Fysiker som försöker förstå naturens grundläggande struktur förlitar sig på konsekventa teoretiska ramar som kan förklara vad vi ser och samtidigt göra förutsägelser som vi kan testa. På den minsta skala av elementära partiklar, standardmodellen för partikelfysik utgör grunden för vår förståelse.

På kosmos skala, mycket av vår förståelse bygger på "standardmodell för kosmologi". Informerad av Einsteins teori om allmän relativitet, det påstår att det mesta av massan och energin i universum består av mystiska, osynliga ämnen som kallas mörk materia (som utgör 80 % av materien i universum) och mörk energi.

Under de senaste decennierna har denna modell har varit anmärkningsvärt framgångsrik när det gäller att förklara ett brett spektrum av observationer av vårt universum. Ändå vet vi fortfarande inte vad som består av mörk materia - vi vet bara att den existerar på grund av gravitationen som den har på galaxkluster och andra strukturer. Ett antal partiklar har föreslagits som kandidater, men vi kan inte säga säkert vilka eller flera partiklar som utgör mörk materia.

Nu vår nya studie - som antyder att extremt ljusa partiklar som kallas neutrinoer sannolikt kommer att utgöra en del av den mörka materien - utmanar vår nuvarande förståelse av dess sammansättning.

Varmt mot kallt

Standardmodellen håller att mörk materia är "kall". Det betyder att den består av relativt tunga partiklar som från början hade tröga rörelser. Som en konsekvens, det är mycket lätt för närliggande partiklar att komma samman för att bilda föremål bundna av gravitationen. Modellen förutsäger därför att universum ska fyllas med små halor av mörk materia, varav några kommer att gå samman och bilda gradvis mer massiva system - vilket gör kosmos "klumpig".

Dock, det är inte omöjligt att åtminstone någon mörk materia är "het". Detta skulle bestå av relativt lätta partiklar som har ganska höga hastigheter – vilket innebär att partiklarna lätt kan fly från täta områden som galaxer. Detta skulle bromsa ackumuleringen av ny materia och leda till ett universum där strukturbildningen undertrycks (mindre klumpig).

Neutrinos, som susar runt med extremt höga hastigheter, är en bra kandidat för het mörk materia. Särskilt, de avger eller absorberar inte ljus – vilket gör att de verkar "mörka". Man antog länge att neutrinoer, som finns i tre olika arter, inte har massa. Men experiment har visat att de kan förändras (oscillera) från en art till en annan. Viktigt, forskare har visat att denna förändring kräver att de har massa - vilket gör dem till en legitim kandidat för het mörk materia.

Under de senaste decennierna, dock, både partikelfysikexperiment och olika astrofysiska argument har uteslutit att neutriner utgör det mesta av den mörka materien i universum. Vad mer, standardmodellen förutsätter att neutrinoer (och het mörk materia i allmänhet) har så liten massa att deras bidrag till mörk materia helt kan ignoreras (i de flesta fall antas vara 0%). Och, tills helt nyligen, denna modell har reproducerat en mängd olika kosmologiska observationer ganska bra.

Byter bild

Under de senaste åren, mängden och kvaliteten på kosmologiska observationer har skjutit enormt. Ett av de mest framträdande exemplen på detta har varit framväxten av "gravitationella linsobservationer". Allmän relativitet säger att materia böjer rumstid så att ljus från avlägsna galaxer kan avböjas av massiva föremål som ligger mellan oss och galaxerna. Astronomer kan mäta en sådan avböjning för att uppskatta tillväxten av strukturen ("klumpigheten") i universum under kosmisk tid.

Dessa nya datamängder har presenterat kosmologer ett antal sätt att i detalj testa standardmodellens förutsägelser. En bild som börjar dyka upp från dessa jämförelser är att massfördelningen i universum verkar vara mindre klumpig än den borde vara om den mörka materien är helt kall.

Dock, att göra jämförelser mellan standardmodellen och de nya datamängderna är kanske inte så enkelt som först trodde. Särskilt, forskare har visat att universums skenbara klumpighet inte bara påverkas av mörk materia, men också genom komplexa processer som påverkar normal materia (protoner och neutroner). Tidigare jämförelser antog att normal materia, som "känner" både gravitation och tryckkrafter, fördelas som mörk materia, som bara känner gravitation.

Nu har vår nya studie producerat den största sviten av kosmologiska datasimuleringar av normal och mörk materia hittills (kallad BAHAMAS). Vi har också gjort noggranna jämförelser med en lång rad nya observationer. Vi drar slutsatsen att skillnaden mellan de nya observationsdatauppsättningarna och standardmodellen för kall mörk materia är ännu större än tidigare påstått.

Vi tittade i detalj på effekterna av neutrinoer och deras rörelser. Som förväntat, när neutriner ingick i modellen, strukturbildningen i kosmos tvättades ut, gör universum mindre klumpigt. Våra resultat tyder på att neutriner utgör mellan 3% och 5% av den totala massan av mörk materia. Detta är tillräckligt för att konsekvent återge en mängd olika observationer - inklusive de nya gravitationslinsmätningarna. Om en större del av den mörka materien är "varm", strukturens tillväxt i universum undertrycks för mycket.

Forskningen kan också hjälpa oss att lösa mysteriet om vad massan av en enskild neutrino är. Från olika experiment, partikelfysiker har beräknat att summan av de tre neutrino -arterna bör vara minst 0,06 elektronvolt (en enhet för energi, liknande joule). Du kan omvandla detta till en uppskattning av det totala neutrino -bidraget till mörk materia, och det blir 0,5%. Med tanke på att vi har funnit att den faktiskt är sex till tio gånger större än så här, vi kan dra slutsatsen att neutrino massan bör vara cirka 0,3-0,5 eV istället.

Detta är tantande nära värden som faktiskt kan mätas genom kommande partikelfysiska experiment. Om dessa mätningar bekräftar massorna vi hittade i våra simuleringar, detta skulle vara mycket betryggande – ge oss en konsekvent bild av neutrinos roll som mörk materia från de största kosmologiska skalorna till den minsta partikelfysiksfären.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.