Nieprawidłowości w masach neutrin mogą zachwiać fundamentami kosmologii

Na skutek grawitacyjnego przyciągania, młody wszechświat skondensował się w galaktyki, gromady galaktyk i filamenty, tkając olśniewająco złożoną kosmiczną sieć. Strukturę tej sieci zawdzięczamy m.in. pracy neutrino - lekkich, subatomowych cząsteczek, które przemierzają kosmos w niewyobrażalnych ilościach.

Jako że poruszają się z dużymi prędkościami i rzadko oddziałują z inną materią, cząstki te nie zostały łatwo uwięzione w grawitacyjnym mazi tego wzoru. Dzięki temu ich obecność wymieła pajęczynę, utrudniając tworzenie drobnych detali w tym kosmicznym filigranie.

Science News zbiera pytania czytelników na temat sposobów radzenia sobie z zmiennym klimatem naszej planety.

Co chcesz wiedzieć o skrajnym upale i jak może prowadzić on do ekstremalnych zjawisk atmosferycznych?

Masy neutrino są mniejsze niż milionowy ułamek masy następnej najlżejszej cząstki, elektronu, ale nikt nie wie dokładnie, jak duże są. Są one jedynym znanym typem podstawowej cząstki subatomowej, dla której ta podstawowa właściwość jest nieznana, a niektórzy badacze podejrzewają, że brak tej wiedzy może być bramą do nowego zrozumienia fizyki.

"Neutrino to jedna z kluczowych cząstek, których nie rozumiemy tak dobrze, jak innych, ale które mimo to mają głębokie konsekwencje kosmologiczne" - mówi kosmolog cząstek Miguel Escudero z europejskiego laboratorium fizyki cząstek CERN w Genewie.

Rola tych małych cząstek w kształtowaniu wszechświata oznacza, że mostią one przepaść między światem subatomowym, zazwyczaj badanym w akceleratorach cząstek lub laboratoriach fizycznych, a kosmologicznym, dostrzeganym przez zaglądanie w niebiosa. Dlatego naukowcy wykorzystują zarówno obserwacje przestrzeni, jak i eksperymenty na ziemi, by rozwiązać tę ogromną tajemnicę.

Ale jeśli zapytasz kosmologa, ile ważą neutrino, i zapytasz fizyka cząstek to samo pytanie, możesz uzyskać dwie różne odpowiedzi. Metody obu grup pomiaru tych mas wykazują oznaki rozbieżności.

Ostatnie dane kosmologiczne zebrane przez Instrument Spektroskopowy do Badań Energii Ciemnej, czyli DESI, faworyzują masy, które są zaskakująco niskie i zbliżają się do konfliktu z eksperymentami fizyki cząstek. Faktycznie, niektóre interpretacje danych DESI sugerują, że neutrina nie mają masy lub nawet mają masę ujemną, co normalnie jest zakazanym pojęciem w fizyce.

Dziwny wynik sprawił, że fizycy rozważają kilka kuszących pomysłów - że masy neutrino mogą zmieniać się w historii wszechświata, albo że pozorne masy ujemne są iluzją spowodowaną energią ciemną, tajemniczym zjawiskiem powodującym rozprzestrzenianie się wszechświata w przyspieszającym tempie.

DESI, znajdujący się w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak w Arizonie, zbiera szczegółowe mapy galaktyk i innych obiektów. W kwietniu, naukowcy z DESI zrobili zamieszanie, sugerując, że gęstość energii ciemnej może zmieniać się w historii wszechświata. Dziwactwo neutrin zostało zepchnięte w cień. Ale od tamtego czasu, fizycy zda...

DESI mapuje struktury kosmiczne, aby określić tempo ekspansji, poprzez efekt znany jako oscylacje akustyczne barionów, fale dźwiękowe, które odbiły okrągłe wzory na bardzo wczesnym wszechświecie. Śledząc te wzory w różnych punktach historii wszechświata, naukowcy mogą śledzić jego wzrost, trochę jak pierścienie drzewa kosmicznego.

