En neutrino massmismatch kan skaka kosmologins grunder.

När det ungdomliga universum koagulerade under gravitationens dragning knöt materia sig till galaxer, galaxkluster och filament, vävande en bländande intrikat kosmisk väv. Denna vävs struktur är tack vare, delvis, neutrinos handarbete - lätta, subatomiska partiklar som strömmar genom kosmos i ofattbara mängder. Eftersom de far omkring med höga hastigheter och sällan interagerar med annan materia, var partiklarna inte lättfångade i det gravitationella moln av det nätet. Så deras närvaro svepte bort spindelväven, hindrade bildandet av fina detaljer i denna kosmiska spetsväv. Science News samlar läsarnas frågor om hur man navigerar planetens föränderliga klimat. Vad vill du veta om extrem värme och hur det kan leda till extrema väderhändelser? Neutrinos massor är mindre än en miljondel av den näst lättaste partikeln, elektronen, men ingen vet exakt hur massiva de är. De är den enda kända typen av grundläggande subatomisk partikel för vilken denna grundegenskap är okänd, och vissa forskare misstänker att denna saknade kunskap skulle kunna vara en ingång till en ny förståelse av fysik. "Neutrinos är en av de nyckelpartiklarna som vi inte förstår lika bra som vi gör andra, men som icke desto mindre har genomgripande kosmologiska konsekvenser," säger partikelfysiker Miguel Escudero vid det europeiska partikelfysiklaboratoriet CERN nära Genève. De små partiklarnas extraordinära roll i att forma universum betyder att de överbryggar klyftan mellan den subatomiska världen, vanligtvis studerad vid partikelacceleratorer eller fysiklaboratorier, och den kosmologiska som urskiljs genom att titta ut mot himlen. Så forskarna använder både observationer av rymden och experiment på marken i ett försök att lösa denna enorma gåta. Men om du frågar en kosmolog hur mycket neutrinos väger och frågar en partikelfysiker samma fråga, kan du få två olika svar. De två gruppernas metoder att mäta dessa massor visar tecken på en koppling. Senaste kosmologiska data som samlats in av Dark Energy Spectroscopic Instrument, eller DESI, favoriserar massor som är oväntat små och närmar sig i konflikt med dem från partikelfysikexperiment. Faktum är att vissa tolkningar av DESI data antyder att neutrinos har ingen massa eller till och med negativ massa, normalt ett förbjudet begrepp inom fysiken. Detta konstiga resultat har fått fysikerna att överväga några frestande idéer - att neutrinos massor kan förändras över universums historia, eller att de skenbara negativa massorna är en illusion orsakad av mörk energi, det mystiska fenomenet som får universum att expandera i accelererande takt. DESI, som ligger vid Kitt Peak National Observatory i Arizona, samlar detaljerade kartor över galaxer och andra objekt. I april gjorde DESI-forskare mycket väsen för att föreslå att tätheten av mörk energi kan förändras över universums historia. Neutrino-merkvärdigheten skuggades. Men under månaderna sedan dess har fysiker insett att DESI kan ha stora konsekvenser för neutrinos också. Ändå tror vissa forskare att neutrinos massmismatch inte är universellt förändrande. Istället kan det resultatera från abstrusa detaljer om hur de kosmologiska datan analyseras. Men om effekten håller, kan det antyda en massiv förändring. "Jag tror att vår beskrivning av universum är för enkel," säger kosmologen Eleonora Di Valentino vid University of Sheffield i England. "Nu när vi har mycket starka och mycket känsliga mätningar... är det dags att komplicera det lite mer." Neutrinos kommer i tre varianter - elektronneutrinos, myonneutrinos och tauneutrinos. För att komplicera saker och ting, har varje typ inte en definitiv massa utan bär en kvantblandning av tre olika massor. Idag genomtränger triumviraten kosmos med hundratals miljoner neutrinos per kubikmeter, fler än protoner med en faktor på cirka en miljard. I det tidiga universum var partiklarna ännu mer tätt packade. Även om neutrinos är extremt lätta, finns det styrka i antal. Partiklarna har kastat sin vikt runt i kosmos i miljarder år och etsat nattens sky med deras närvaro. De fladdrade inte bara omkring det normala, synliga materialet som utgör stjärnor och andra rymdfarande småsaker, utan även mörk materia, en dåligt förstådd källa till massa som ökar galaxer runt kosmos. Neutrinos samlade antal var tillräckliga inte bara för att ändra den kosmiska väven, utan också att påverka universums expansionshastighet. Dessa två faktorer tillåter forskarna att mäta neutrinos