Een neutrino massaverschil kan de grondslagen van de kosmologie doen schudden

Toen het jeugdige universum samenklonterde onder invloed van zwaartekracht, knoopte materie zichzelf samen tot sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en filamenten, terwijl het een verbluffend complex kosmisch web weefde. De structuur van dit web is mede te danken aan het werk van neutrino's - lichtgewicht, subatomaire deeltjes die zich in onvoorstelbare aantallen door het heelal bewegen.

Omdat ze met hoge snelheden bewegen en zelden interageren met andere materie, werden de deeltjes niet gemakkelijk gevangen in de zwaartekracht van dat kantwerk. Hun aanwezigheid veegde als het ware de spinnenwebben weg, waardoor de vorming van fijne details in dit kosmische filigraan werd belemmerd.

Science News verzamelt lezersvragen over hoe om te gaan met de veranderende klimaat van onze planeet.

Wat wilt u weten over extreme hitte en hoe het kan leiden tot extreme weersomstandigheden?

De massa's neutrino's zijn minder dan een miljoenste van die van het volgende lichtste deeltje, elektron, maar niemand weet precies hoe zwaar ze zijn. Ze zijn het enige bekende type fundamenteel subatomair deeltje waarvan deze basis eigenschap onbekend is, en sommige onderzoekers vermoeden dat deze ontbrekende kennis een toegangspoort kan zijn tot een nieuw begrip van de natuurkunde.

"Neutrino's zijn een van de sleuteldeeltjes die we niet zo goed begrijpen als andere, maar die toch diepgaande kosmologische gevolgen hebben," zegt deeltjeskosmoloog Miguel Escudero van het Europese deeltjesfysica-laboratorium CERN bij Genève.

De belangrijke rol van deze kleine deeltjes bij het vormgeven van het universum betekent dat ze de kloof overbruggen tussen de subatomaire wereld, die meestal wordt bestudeerd in deeltjesversnellers of fysiclabs, en de kosmologische wereld die wordt waargenomen door naar de hemel te staren. Wetenschappers gebruiken dus zowel waarnemingen van de ruimte als experimenten op de grond in een poging om dit grote mysterie op te lossen.

Als je echter aan een kosmoloog vraagt hoeveel neutrino's wegen en dezelfde vraag stelt aan een deeltjesfysicus, kan je twee verschillende antwoorden krijgen. De methoden van de twee groepen om die massa's te meten, tonen tekenen van een disconnectie.

Recente kosmologische gegevens die zijn verzameld door de Dark Energy Spectroscopic Instrument, of DESI, geven de voorkeur aan massas die onverwacht klein zijn en naderen een conflict met die van de experimenten in de deeltjesfysica. Sterker nog, sommige interpretaties van de DESI-gegevens suggereren dat neutrino's geen massa hebben of zelfs negatieve massa, normaal gesproken een verboden concept in de natuurkunde (SN: 11/21/14).

De vreemde uitkomst doet fysici nadenken over enkele verleidelijke ideeën - dat de massa's van neutrino's in de loop van de geschiedenis van het universum kunnen veranderen, of dat de schijnbaar negatieve massa's een illusie zijn veroorzaakt door donkere energie, het mysterieuze fenomeen dat ervoor zorgt dat het universum zich met een toenemende snelheid uitbreidt.

DESI, gevestigd op Kitt Peak National Observatory in Arizona, verzamelt gedetailleerde kaarten van sterrenstelsels en andere objecten. In april maakten DESI-wetenschappers ophef omdat ze suggereerden dat de dichtheid van donkere energie in de loop van de geschiedenis van het universum zou kunnen veranderen (SN: 4/4/24). De raadselachtige eigenschappen van neutrino's werden overschaduwd. Maar in de maanden daarna hebben natuurkundigen zich gerealiseerd dat DESI ook grote implicaties kan hebben voor neutrino's.

Toch denken sommige wetenschappers dat de discrepantie in de massa van neutrino's niet wereldschokkend is. In plaats daarvan kan het voortvloeien uit duistere details over hoe de kosmologische gegevens worden geanalyseerd.

Maar als het effect standhoudt, zou het kunnen wijzen op een enorme verschuiving. "Ik denk dat onze beschrijving van het universum te eenvoudig is," zegt kosmoloog Eleonora Di Valentino van de Universiteit van Sheffield in Engeland. "Nu we zeer sterke en zeer gevoelige metingen hebben ... is het tijd om het enigszins te compliceren."

