Neutrina mogą być kluczem do zrozumienia ciemnej materii

Zespół badaczy z Francji, Polski i Wielkiej Brytanii zaproponował nową hipotezę sugerującą, że oddziaływania ciemnej materii z neutrinami mogą wyjaśnić pewne nieprawidłowości w rozkładzie mikrofalowego promieniowania tła. Szczegóły analizy opisano w artykułach opublikowanych na łamach prestiżowych periodyków naukowych Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters oraz Physics of the Dark Universe.

Spośród znanych nam cząstek elementarnych, poszukiwana od kilku dekad cząstka ciemnej materii pod względem siły oddziaływań najbardziej przypomina neutrina. We wczesnych latach badań teoretycznych nad naturą ciemnej materii sądzono nawet, że to neutrina wyprodukowane we wczesnym Wszechświecie mogą być odpowiedzialne za obserwowane efekty astronomiczne przypisywane ciemnej materii. Poruszają się one jednak zbyt szybko, aby wyjaśnić obserwowaną ewolucję struktur wielkoskalowych we Wszechświecie. Prototypowy opis cząstek ciemnej materii zakładał więc, że przypominają one neutrina, są jednak cząstkami bardziej masywnymi.

W międzyczasie poznaliśmy też lepiej naturę samych neutrin. Odkryliśmy m.in. niezwykłe zjawisko oscylacji neutrin, co przekonało nas, że cząstki te mogą być najpewniejszym oknem do odkrycia tzw. “nowej fizyki”. A co jeśli ciemna materia, poza grawitacją, komunikuje się z nami głównie właśnie poprzez neutrina? Eksperymentalna weryfikacja tej hipotezy wydaje się zadaniem niemal niewykonalnym. Neutrina, podobnie jak ciemna materia, mogą przenikać przez całą Ziemię bez pozostawiania najmniejszego śladu swojej obecności. Do obserwacji ich rzadkich interakcji z otaczającą nas materią potrzebujemy ogromnych detektorów. Jak jednak zaobserwować wpływ oddziaływań neutrin z równie nieuchwytną ciemną materią? Tym właśnie problemem zajęli się naukowcy z ww. międzynarodowego zespołu badawczego.

Znakomitym laboratorium do takich badań okazuje się wczesny Wszechświat oglądany dzięki mikrofalowemu promieniowaniu tła. Światło to zostało wyemitowane w czasie, gdy formowały się pierwsze atomy. Ma ono obecnie cechy promieniowania tzw. ciała doskonale czarnego o bardzo niskiej temperaturze ok. 2.7 Kelvina. Niewielkie obserwowane nieregularności w rozkładzie tej temperatury na niebie informują nas o rozkładzie materii w bardzo młodym Wszechświecie. Naukowcy sądzą, że rozkład ten był w dużej mierze determinowany przez wpływ ciemnej materii, a obecność dodatkowych oddziaływań ciemnej materii z neutrinami mogła istotnie zaburzać ten proces. Jest to bardzo prawdopodobne, gdyż neutrina licznie występowały we Wszechświecie na wczesnym etapie jego ewolucji jako pozostałość po pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.

Tę teoretyczną obserwację po raz pierwszy poczyniono już ponad dwadzieścia lat temu ale dopiero ostatnich latach zdolności obserwacji mikrofalowego promieniowania tła uległy znaczącemu polepszeniu pozwalając na próby obserwacyjnej weryfikacji teorii. Nasze rozumienie wczesnego Wszechświata nie pozwala przewidzieć dokładnego wyglądu mapy promieniowania tła, potrafimy jednak z dużą dokładnością opisać spodziewane statystyczne zależności pomiędzy jego właściwościami w różnych miejscach nieba. Obecnie możemy badać takie korelacje dla dużo mniejszych obszarów nieba, czyli dla niewielkich rozmiarów kątowych. W najnowszych pracach zespół badaczy pokazuje, że znacząco polepsza to perspektywy odkrycia efektów oddziaływania cząstek ciemnej materii i neutrin. Możliwy wpływ takich oddziaływań okazuje się spektakularnie wzrastać dla coraz dokładniejszych pomiarów mikrofalowego promieniowania tła.

