Während das Netz aus dunkler Materie (Purpur) die Bildung der kosmischen Struktur an sich zu bestimmen scheint, kann die Rückmeldung normaler Materie (rot) die galaktischen Skalen stark beeinflussen. Sowohl dunkle als auch normale Materie in den richtigen Verhältnissen sind erforderlich, um das Universum zu erklären, während wir es beobachten. Neutrinos sind allgegenwärtig, aber helle Neutrinos können nicht den größten Teil (oder sogar einen erheblichen Teil) der dunklen Materie ausmachen. (ILLUSTRIS ZUSAMMENARBEIT / ILLUSTRIS SIMULATION)

Wie viel von der dunklen Materie könnten Neutrinos sein?

Sie sind die einzigen Partikel des Standardmodells, die sich wie dunkle Materie verhalten. Aber sie können nicht die ganze Geschichte sein.

Überall im Universum gibt es mehr als das, was wir sehen können. Wenn wir auf die Sterne schauen, die sich in Galaxien bewegen, die Galaxien, die sich in Gruppen und Clustern bewegen, oder auf die größten Strukturen, aus denen sich das kosmische Netz zusammensetzt, erzählt alles die gleiche beunruhigende Geschichte Schwerkrafteffekte, die auftreten. Zusätzlich zu den Sternen, Gas, Plasma, Staub, Schwarzen Löchern und anderen Dingen muss etwas anderes vorhanden sein, das einen zusätzlichen Schwerkrafteffekt verursacht.

Traditionell haben wir diese dunkle Materie genannt und müssen unbedingt die gesamte Reihe von Beobachtungen im gesamten Universum erklären. Es kann zwar nicht aus normaler Materie bestehen - aus Protonen, Neutronen und Elektronen -, aber wir haben ein bekanntes Teilchen, das das richtige Verhalten haben könnte: Neutrinos. Lassen Sie uns herausfinden, wie viel Neutrinos aus der dunklen Materie sein könnten.

Das Neutrino wurde erstmals 1930 vorgeschlagen, wurde aber erst 1956 aus Kernreaktoren nachgewiesen. In den Jahren und Jahrzehnten haben wir Neutrinos von der Sonne, von kosmischen Strahlen und sogar von Supernovae entdeckt. Hier sehen wir die Konstruktion des Panzers, der im Solarneutrino-Experiment in der Goldmine Homestake aus den 1960er Jahren verwendet wurde.

Auf den ersten Blick sind Neutrinos der perfekte Kandidat für dunkle Materie. Sie interagieren kaum mit normaler Materie und absorbieren oder emittieren kein Licht, was bedeutet, dass sie kein beobachtbares Signal erzeugen, das von Teleskopen aufgenommen werden kann. Gleichzeitig ist es unvermeidlich, dass das Universum in den extrem frühen, heißen Stadien des Urknalls enorme Mengen von ihnen hervorbringt, weil sie durch die schwache Kraft interagieren.

Wir wissen, dass es noch Photonen vom Urknall gibt, und kürzlich haben wir auch indirekte Hinweise darauf gefunden, dass auch Neutrinos übrig sind. Im Gegensatz zu den masselosen Photonen ist es möglich, dass Neutrinos eine Masse ungleich Null haben. Wenn sie den richtigen Wert für ihre Masse haben, basierend auf der Gesamtzahl der vorhandenen Neutrinos (und Antineutrinos), könnten sie möglicherweise 100% der dunklen Materie ausmachen.

Die größten Beobachtungen im Universum, vom kosmischen Mikrowellenhintergrund über das kosmische Netz, über Galaxienhaufen bis hin zu einzelnen Galaxien, erfordern alle dunkle Materie, um zu erklären, was wir beobachten. Die großräumige Struktur erfordert es, aber die Keime dieser Struktur vom kosmischen Mikrowellenhintergrund erfordern es auch. (CHRIS BLAKE UND SAM MOORFIELD)

Wie viele Neutrinos gibt es also? Das hängt von der Anzahl der Arten (oder Arten) von Neutrino ab.

Obwohl wir Neutrinos direkt unter Verwendung riesiger Materialtanks entdecken können, um ihre seltenen Wechselwirkungen mit Materie zu erfassen, ist dies unglaublich ineffizient und wird nur einen kleinen Bruchteil davon erfassen. Wir können Neutrinos sehen, die das Ergebnis von Teilchenbeschleunigern, Kernreaktoren, Fusionsreaktionen in der Sonne und kosmischen Strahlen sind, die mit unserem Planeten und unserer Atmosphäre interagieren. Wir können ihre Eigenschaften messen, einschließlich der Art und Weise, wie sie sich ineinander verwandeln, nicht jedoch die Gesamtzahl der Neutrino-Typen.