Neutrino's komen in drie variëteiten - elektron-neutrino's, muon-neutrino's en tau-neutrino's. Om het nog ingewikkelder te maken, heeft elk type geen vastgestelde massa maar draagt het een kwantum-mix van drie verschillende massa's.

Vandaag vullen de drie soorten het heelal met honderden miljoenen neutrino's per kubieke meter, meer dan protonen met een factor van ongeveer een miljard. In het vroege heelal waren de deeltjes zelfs nog dichter op elkaar.

Hoewel neutrino's extreem licht zijn, is er kracht in aantallen. De deeltjes hebben miljarden jaren lang over het heelal rondgezweefd, waarbij ze de nachtelijke hemel onuitwisbaar hebben getekend met hun aanwezigheid. Ze flitsten niet alleen rond de normale, zichtbare materie die sterren en andere ruimtevaartproducten vormt, maar ook donkere materie, een slecht begrepen bron van massa die de sterrenstelsels rond het heelal opvult.

De gecombineerde aantallen neutrino's waren voldoende niet alleen om het kosmische web te veranderen, maar ook om de uitzettingsnelheid van het universum te beïnvloeden. Deze twee factoren stellen wetenschappers in staat om de massa's van neutrino's te meten door naar de ruimte te kijken. Neutrino's met grotere massa zouden hebben geleid tot een snellere uitbreiding van het universum en een minder klonterig universum dan neutrino's met kleinere massa.

DESI brengt kosmische structuren in kaart om de expansiesnelheid te bepalen, via een effect dat bekend staat als baryonische akoestische oscillaties, geluidsgolven die cirkelvormige patronen hebben afgedrukt op het zeer vroege universum. Door die patronen op verschillende punten in de geschiedenis van het heelal te volgen, kunnen wetenschappers de groei ervan volgen, een beetje zoals kosmische jaarringen.

Ondertussen onthult de kosmische achtergrondstraling, licht dat 380.000 jaar na de oerknal werd vrijgegeven, de klompigheid van het heelal. Naarmate het licht van de kosmische achtergrondstraling door de ruimte reist, wordt zijn traject gebogen door de zakken materie op zijn reis, net als licht dat door een lens gaat. De hoeveelheid van deze zwaartekrachtlenzen vertelt wetenschappers hoe klompig het heelal is.

Door de metingen van de klompigheid van de kosmische achtergrondstraling en de expansiesnelheid van DESI te combineren - twee zaken die door neutrino's worden beïnvloed - kunnen wetenschappers hun massa bepalen.

DESI-gegevens, in combinatie met gegevens van de kosmische achtergrondstraling van de Planck-satelliet van de Europese Ruimtevaartorganisatie, geven een massadrempel voor neutrino's. Specifiek wordt gemeld dat de som van de drie neutrino-massa's minder is dan ongeveer 0,07 elektronvolt op het 95 procent betrouwbaarheidsniveau, onderzoekers hebben online gerapporteerd in april op arXiv.org. (Een elektronvolt is een eenheid die natuurkundigen gebruiken om massa te kwantificeren. De massa van een elektron is ongeveer 511.000 elektronvolt.)

Naast een massadrempel voor neutrino's is er ook een drempel, gebaseerd op laboratoriumexperimenten in de deeltjesfysica. Die experimenten meten een fenomeen genaamd neutrino-oscillaties, dat voortkomt uit het feit dat elk type neutrino een kwantummengsel is van verschillende massa's. De massamengeling betekent dat neutrino's van de ene soort naar de andere kunnen veranderen terwijl ze reizen (SN: 6/10/15). Wat begint als een muon-neutrino kan later worden gedetecteerd als een elektron-neutrino.

Neutrinodetectoren kunnen deze gedaanteverandering waarnemen. Omdat oscillaties afhankelijk zijn van de relatie tussen de verschillende neutrino-massa's, kunnen deze experimenten de massa's zelf niet rechtstreeks meten. Maar ze geven aan dat de som van de drie neutrino-massa's groter moet zijn dan ongeveer 0,06 elektronvolt.

Dat betekent dat DESI's afwijzing van neutrino-massa's van meer dan ongeveer 0,07 elektronvolt verontrustend dichtbij het uitsluiten van het hele scala van massa's is die door oscillatie-experimenten zijn toegestaan. De drempel en het plafond raken elkaar bijna.