Tymczasem promieniowanie kosmicznego tła mikrofalowego, światło wyemitowane 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, ujawnia gromadność kosmosu. Kiedy światło z kosmicznego tła mikrofalowego przemierza przestrzeń, jego trajektoria jest zakrzywiona przez kieszenie materii w jego podróży, podobnie jak światło przechodzące przez soczewkę. Ilość tego zakrzywienia grawitacyjnego informuje naukowców, jak gęsty jest kosmos.

Połączenie pomiarów gęstości z kosmicznego tła mikrofalowego i tempa ekspansji z DESI — dwie rzeczy, na które wpływają neutrina — pozwala naukowcom określić ich masę.

Dane DESI, w połączeniu z danymi z kosmicznego tła mikrofalowego z satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, określają górny pułap masy neutrin. Konkretnie, suma trzech mas neutrin jest mniejsza niż około 0,07 elektronowoltów na poziomie ufności 95 procent, jak donoszą badacze online w kwietniu na arXiv.org. (Elektronowolt to jednostka, którą fizycy używają do określania masy. Masa elektronu to około 511 000 elektronowoltów.)

Oprócz górnego pułapu masy neutrin, istnieje również dolny pułap, oparty na eksperymentach z fizyki cząstek w laboratorium. Te eksperymenty mierzą zjawisko zwane oscylacjami neutrin, które wynika z faktu, że każdy rodzaj neutrino jest kwantową mieszaniną różnych mas. To mieszanie mas oznacza, że neutrino może zmieniać się z jednego rodzaju w inny podczas podróży (SN: 6.10.15). To, co zaczyna się jako neutrino mionowe, może później być wykryte jako neutrino elektronowe.

Detektory neutrin mogą zauważyć tę zmianę postaci. Ponieważ oscylacje zależą od relacji między różnymi masami neutrin, te eksperymenty nie mogą bezpośrednio mierzyć mas samych w sobie. Ale wskazują, że suma trzech mas neutrin musi być większa niż około 0,06 elektronowoltów.

To oznacza, że odrzucenie przez DESI mas neutrin większych niż około 0,07 elektronowoltów jest niepokojąco bliskie wykluczeniu całego zakresu mas dopuszczalnych przez eksperymenty oscylacyjne. Dolny i górny pułap są prawie ze sobą związane.

Nadal jest pewna swoboda — może jakby przestrzeń pełzania — dla mas neutrin, aby współgrały zarówno z kosmologią, jak i eksperymentami oscylacyjnymi. Jednak wynik DESI zaskakuje z innych powodów. Po pierwsze, wartość, którą DESI określa jako najbardziej prawdopodobną dla sumy mas neutrin, to zero — żadna masa w ogóle.

Ponadto, gdy do danych DESI i Planck dodane są dodatkowe dane kosmologiczne, takie jak katalogi wybuchających gwiazd, które również mierzą tempo ekspansji wszechświata, górny limit na masę kurczy się dalej, do mniej niż 0,05 elektronowoltów, jak donosi Di Valentino i koledzy 25 lipca na arXiv.org. Strefa pełzania jest niemal eliminowana, pozostawiając masy neutrin w czyśćcu, który jest trudny do wyjaśnienia bez proponowania nowych pomysłów na kosmos.

„Jeśli przyjmiesz wszystko dosłownie, co jest wielkim zastrzeżeniem..., to jasne jest, że potrzebujemy nowej fizyki”, mówi kosmolog Sunny Vagnozzi z Uniwersytetu Trento we Włoszech, inny autor artykułu.

Nawet bez dodania danych o supernowych, wynik DESI, jeśli traktowany poważnie, odpowiedziałby na istotne pytanie: Które neutrino jest najcięższe? Trzy masy neutrin są oznaczone raczej mało pomysłowo numerami 1, 2 i 3. W jednym możliwym scenariuszu, zwanym normalnym uporządkowaniem, masa 3 jest cięższa niż masy 1 i 2. W tzw. odwróconym uporządkowaniu, masy 1 i 2 są cięższe niż 3. Inne sformułowanie problemu: Czy są dwie stosunkowo lekkie masy neutrin i jedna trochę cięższa czy dwie ciężkie i jedna lekka?