Co ciekawe, obserwacje mikrofalowego promieniowania tła zbierane dla większych rozmiarów kątowych nie są w pełni zgodne z tymi poczynionymi na mniejszej skali. Rozbieżność ta jest od pewnego czasu źródłem kontrowersji wśród badaczy. Najnowsze prace pokazują, że można ją wyjaśnić poprzez wprowadzenie niezerowej siły oddziaływań ciemnej materii z neutrinami. „Obecność takiego oddziaływania jest preferowana z punktu widzenia danych.” – komentuje współautor prac, dr Sebastian Trojanowski z międzynarodowej agendy badawczej AstroCeNT, CAMK PAN oraz Zakładu Fizyki Teoretycznej w NCBJ. „Statystyczna istotność tej obserwacji nie przekracza na razie dwóch odchyleń standardowych, więc wynik nie jest pewny. Może to być oczywiście jedynie przypadkowa fluktuacja. Nasz rezultat jednak zgadza się z wcześniejszą niezależną analizą innej grupy dot. serii linii absorpcyjnych w widmach kwazarów i odległych galaktyk, czyli tzw. lasu Lyman-alfa. Oni również sugerowali możliwy wpływ oddziaływań ciemnej materii z neutrinami o takiej samej sile jak my to widzimy. Nawet jeśli nie ma to nic wspólnego z ciemną materią, to możliwe, że jesteśmy na tropie jakiegoś prawdziwego zjawiska, które oczekuje wyjaśnienia.”

Więcej światła na te rozważania rzucą kolejne dane obserwacyjne zebrane m.in. przez Teleskop Kosmologiczny Atacama zlokalizowany w Chile, wielkoskalowe przeglądy nieba przy użyciu Instrumentu Spektroskopii Ciemnej Energii (DESI) oraz przez kolejną generację teleskopów badających mikrofalowe promieniowanie tła (CMB-S4). Natura uchyla dla nas furtki do poznawania nawet najbardziej ulotnych własności jej elementarnych składników.

Badania dra Trojanowskiego w NCBJ są współfinansowane z grantu badawczego SONATA BIS pt. “Badanie lekkich cząstek ciemnego sektora Wszechświata” przyznawanego ze środków Narodowego Centrum Nauki.

Pełne wyniki badań są dostępne w artykułach:
P. Brax, C.v.d. Bruck, E. Di Valentino, W. Giare, S. Trojanowski, “New Insight on Neutrino Dark Matter Interactions from Small-Scale CMB Observations”, MNRAS: Letters, slad157 doi: https://doi.org/10.1093/mnrasl/slad157

P. Brax, C.v.d. Bruck, E. Di Valentino, W. Giare, S. Trojanowski, “Extended analysis of neutrino-dark matter interactions with small-scale CMB experiments”, Phys.Dark Univ. 42 (2023) 101321, doi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212686423001553?via%...

Informacje dodatkowe:

Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła. Jej istnienie wynika z obserwacji astronomicznych, które wskazują, że we Wszechświecie jest znacznie więcej materii, niż można by to wywnioskować na podstawie obserwacji materii widzialnej. Ciemna materia jest niezbędna do wyjaśnienia wielu obserwacji astronomicznych, takich jak: Rotacja galaktyk (galaktyki wirują z taką prędkością, że gdyby nie istniała ciemna materia, gwiazdy na ich obrzeżach powinny się rozlecieć), formowanie się galaktyk (galaktyki powstają w wyniku zderzeń i łączenia się mniejszej materii; ciemna materia może pomagać tym procesom, zwiększając grawitacyjne przyciąganie między obiektami). wielkość soczewkowania grawitacyjnego (ciemne masy galaktyk i gromad galaktyk mogą zakrzywiać światło z odległych obiektów, tworząc efekt soczewkowania). Ciemna materia stanowi około 84% całej materii we Wszechświecie. Jej skład i właściwości są wciąż nieznane, ale naukowcy pracują nad ich odkryciem.

Neutrina to cząstki elementarne o zerowym ładunku elektrycznym i bardzo małej masie. Są tak lekkie, że przelatują przez materię, nie pozostawiając po sobie śladu. Powstają w wielu procesach fizycznych, takich jak rozpad promieniotwórczy, reakcje jądrowe i zderzenia cząstek. Są one obecne we Wszechświecie w ogromnych ilościach. Neutrina są ważne dla zrozumienia wielu zjawisk fizycznych, takich jak ewolucja gwiazd, powstawanie galaktyk i budowa Wszechświata. Mimo niesłychanie małego prawdopodobieństwa oddziaływania neutrin z innymi składnikami materii,  naukowcy potrzefią je bezposrednio rejestrować.