Er is nog een klein beetje speelruimte - een kruipruimte, misschien - voor neutrino-massa's om in harmonie te leven met zowel de kosmologie als oscillatie-experimenten. Maar het resultaat van DESI is verrassend om andere redenen. Ten eerste is de waarde die DESI als meest waarschijnlijk vaststelt voor de som van de neutrino-massa's nul - geen massa.

Bovendien, wanneer aanvullende kosmologische gegevens worden toegevoegd aan de DESI- en Planck-gegevens, zoals catalogi van exploderende sterren die ook de expansiesnelheid van het universum meten, krimpt het bovengrens voor de massa verder, tot minder dan 0,05 elektronvolt, rapporteren Di Valentino en collega's op 25 juli op arXiv.org. De kruipruimte wordt in wezen geëlimineerd, waardoor neutrino-massa's in een vagevuur terechtkomen dat moeilijk te verklaren is zonder nieuwe ideeën over het universum voor te stellen.

"Als je alles voor waar aanneemt, wat een groot voorbehoud is..., dan hebben we duidelijk nieuwe natuurkunde nodig," zegt kosmoloog Sunny Vagnozzi van de Universiteit van Trento in Italië, een andere auteur van het artikel

Zelfs zonder toevoeging van de supernova-gegevens zou het DESI-resultaat, als het serieus wordt genomen, een belangrijke vraag beantwoorden: welke neutrino is het zwaarst? De drie neutrino-massa's zijn nogal oncreatief gelabeld met de nummers 1, 2 en 3. In een mogelijke scenario genaamd de normale ordening, is massa 3 zwaarder dan massa's 1 en 2. In wat bekend staat als de omgekeerde ordening, zijn massa's 1 en 2 zwaarder dan 3. Een andere manier om het probleem te stellen: Zijn er twee relatief lichte neutrino-massa's en één enigszins zwaardere of twee zware en één lichte?

Als de omgekeerde ordening correct is, impliceren oscillexperimenten dat de som van de neutrino-massa's meer dan 0,1 elektronvolt zou zijn. DESI die de neutrino-massa's tot minder dan 0,07 elektronvolt samenperst, laat niet alleen weinig speling voor de normale ordening, maar lijkt ook de omgekeerde ordening vrijwel uit te sluiten.

"Dat is waarom iedereen nu overdrijft," zegt kosmoloog Licia Verde van de Universiteit van Barcelona, lid van de DESI-samenwerking.

Het laten vallen van de omgekeerde ordening zou een grote stap zijn, met repercussies voor een hele reeks theorieën en experimenten. De ordening is zo belangrijk dat wetenschappers een enorm experiment hebben ontworpen - de Jiangmen Underground Neutrino Observatory in China, gepland om dit jaar van start te gaan - dat gericht is op het meten ervan. Maar deeltjesfysici annuleren hun plannen niet, en niemand opent flessen champagne om het einde van de omgekeerde ordening te vieren.

De reden is dat het massaplafond van DESI de verwachtingen overtrof. "Het was te goed," zegt kosmoloog Daniel Green van de Universiteit van Californië, San Diego.

Gezien de hoeveelheid gegevens die DESI heeft verzameld, zouden wetenschappers een bovengrens hebben verwacht die meer dan twee keer zo groot was, waardoor de massa tot minder dan ongeveer 0,18 elektronvolt zou zijn, zegt hij, waardoor de mogelijkheid van de omgekeerde volgorde nog steeds levensvatbaar is. In feite werd niet verwacht dat DESI de omgekeerde volgorde zou kunnen uitsluiten - als de omgekeerde volgorde onjuist was - totdat er nog enkele jaren aan gegevens zouden zijn verzameld.

Dat heeft fysici achterdochtig gemaakt dat er iets anders aan de hand is.

Als wetenschappers het verlangen van DESI naar nul neutrino-massa serieus nemen, zijn er een paar manieren om het uit te leggen, ondanks het feit dat neutrino's in het lab ontegenzeggelijk massa hebben. Neutrino's kunnen vervallen tot andere deeltjes of met elkaar annihilatie ondergaan, suggereren Green en collega's in een artikel dat is geaccepteerd in het Journal of High Energy Physics. Of misschien variëren de massa's van neutrino's in de loop van de tijd.

Maar er is zelfs nog wildere mogelijkheid dan nul massa: negatieve massa. Green vermoedde "al dit grappige gedrag was omdat de gegevens eigenlijk de verkeerde kant op gingen. [De gegevens] zagen het 'tegenovergestelde' van een neutrino." Namelijk, een neutrino met negatieve massa.

