ringan daripada neutrino.

Penulis makalah baru itu sendiri sebagian besar berhati-hati tentang bukti di sini, menyimpulkan makalah mereka dengan kalimat: “Tentukan apakah [WIMP- or axion-based dark matter] Mereproduksi pengamatan astrofisika dengan lebih baik akan memiringkan keseimbangan ke arah salah satu dari dua kelas teori fisika baru yang serupa. Tapi kehati-hatian mereka tergelincir di kalimat terakhir ringkasan, di mana mereka menulis, “Kemampuan.” [axion-based dark matter] Resolusi anomali lensa bahkan dalam kasus yang menantang seperti HS 0810+2554, bersama dengan keberhasilannya dalam mereproduksi pengamatan astrofisika lainnya, memiringkan keseimbangan ke arah sumbu fisika baru. “

Kita akan segera melihat, tidak diragukan lagi, apakah fisikawan berbagi sentimen ini di luar penulis dan peninjau sejawat makalah ini.

Astronomi Alam, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (tentang DOI).