Jeśli odwrócone uporządkowanie jest poprawne, eksperymenty oscylacyjne sugerują, że suma masy neutrin byłaby większa niż 0,1 elektronowolta. DESI ściskając masy neutrin do mniej niż 0,07 elektronowoltów nie tylko pozostawia niewiele swobody w normalnym uporządkowaniu, ale również wydaje się praktycznie wykluczyć odwrócone uporządkowanie.

„To dlatego wszyscy przesadzają”, mówi kosmolog Licia Verde z Uniwersytetu w Barcelonie, członek konsorcjum DESI.

Odrzucenie odwróconego uporządkowania miałoby duże znaczenie, przynosząc skutki dla mnóstwa teorii i eksperymentów. Uporządkowanie jest tak ważne, że naukowcy zaprojektowali ogromny eksperyment — Jiangmen Underground Neutrino Observatory w Chinach, planowany do uruchomienia w tym roku — mający na celu jego zmierzenie. Jednak fizycy cząstek nie anulują swoich planów, i nikt nie odpala korków od szampana, aby świętować upadek odwróconego uporządkowania.

Grundą jest to, że sufit masy DESI przekroczył oczekiwania. "Było zbyt dobre" - mówi kosmolog Daniel Green z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.

Biorąc pod uwagę ilość zebranych danych przez DESI, naukowcy spodziewaliby się górnego limitu dwukrotnie większego, ustalając masę na mniej więcej 0,18 elektronowoltów, mówi. Pozostaje więc możliwość odwróconego uporządkowania. W rzeczywistości DESI nie powinien był być w stanie wykluczyć odwróconego uporządkowania – jeśli odwrócone uporządkowanie było błędne – dopóki nie podjąłby kilku kolejnych lat zebranych danych.

To sprawiło, że fizycy podejrzewają, że dzieje się coś innego.

Jeśli naukowcy traktują poważnie preferencje DESI w kierunku zera masy neutrin, istnieją kilka sposobów na jej wyjaśnienie, pomimo faktu, że neutrina w laboratorium niezaprzeczalnie mają masę. Neutrina mogą rozpadać się na inne cząstki lub zanikać ze sobą, sugerują Green i jego koledzy w artykule przyjętym do Journal of High Energy Physics. Albo może masy neutrin różnią się w czasie.

Ale istnieje nawet bardziej szalona możliwość niż masa zero: masa ujemna. Green podejrzewał, że "wszystkie te dziwactwa wynikały z tego, że dane faktycznie były nieprawidłowe. [Dane] widziały 'przeciwność' neutrina.” Mianowicie neutrina o ujemnej masie.

Podczas gdy neutrina o dodatniej masie sprawiają, że wszechświat jest mniej skupiony, DESI i Planck mogą odkryć odwrotność, a mianowicie, wszechświat, który jest bardziej skupiony niż się spodziewano, co oznacza większe niż przewidziane zmienność w gęstości materii z miejsca na miejsce. Można to scharakteryzować przez bizarro neutrino z ujemną masą.

W analizie DESI, naukowcy nie pozwolili, aby masa neutrin była ujemna. Być może DESI osiągnęło zero tylko dlatego, że było zabronione zejść niżej.

Zatem Green i jego koledzy zmodyfikowali analizę, aby pozwolić na ujemne masy. Analiza skupiła się na –0,16 elektronowoltów, zgłosili badacze.