Terwijl neutrino's met positieve massa het heelal minder hobbelig maken, zouden DESI en Planck het omgekeerde kunnen vinden, een universum dat hobbeliger is dan verwacht, wat betekent dat het een grotere dan voorspelde variatie heeft in de dichtheid van materie van plaats tot plaats. Dat zou kunnen worden geconceptualiseerd door een bizarro-neutrino met negatieve massa.

In de DESI-analyse gaven wetenschappers de neutrino-massa niet toestemming om negatief te worden. Misschien is DESI uiteindelijk op nul terechtgekomen omdat het verboden was om lager te gaan.

Dus Green en zijn collega's pasten de analyse aan om negatieve massa's toe te staan. De analyse spitste zich toe op -0,16 elektronvolt, zo meldden de onderzoekers.

Anderen vonden vergelijkbare ondersteuning voor negatieve neutrino-massa's. Dat is "een behoorlijk gek ding om te zeggen,", zegt kosmoloog Willem Elbers van de Universiteit van Durham in Engeland. Negatieve massa's in de natuurkunde zijn moeilijk te definiëren en op te nemen in theorieën, wat allerlei conflicten in vergelijkingen veroorzaakt. "We denken eigenlijk niet dat de neutrino-massa negatief is," zegt Elbers. In plaats daarvan "is het een symptoom van een probleem in de gegevens of in de aannames die we maken over hoe het universum evolueert."

De negatieve massa zou een luchtspiegeling van donkere energie kunnen zijn, suggereren Elbers en collega's. Het standaardbeeld van het universum gaat ervan uit dat donkere energie een constante dichtheid heeft, een zogenaamde kosmologische constante. Terwijl de DESI-gegevens suggereren dat donkere energie dynamisch is - dat de dichtheid in de loop van de tijd verandert - werd het aantal neutrino-massa's van DESI bepaald met de veronderstelling van een kosmologische constante.

Het toestaan van dynamische donkere energie lost het neutrino-massavraagstuk op, meldden Elbers en collega's online op 15 juli op arXiv.org. "Het verplaatst de meest waarschijnlijke waarde eigenlijk van iets negatiefs en onfysieks naar iets dat precies klopt," zegt Elbers: 0,06 elektronvolt.

Maar niet alle vormen van dynamische donkere energie zijn hetzelfde. De eenvoudigste modellen van dynamische donkere energie, zoals die gebruikt worden door DESI en door Elbers en collega's, staan donkere energie toe "fantoom" te worden, een onverwachte situatie, theoretisch gezien. In de favoriete theorieën van wetenschappers blijft de dichtheid van donkere energie constant of wordt verdund naarmate de ruimte uitzet. Met fantoom-donkere energie neemt de dichtheid in plaats daarvan toe. Die donkere energie wordt als minder waarschijnlijk beschouwd - het is moeilijk uit te leggen binnen de standaard natuurkundige theorieën.

Het gebruiken van een model waarin de variatie van donkere energie van fantoom zijn verboden, maakte de mismatch van de neutrino-massa juist erger, meldden Vagnozzi, Di Valentino en collega's in hun paper.

Dat laat wetenschappers zonder winnende kosmologische verklaring voor waarom de neutrino-massa's kleiner zijn dan verwacht.

In plaats van het universum opnieuw te overwegen, nemen sommige wetenschappers een tweede kijkje naar de data.

Subtiele problemen in de gegevens van de kosmische achtergrondstraling kunnen dingen verstoren, vermoeden sommige onderzoekers. Met name is bekend dat de gegevens van Planck een onverwacht overschot aan gravitatielensing laten zien, dat buigen van het licht van de kosmische achtergrondstraling dat wetenschappers helpt de neutrino-massa's te deduceren.

Meer gravitatielensing is ook wat je zou verwachten van neutrino's met negatieve massa. In feite kwamen eerdere pogingen om de neutrino-massa's te schatten met Planck-gegevens gecombineerd met een voorganger van DESI ook uit op onverwacht kleine schattingen. Misschien is Planck het probleem.

Een bijgewerkte versie van de Planck-gegevens, met behulp van verschillende methoden om de kosmische achtergrondstraling in kaart te brengen, vermindert deze overmatige gravitatielensing.

Op basis van die bygewerkte Planck-data en die verwydering van twee outlier DESI-data punte, het Escudero en kollegas op 18 Julie aanlyn by arXiv.org gerapporteer dat daar geen bewyse vir negatiewe neutrino-masse is nie.