massor genom att titta ut i rymden. Neutrinos massor av större storlek skulle ha resulterat i en snabbare expansion av universum och en mindre knölig kosmos än mindre neutrinos massor.DESI kartlägger kosmiska strukturer för att bestämma expansionshastigheten genom en effekt som kallas baryoniska akustiska oscillationer, ljudvågor som avtryckte cirkulära mönster i det allra tidiga universum. Genom att följa dessa mönster vid olika tidpunkter i universums historia kan forskare följa dess tillväxt, lite som kosmiska träd ringar. Samtidigt avslöjar den kosmiska mikrovågsbakgrunden, ljus som släpptes 380 000 år efter Big Bang, kosmos klumpighet. När ljuset från den kosmiska mikrovågsbakgrunden färdas genom rymden böjs dess bana av fickor med materia på dess resa, ungefär som ljus som passerar genom en lins. Mängden av denna gravitationslinsning berättar för forskare hur klumpig kosmos är. Genom att kombinera mätningarna av klumpighet från den kosmiska mikrovågsbakgrunden och expansionshastigheten från DESI - två saker som påverkas av neutriner - kan forskare fokusera på deras massa. DESI-data, i kombination med data från den kosmiska mikrovågsbakgrunden från Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit, ger en massgräns för neutriner. Specifikt är summan av de tre neutrinosmassorna mindre än cirka 0,07 elektronvolt på 95 procents konfidensnivå, rapporterade forskare online i april på arXiv.org. (En elektronvolt är en enhet som fysiker använder för att kvantifiera massa. En elektrons massa är cirka 511 000 elektronvolt.) Förutom en massgräns för neutriner finns det också en botten, baserad på laboratoriepartikelfysikexperiment. Dessa experiment mäter en fenomen som kallas neutrinooscillationer, vilket beror på att varje typ av neutrino är en kvantblandning av olika massor. Masseblandningen innebär att neutriner kan ändras från en variant till en annan när de reser (SN: 10/6/15). Vad som börjar som en myonneutrino kan senare upptäckas som en elektronneutrino. Neutrino-detektorer kan upptäcka denna formförändring. Eftersom oscillationer beror på förhållandet mellan de olika neutrino massorna kan dessa experiment inte direkt mäta massorna själva. Men de indikerar att summan av de tre neutrino massorna måste vara större än cirka 0,06 elektronvolt. Det betyder att DESIs avvisande av neutrino massor på mer än cirka 0,07 elektronvolt är oroande nära att utesluta hela intervallet av massor tillåtna av oscillerande experiment. Golvet och taket är nästan vidrörande. Det finns fortfarande lite rörelseutrymme - en plats att krypa, kanske - för neutrino massor att leva i harmoni med både kosmologi och oscillerande experiment. Men DESIs resultat är överraskande av andra skäl. För det första är det värde som DESI pekar ut som mest sannolikt för summan av neutrino massorna noll - ingen massa alls. Dessutom, när ytterligare kosmologiska data läggs till DESI- och Planck-data, som kataloger över exploderande stjärnor som också mäter universums expansionshastighet, minskar den övre gränsen för massan ytterligare, till mindre än 0,05 elektronvolt, rapporterade Di Valentino och kollegor den 25 juli på arXiv.org. Kryputrymmet eliminerar i princip, vilket gör att neutrino massorna befinner sig i ett skärsår som är svårt att förklara utan att föreslå nya idéer om kosmos. "Om du tar allt på fullt allvar, vilket är en enorm variabel…, behöver vi tydligt ny fysik," säger kosmologen Sunny Vagnozzi från universitetet i Trento i Italien, en annan författare till pappret. Även utan tillsatsen av supernovadata skulle DESIs resultat, om det tas på allvar, besvara en stor fråga: Vilken neutrino är tyngre? De tre neutrinosmassorna är märkta ganska oinspirerande med siffrorna 1, 2 och 3. I ett möjligt scenario kallat den normala ordning, är massa 3 tyngre än massorna 1 och 2. I det som kallas den omvända ordningen är massorna 1 och 2 tyngre än 3. Ett annat sätt att uttrycka problemet: Finns det två relativt lätta neutrino massor och en något tyngre eller två tunga och en lätt? Om den omvända ordningen är korrekt antyder oscillerande experiment att summan av neutrino massorna skulle vara mer än 0,1 elektronvolt. DESI pressar ner neutrino massorna till mindre än 0,07 elektronvolt inte bara lämnar den normala ordningen med lite rörelseutrymme, utan det verkar också i princip utesluta den omvända ordningen. "Därför går alla överstyr," säger kosmologen Licia Verde från universitetet i Barcelona, en medlem av DESI-samarbetet. Att avskaffa den omvända