In dieser Abbildung hat ein Neutrino mit einem Eismolekül interagiert und ein Sekundärteilchen - ein Myon - gebildet, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit im Eis bewegt und eine Spur blaues Licht hinterlässt. Das direkte Erkennen von Neutrinos war eine herkulische, aber erfolgreiche Anstrengung, und wir versuchen immer noch, die ganze Suite ihrer Natur herauszufinden. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die kritische Messung der Teilchenphysik vorzunehmen, und sie kommt von einem ziemlich unerwarteten Ort: dem Zerfall des Z-Bosons. Das Z-Boson ist das neutrale Boson, das die schwache Wechselwirkung vermittelt und bestimmte Arten schwacher Zerfälle ermöglicht. Das Z verbindet sich mit Quarks und Leptonen, und wenn Sie in einem Collider-Experiment eines erstellen, besteht die Möglichkeit, dass es einfach in zwei Neutrinos zerfällt.

Diese Neutrinos werden unsichtbar sein! Normalerweise können wir die Neutrinos, die wir durch Kollisionen von Partikeln erzeugen, nicht erkennen, da dazu ein Detektor mit der Dichte eines Neutronensterns erforderlich wäre. Indem wir jedoch messen, wie viel Prozent der Zerfälle „unsichtbare“ Signale erzeugen, können wir ableiten, wie viele Arten von Licht-Neutrino (deren Masse weniger als die Hälfte der Z-Boson-Masse beträgt). Es ist ein spektakuläres und eindeutiges Ergebnis, das seit Jahrzehnten bekannt ist: Es gibt drei.

Dieses Diagramm zeigt die Struktur des Standardmodells und veranschaulicht die wichtigsten Beziehungen und Muster. Dieses Diagramm zeigt insbesondere alle Partikel im Standardmodell, die Rolle des Higgs-Bosons und die Struktur der elektroschwachen Symmetrie, die zeigt, wie der Higgs-Vakuumerwartungswert die elektroschwache Symmetrie bricht und wie sich die Eigenschaften der restlichen Partikel ändern als Konsequenz. Beachten Sie, dass das Z-Boson sowohl mit Quarks als auch mit Leptonen gekoppelt ist und durch Neutrino-Kanäle zerfallen kann. (LATHAM BOYLE UND MARDUS VON WIKIMEDIA COMMONS)

Um auf die dunkle Materie zurückzukommen, können wir basierend auf den verschiedenen Signalen, die wir sehen, berechnen, wie viel zusätzliche dunkle Materie notwendig ist, um uns die richtige Menge an Gravitation zu geben. In jeder Hinsicht wissen wir, wie man aussieht, einschließlich:

  • von kollidierenden Galaxienhaufen,
  • von Galaxien, die sich innerhalb von Röntgenstrahlen emittierenden Clustern bewegen,
  • von den Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund,
  • von den Mustern in der großräumigen Struktur des Universums,
  • und aus den inneren Bewegungen von Sternen und Gas innerhalb einzelner Galaxien,

Wir stellen fest, dass wir etwa das Fünffache der Fülle normaler Materie benötigen, um in Form von dunkler Materie zu existieren. Es ist ein großer Erfolg der dunklen Materie für die moderne Kosmologie, dass allein durch das Hinzufügen einer Zutat zur Lösung eines Rätsels eine ganze Reihe anderer Beobachtungsrätsel gelöst werden.

Vier kollidierende Galaxienhaufen zeigen die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (pink) und Gravitation (blau) und weisen auf dunkle Materie hin. In großen Maßstäben ist kalte dunkle Materie erforderlich, und es ist keine Alternative oder Alternative erforderlich. (X-RAY: NASA / CXC / UVIC. / A.MAHDAVI ET AL. OPTICAL / LENSING: CFHT / UVIC. / A MAHDAVI ET AL (TOP LINKS); X-RAY: NASA / CXC / UCDAVIS / W.DAWSON ua; OPTISCH: NASA / STSCI / UCDAVIS / W.DAWSON ET. (OBEN RECHTS); ESA / XMM-NEWTON / F. GASTALDELLO (INAF / IASF, MILANO, ITALIEN) / CFHTLS (UNTEN LINKS); X-RAY: NASA, ESA, CXC, M. BRADAC (UNIVERSITÄT KALIFORNIEN, SANTA BARBARA) und S. ALLEN (STANFORD UNIVERSITY) ))