Inni znaleźli podobne wsparcie dla ujemnych mas neutrin. To "trochę szalone do powiedzenia" - mówi kosmolog Willem Elbers z Uniwersytetu w Durham w Anglii. Ujemne masy w fizyce są trudne do zdefiniowania i włączenia w teorie, powodując różne konflikty w równaniach. „W rzeczywistości nie sądzimy, że masa neutrina jest ujemna” - mówi Elbers. Zamiast tego „to jest objaw jakiegoś problemu albo w danych albo w założeniach, jakie robimy na temat ewolucji wszechświata.”

Ujemna masa może być mirażem ciemnej energii, sugerują Elbers i jego koledzy. Standardowy obraz wszechświata zakłada, że ciemna energia ma stałą gęstość, tzw. stałą kosmologiczną. Podczas gdy dane DESI wskazują, że ciemna energia jest dynamiczna – że jej gęstość zmienia się w czasie – liczba masy neutrina DESI została ustalona, zakładając stałą kosmologiczną.

Dopuszczenie dynamicznej ciemnej energii rozwiązuje sprawę masy neutrin, zgłosili Elbers i jego koledzy online 15 lipca na arXiv.org. "Rzeczywiście przesuwa to najbardziej prawdopodobną wartość z czegoś negatywnego i nierealnego na coś, co jest na właściwym miejscu" - Elbers mówi: 0,06 elektronowoltów.

Ale nie wszystkie dynamiki ciemnej energii są takie same. Najprostsze modele dynamicznej ciemnej energii, takie jak te używane przez DESI i przez Elbersa i jego kolegów, pozwalają ciemnej energii stać się „upiór” - sytuacja niespodziewana, teoretycznie. W ulubionych teoriach naukowców, gęstość ciemnej energii albo pozostaje stała, albo rozrzedza się w miarę rozprzestrzeniania przestrzeni. Z upiorną ciemną energią, gęstość wzrasta. Ten rodzaj ciemnej energii jest uważany za mniej prawdopodobny - trudniej go wyjaśnić w ramach standardowych teorii fizyki.

Użycie modelu, w którym zmienność ciemnej energii jest zabroniona, aby stać się upiorem, faktycznie pogorszyło niezgodność masy neutrina, zgłosili Vagnozzi, Di Valentino i koledzy w swoim artykule.

To pozostawia naukowców bez wygrywającego kosmologicznego wyjaśnienia, dlaczego masy neutrin są mniejsze niż oczekiwano.

Zamiast przemyślenia wszechświata, niektórzy naukowcy ponownie przyglądają się danym.

Subtelne problemy w danych mikrofalowego tła kosmicznego mogą fałszować wyniki, podejrzewają niektórzy badacze. W szczególności dane z Plancka znane są z pokazywania nieoczekiwanej nadmiarowej zgięcia obrazu tła mikrofalowego kosmicznego, które pomaga naukowcom wnioskować o masach neutrin.

Więcej zgięcia grawitacyjnego to także to, co można by oczekiwać od neutrin z ujemnymi masami. W rzeczywistości wcześniejsze próby oszacowania mas neutrin przy użyciu danych Plancka połączonych z poprzednikiem DESI również zakończyły się zaskakująco małymi szacunkami. Może być to problem Plancka.

Zaktualizowana wersja danych Plancka, korzystająca z innych metod określania mikrofalowego tła kosmicznego, redukuje to nadmierne zgięcie grawitacyjne.

Analiza oparta na tych zaktualizowanych danych Plancka oraz usunięcie dwóch odstających punktów danych DESI eliminuje dowody na ujemne masy neutrin, jak donoszą Escudero i jego koledzy online 18 lipca na stronie arXiv.org

Mając to na uwadze, Escudero mówi, „wydaje się zbyt wcześnie, aby wnioskować, że istnieje napięcie między minimalną wartością mas neutrin znaną z laboratorium a brakiem wykrywania mas neutrin w kosmologii.”

Jednak zauważa, że analiza wciąż nie wykazała dowodów na dodatnią masę neutrin.