In die lig hiervan sê Escudero, "Dit lyk voorbarig om te besluit dat daar 'n spanning is tussen die minimumwaarde van neutrino-masse wat ons uit die laboratorium ken en die gebrek aan opsporing van neutrino-masse in kosmologie."

Tog het die analise geen bewys van 'n positiewe massa vir neutrinos gevind nie.

Die kosmologiese metings van neutrino-massa is afhanklik van 'n verskeidenheid waarnemings, en hulle hang af van die korrektheid van die wetenskaplikes se teorie van die kosmos. As daar enige leemte is, maak dit die neutrino-massaschattinge onbetroubaar. Daarom hoop wetenskaplikes om in die toekoms die neutrino-massa direk op Aarde te meet.

Die KATRIN-eksperiment in Karlsruhe, Duitsland, soek na die invloed van neutrino-masse op die radioaktiewe verval van tritium, 'n swaar vorm van waterstof (SN: 4/21/21). Wanneer tritium se nukleus verval, straal dit 'n antineutrino (die antimateriewe tweeling van 'n neutrino) en 'n elektron uit. KATRIN streef daarna om die effek van die massas van antineutrinos op die energie van die elektrone wat vrygestel word in die verval te meet.

Tog, alhoewel eksperimente soos hierdie teoreties die neutrino-massa kan meet, is hulle resultate nie naby so presies soos dié van kosmologie nie. Die som van die neutrino-masse moet minder as 1.35 elektronvolt op 90 persent betroubaarheidsvlak wees, het KATRIN-navorsers op 18 Julile aanlyn by arXiv.org gerapporteer. Dit is 'n baie swakker limiet as wat kosmologie op die massa plaas. Selfs alhoewel direkte eksperimente as meer betroubaar beskou word, vertel hulle wetenskaplikes nie regtig baie wat hulle nie reeds geweet het nie. Toekomstige direkte eksperimente kan verder fokus op neutrino-massa, maar as neutrino-masse so klein is soos wat kosmologiese dink, sal dit ernstige tegnologiese vooruitgang vereis.

Die moontlikheid om beter te verstaan van enkele van die mees misterieuse partikels in die kosmos is aantreklik. "Ek vind dit veral interessant dat om na die lug te kyk jou iets kan vertel van 'n partikel wat so lig en klein en subatomies is," sê Verde.

En as wetenskaplikes ooreenstemming kan vind tussen neutrinos op Aarde en in die ruimte, sal hulle ekstra vertroue hê dat hulle teorie van die heelal korrek is, sê Verde. "As jy 'n prentjie kan bou waar alles saamhang, deur beide eksperimente wat direk na die oneindig klein kyk en eksperimente wat na die baie groot kyk, bied dit ook ondersteuning aan die prentjie self."

Vrae of opmerkings oor hierdie artikel? E-pos ons by feedback@sciencenews.org | Druk herdruk FAQ uit

N. Craig et al. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. In druk, 2024.

J.-Q. Jiang et al. Neutrino kosmologie na DESI: strengste massa boonste limiete, voorkeur vir die normale reëling, en spanning met aardse waarnemings. arXiv:2407.18047. Ingedien op 25 Julie, 2024.

D. Naredo-Tuero et al. Woon aan die rand: 'n kritiese kyk na die kosmologiese neutrino massagrens. arXiv:2407.13831. Ingedien op 18 Julile, 2024.

W. Elbers et al. Negatiewe neutrino-masse as 'n skynsel van donker energie. arXiv:2407.10965. Ingedien op 15 Julie, 2024.

DESI Samewerking. DESI 2024 VI: Kosmologiese beperkings van die metings van barium akustiese ossillasies. arXiv:2404.03002. Ingedien op 3 April, 2024.

Fisika-skrywer Emily Conover het 'n Ph.D. in fisika van die Universiteit van Chicago. Sy is 'n tweevoudige wenner van die D.C. Science Writers 'Association Newsbrief-prys.

Ons is tans op 'n kritieke tyd en die ondersteuning van klimaatjoernalistiek is belangriker as ooit tevore. Science News en ons ouerorganisasie, die Genootskap vir Wetenskap, het jou hulp nodig om omgewingsgeletterdheid te versterk en te verseker dat ons reaksie op klimaatsverandering deur wetenskap ingelig word.

Doen asseblief 'n beroep op Science News en voeg $16 by om wetenskapgeletterdheid en begrip uit te brei.