Wenn Sie drei Arten von hellem Neutrino haben, würde dies nur eine relativ geringe Masse für die gesamte dunkle Materie bedeuten: ein paar Elektronenvolt (etwa 3 oder 4 eV) pro Neutrino würden dies tun. Das leichteste Teilchen, das im Standardmodell neben dem Neutrino gefunden wird, ist das Elektron. Dieses hat eine Masse von etwa 511 keV oder Hunderttausende Male die Neutrino-Masse, die wir wollen.

Leider gibt es zwei große Probleme mit leichten Neutrinos, die so massiv sind. Im Detail reicht die Vorstellung von massiven Neutrinos nicht aus, um 100% der dunklen Materie zu bilden.

Ein entfernter Quasar hat einen großen Buckel (rechts), der vom Übergang der Lyman-Reihe in seinen Wasserstoffatomen herrührt. Auf der linken Seite erscheint eine Reihe von Linien, die als Wald bezeichnet werden. Diese Einbrüche sind auf die Absorption von dazwischenliegenden Gaswolken und die Tatsache zurückzuführen, dass die Einbrüche die Stärken haben, die sie der Temperatur der dunklen Materie auferlegen. Es kann nicht heiß sein. (M. RAUCH, ARAA V. 36, 1, 267 (1998))

Das erste Problem ist, dass Neutrinos, wenn sie die dunkle Materie sind, eine Form heißer dunkler Materie wären. Sie haben vielleicht schon früher den Ausdruck „kalte dunkle Materie“ gehört, und das bedeutet, dass sich die dunkle Materie im Vergleich zu früher schnell mit der Lichtgeschwindigkeit bewegen muss.

Warum?

Wenn dunkle Materie heiß wäre und sich schnell bewegte, würde sie das Wachstum der kleinräumigen Struktur durch leichtes Herausfließen verhindern. Die Tatsache, dass wir Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen bilden, schließt dies so früh aus. Die Tatsache, dass wir die schwachen Objektivsignale sehen, schließt dies aus. Die Tatsache, dass wir das Muster der Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund sehen, schließt dies aus. Und direkte Messungen von Gaswolken im frühen Universum durch eine als Lyman-α-Wald bekannte Technik schließen dies definitiv aus. Dunkle Materie kann nicht heiß sein.

Die Strukturen der dunklen Materie, die sich im Universum bilden (links), und die sichtbaren galaktischen Strukturen, die daraus entstehen (rechts), werden von oben nach unten in einem kalten, warmen und heißen dunklen Materieuniversum dargestellt. Nach den Beobachtungen müssen mindestens 98% der dunklen Materie kalt sein. (ITP, UNIVERSITÄT ZÜRICH)

In einer Reihe von Kollaborationen wurden die Schwingungen einer Spezies von Neutrinos zu einer anderen gemessen, wodurch wir die Massenunterschiede zwischen den verschiedenen Arten ableiten können. Seit den 1990er Jahren konnten wir schließen, dass die Massendifferenz zwischen zwei Arten in der Größenordnung von etwa 0,05 eV liegt und die Massendifferenz zwischen zwei verschiedenen Spezies etwa 0,009 eV beträgt. Direkte Einschränkungen für die Masse des Elektron-Neutrinos kommen von Tritium-Zerfallsexperimenten und zeigen, dass das Elektron-Neutrino weniger massiv sein muss als etwa 2 eV.

Ein Neutrino-Ereignis, erkennbar an den Ringen der Cerenkov-Strahlung, die entlang der Photovervielfacherröhren an den Detektorwänden erscheinen, zeigt die erfolgreiche Methodik der Neutrino-Astronomie. Dieses Bild zeigt mehrere Ereignisse und ist Teil einer Reihe von Experimenten, die zu einem besseren Verständnis von Neutrinos führen. (SUPER KAMIOKANDE ZUSAMMENARBEIT)

Darüber hinaus sagt der kosmische Mikrowellenhintergrund (von Planck) und die großflächigen Strukturdaten (von Sloan Digital Sky Survey) aus, dass die Summe aller Neutrino-Massen höchstens etwa 0,1 eV beträgt, da dies zu viel heiße dunkle Materie wäre beeinflussen diese Signale definitiv. Aus den besten Daten, die wir haben, scheint es, dass die Massenwerte der bekannten Neutrinos sehr nahe an den niedrigsten Werten liegen, die die Neutrinooszillationsdaten implizieren.