ordningen skulle vara viktigt, med återverkningar för en rad teorier och experiment. Ordningen är så viktig att forskarna utformade ett enormt experiment - Jiangmens underjordiska neutrinobservatorium i Kina, som planeras att starta upp i år - som syftar till att mäta den. Men partikelfysiker ställer inte in sina planer och ingen börjar öppna champagneflaskor för att fira avlivandet av den omvända ordningen.Anledningen är att DESI:s massagräns översteg förväntningarna. "Den var för bra," säger kosmologen Daniel Green vid University of California, San Diego. Med tanke på mängden data som DESI samlade in hade forskarna förväntat sig en övre gräns som var mer än dubbelt så stor, vilket skulle sätta massan till mindre än cirka 0,18 elektronvolt, säger han och lämnar möjligheten till omvänd ordning oskadad och frisk. Faktum är att DESI inte förväntades kunna utesluta den omvända ordningen - om den omvända ordningen var fel - förrän det hade tagit flera år till av data. Det har fått fysiker att misstänka att något annat är på gång. Om forskarna tar DESI:s preferens för noll neutrino massa på allvar finns det några sätt att förklara det, trots att neutriner i labbet ovedersägligen har massa. Neutriner kunde sönderfalla i andra partiklar eller utplåna varandra, föreslår Green och kollegor i en artikel som accepterats i tidskriften Journal of High Energy Physics. Eller kanske varierar neutrinoernas massor över tid. Men det finns en ännu vildare möjlighet än noll massa: negativ massa. Green misstänkte att "allt detta konstiga beteende berodde på att data faktiskt gick åt fel håll. [Data] såg 'motsatsen' av en neutrino." Nämligen en neutrino med negativ massa. Medan neutriner med positiv massa gör universum mindre klumpigt, kan DESI och Planck hitta motsatsen, ett universum som är klumpigare än förväntat, vilket betyder att det har en större än förutsagd variation i tätheten av materia från plats till plats. Det kunde konceptualiseras av en bizarro neutrino med negativ massa. I DESI-analysen tilläts forskarna inte att neutrino massan skulle gå negativ. Kanske hamnade DESI på noll bara för att det var förbjudet att gå lägre. Så Green och kollegor justerade analysen för att tillåta negativa massor. Analysen snävade in på -0,16 elektronvolt, rapporterade forskarna. Andra fann liknande stöd för negativa neutrino massor. Det är "en ganska galen sak att säga," säger kosmologen Willem Elbers vid Durham University i England. Negativa massor inom fysiken är svåra att definiera och inkorporera i teorier, vilket orsakar alla slags konflikter i ekvationer. "Vi tror faktiskt inte att neutrino massan är negativ," säger Elbers. Istället är det "ett symptom på något problem antingen i datan eller i de antaganden vi gör om hur universum utvecklas." Den negativa massan kan vara ett sken av mörk energi, föreslår Elbers och kollegor. Den standardbild av universum antar att mörk energi har en konstant täthet, det som kallas en kosmologisk konstant. Medan DESI data antyder att mörk energi är dynamisk - att dess täthet förändras över tid - bestämdes DESI:s neutrino massnummer under antagandet om en kosmologisk konstant. Att tillåta dynamisk mörk energi löser neutrino massproblemet, rapporterade Elbers och kollegor online den 15 juli på arXiv.org. "Det skiftar faktiskt det mest sannolika värdet från något negativt och onaturligt till något som är rätt på prick," säger Elbers: 0,06 elektronvolt. Men inte all dynamisk mörk energi är lik. De enklaste modellerna av dynamisk mörk energi, som den som användes av DESI och av Elbers och kollegor, tillåter mörk energi att bli "fantom", en oväntad situation, teoretiskt sett. I forskarnas favoritteorier förblir mörk energi antingen konstant eller blir diluerad när rymden expanderar. Med fantom mörk energi ökar tätheten istället. Den typen av mörk energi anses mindre sannolik - det är svårt att förklara inom standard fysikteorier. Att använda en modell där mörk energis varians förbjuds från att bli fantom gjorde faktiskt neutrino massans oenighet värre, rapporterade Vagnozzi, Di Valentino och kollegor i deras artikel. Det lämnar forskarna utan en vinnande kosmologisk förklaring till varför neutrino massorna är mindre än förväntat. Istället för att ompröva universum tar vissa forskare en andra titt på datan. Subtila problem i data från den kosmiska mikrovågsbakgrunden kan snedvrida saker, misstänker vissa forskare. Särskilt data från Planck är känt för att visa ett oväntat överskott av gravitationslinsning, den