Pomiarów kosmologicznych masy neutrin dokonuje się na podstawie różnorodnych obserwacji, co zależy od poprawności teorii kosmosu naukowców. Jeśli gdzieś jest brakujące ogniwo, to sprawia, że oszacowania masy neutrin stają się niepewne. Dlatego w przyszłości naukowcy mają nadzieję na dokładne pomiaranie masy neutrino, na Ziemi.

Doświadczenie KATRIN w Karlsruhe w Niemczech poszukuje wpływu mas neutrin na rozpady promieniotwórcze trytu, ciężkiej formy wodoru (SN: 21.04.21). Gdy jądro trytu się rozpada, emituje antyneutrino (antycząstkę bliźniaczą neutrina) i elektron. KATRIN ma na celu wykrycie efektu mas antyneutrin na energie elektronów uwolnionych w procesie rozpadu.

Jednak podczas gdy eksperymenty tego rodzaju teoretycznie mogą zmierzyć masę neutrin, ich wyniki nie są tak precyzyjne jak te z kosmologii. Suma mas neutrin musi być mniejsza niż 1,35 elektronowoltów na poziomie ufności 90 procent, jak donoszą badacze KATRIN online w czerwcu na stronie arXiv.org. Jest to znacznie słabszy limit niż ten narzucany przez kosmologię na masę. Więc choć bezpośrednie eksperymenty uważane są za bardziej niezawodne, to nie mówią one naukowcom faktycznie wiele czego nie wiedzieli już. Przyszłe bezpośrednie eksperymenty mogą dalej skupić się na masie neutrin, ale jeśli masy neutrin są tak malutkie jak zakładają to kosmolodzy, będzie wymagało poważnych postępów technologicznych.

Niemniej jednak, możliwość lepszego zrozumienia niektórych najbardziej tajemniczych cząstek we wszechświecie jest kusząca. „Bardzo interesuje mnie fakt, że patrzenie na niebo może powiedzieć coś o cząstce, która jest tak lekka, mała i podatomowa,” mówi Verde.

A jeśli naukowcy będą mogli znaleźć zgodność między neutrinami na Ziemi a w kosmosie, będą mieć dodatkowe zaufanie do tego, że ich teoria wszechświata jest poprawna, mówi Verde. „Jeśli można zbudować obraz, w którym wszystko się zgadza, łącząc oba eksperymenty, które przyglądają się bezpośredniemu nieskończenie małemu i eksperymenty, które przyglądają się bardzo dużym, to również oferuje wsparcie dla samego obrazu.”

Pytania lub komentarze na temat tego artykułu? Napisz do nas na adres [email protected] | FAQ dotyczące reprodukcji

N. Craig i in. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. W druku, 2024.

J.-Q. Jiang i in. Neutrino cosmology after DESI: tightest mass upper limits, preference for the normal ordering, and tension with terrestrial observations. arXiv:2407.18047. Przesłano 25 lipca 2024.

D. Naredo-Tuero i in. Living at the edge: a critical look at the cosmological neutrino mass bound. arXiv:2407.13831. Przesłano 18 lipca 2024.

W. Elbers i in. Negative neutrino masses as a mirage of dark energy. arXiv:2407.10965. Przesłano 15 lipca 2024.

DESI Collaboration. DESI 2024 VI: Cosmological constraints from the measurements of baryon acoustic oscillations. arXiv:2404.03002. Przesłano 3 kwietnia 2024.

Autorka fizyki Emily Conover ma doktorat z fizyki na Uniwersytecie Chicagowskim. Jest dwukrotną laureatką nagrody D.C. Science Writers’ Association Newsbrief.

Jesteśmy w krytycznym momencie i wsparcie dla dziennikarstwa klimatycznego jest ważniejsze niż kiedykolwiek. Science News i nasza organizacja macierzysta, Society for Science, potrzebują twojej pomocy, aby wzmocnić wiedzę na temat środowiska i zapewnić, że nasza reakcja na zmiany klimatyczne jest oparta na nauce.

Prosimy subskrybuj Science News i dodaj 16 USD, aby poszerzyć wiedzę naukową i zrozumienie.