krökning av den kosmiska mikrovågsbakgrundens ljus som hjälper forskare att dra slutsatser om neutrino massorna. Mer gravitationslinsning är också vad man förväntar sig av neutriner med negativa massor. Faktum är att tidigare försök att uppskatta neutrino massorna med hjälp av Planck data kombinerade med en föregångare till DESI hamnade också på oväntat små uppskattningar. Kanske är Planck problemet. En uppdaterad version av Planck data, med olika metoder för att kartlägga den kosmiska mikrovågsbakgrunden, minskar denna överdrivna gravitationslinsning.En analys baserad på den uppdaterade Planck-data och eliminering av två utstickande DESI-data punkter, eliminerade bevisen för negativa neutrino massa, rapporterade Escudero och kollegor online den 18 juli på arXiv.org Med tanke på det, säger Escudero, "det verkar förhastat att dra slutsatsen att det finns en spänning mellan det minsta värdet av neutrino massor vi känner från laboratoriet och bristen på upptäckt av neutrino massor i kosmologi." Men, noterar han, analysen fann fortfarande inga bevis för en positiv mass för neutriner. De kosmologiska mätningarna av neutrino mass förlitar sig på olika observationer, och de hänger på korrektheten av forskarnas teori om kosmos. Om det saknas en länk någonstans gör det neutrino mass uppskattningarna opålitliga. Så i framtiden hoppas forskarna kunna mäta neutrino massen direkt, på jorden. KATRIN-experimentet i Karlsruhe, Tyskland, söker efter påverkan av neutriner mass på radioaktiva sönderfall av tritium, en tung form av väte (SN: 4/21/21). När tritiumkärnan sönderfaller utsänder den en antineutrino (antisubstans tvilling av en neutrino) och en elektron. KATRIN syftar till att upptäcka effekten av antineutrinos mass på energierna hos de elektroner som frigörs vid sönderfallet. Men även om experiment som detta teoretiskt sett skulle kunna mäta neutrino massan, är deras resultat inte nästan lika exakta som de från kosmologi. Summan av neutrino massorna måste vara mindre än 1,35 elektron volt med 90 procents konfidensnivå, rapporterade KATRIN-forskarna online i juni på arXiv.org. Det är en mycket svagare gräns än vad kosmologin sätter på massan. Så även om direkta experiment anses vara mer tillförlitliga, säger de egentligen inte mycket till forskarna som de inte redan visste. Framtida direkta experiment kan ytterligare fokusera på neutrino massan, men om neutrino massorna är lika små som kosmologerna tror kommer det att krävas allvarliga teknologiska framsteg. Ändå är möjligheten till en bättre förståelse av några av de mest mystiska partiklarna i kosmos lockande. "Jag tycker att det är särskilt intressant att titta upp på himlen kan berätta något om en partikel som är så lätt och liten och subatomisk," säger Verde. Och om forskarna kan hitta överensstämmelse mellan neutriner på jorden och i rymden kommer de ha extra förtroende för att deras teori om universum är korrekt, säger Verde. "Om du kan bygga en bild där allt hänger ihop, genom att kombinera både experiment som tittar direkt på det oändligt små och experiment som tittar på de mycket stora, så erbjuder det också stöd till bilden själv." Frågor eller kommentarer om den här artikeln? E-posta oss på [email protected] | Reprints FAQ N. Craig et al. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. In press, 2024. J.-Q. Jiang et al. Neutrino cosmology after DESI: tightest mass upper limits, preference for the normal ordering, and tension with terrestrial observations. arXiv:2407.18047. Submitted July 25, 2024. D. Naredo-Tuero et al. Living at the edge: a critical look at the cosmological neutrino mass bound. arXiv:2407.13831. Submitted Jul 18, 2024. W. Elbers et al. Negative neutrino masses as a mirage of dark energy. arXiv:2407.10965. Submitted July 15, 2024. DESI Collaboration. DESI 2024 VI: Cosmological constraints from the measurements of baryon acoustic oscillations. arXiv:2404.03002. Submitted April 3, 2024. Fysikskribent Emily Conover har en doktorsexamen i fysik från University of Chicago. Hon är tvåfaldig vinnare av D.C. Science Writers 'Association Newsbrief-utmärkelsen. Vi är i en kritisk tid och att stödja klimatjournalistik är viktigare än någonsin. Science News och vår moderorganisation, Society for Science, behöver din hjälp för att stärka miljöläskunnigheten och säkerställa att vårt svar på klimatförändringarna är informerat av vetenskapen. Vänligen prenumerera på Science News och lägg till $16 för att expandera vetenskaplig läskunnighet och förståelse.