Mit anderen Worten, nur ein winziger Bruchteil der Gesamtmenge der dunklen Materie darf in Form von hellen Neutrinos vorliegen. Angesichts der heutigen Einschränkungen können wir daraus schließen, dass etwa 0,5% bis 1,5% der Dunklen Materie aus Neutrinos bestehen. Dies ist nicht unerheblich. Die leichten Neutrinos im Universum haben ungefähr die gleiche Masse wie alle Sterne im Universum. Ihre Auswirkungen auf die Schwerkraft sind jedoch minimal und sie können die benötigte dunkle Materie nicht ausmachen.

Das Sudbury-Neutrino-Observatorium, das dazu beigetragen hat, Neutrinooszillationen und die Massivität von Neutrinos zu demonstrieren. Mit zusätzlichen Ergebnissen von atmosphärischen, solaren und terrestrischen Observatorien und Experimenten können wir möglicherweise nicht die ganze Reihe dessen erklären, was wir mit nur 3 Standard-Modell-Neutrinos beobachtet haben Materieller Kandidat. (A. B. MCDONALD (QUEEN'S UNIVERSITY) ET AL., DAS BEOBACHTUNGSINSTITUT SUDBURY NEUTRINO)

Es gibt jedoch eine exotische Möglichkeit, dass Neutrinos möglicherweise immer noch die Chance haben, in der Welt der dunklen Materie einen großen Sprung zu machen: Möglicherweise gibt es einen neuen, zusätzlichen Typ von Neutrino. Sicher, wir müssen uns an alle Beschränkungen der Teilchenphysik und Kosmologie anpassen, die wir bereits haben, aber es gibt eine Möglichkeit, dies zu erreichen: Um zu fordern, dass es ein neues, zusätzliches Neutrino gibt, ist es steril.

Ein steriles Neutrino hat nichts mit Geschlecht oder Fruchtbarkeit zu tun; es bedeutet nur, dass es heute nicht durch die herkömmlichen schwachen Wechselwirkungen interagiert und dass ein Z-Boson nicht mit ihm verbunden ist. Wenn Neutrinos jedoch zwischen den herkömmlichen, aktiven und einem schwereren, sterilen Typ oszillieren können, können sie sich nicht nur wie kalt verhalten, sondern 100% der dunklen Materie ausmachen. Es gibt abgeschlossene Experimente wie LSND und MiniBooNe sowie geplante oder in Vorbereitung befindliche Experimente wie MicroBooNe, PROSPECT, ICARUS und SBND, die stark darauf hindeuten, dass sterile Neutrinos ein echter, wichtiger Teil unseres Universums sind.

Schema des MiniBooNE-Experiments im Fermilab. Ein hochintensiver Strahl aus beschleunigten Protonen wird auf ein Ziel fokussiert, wodurch Pionen erzeugt werden, die überwiegend in Myonen und Myon-Neutrinos zerfallen. Der resultierende Neutrino-Strahl wird durch den MiniBooNE-Detektor charakterisiert. (APS / ALAN STONEBRAKER)

Wenn wir uns nur auf das Standardmodell beschränken, können wir einfach nicht die dunkle Materie berücksichtigen, die in unserem Universum vorhanden sein muss. Keines der Teilchen, die wir kennen, hat das richtige Verhalten, um alle Beobachtungen zu erklären. Wir können uns ein Universum vorstellen, in dem Neutrinos relativ große Mengen an Masse haben, und dies würde zu einem Universum mit erheblichen Mengen an Dunkler Materie führen. Das einzige Problem ist, dass dunkle Materie heiß sein würde und zu einem deutlich anderen Universum führen würde, als wir es heute sehen.

Die uns bekannten Neutrinos verhalten sich jedoch wie dunkle Materie, obwohl sie nur etwa 1% der gesamten dunklen Materie ausmachen. Das ist nicht völlig unbedeutend. es entspricht der Masse aller Sterne in unserem Universum! Und aufregend, wenn es wirklich eine sterile Neutrino-Spezies gibt, sollte eine Reihe von Experimenten dies in den nächsten Jahren zeigen. Dunkle Materie mag eines der größten Geheimnisse sein, aber dank Neutrinos haben wir eine Chance, sie zumindest ein bisschen zu verstehen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Anhänger erneut auf Medium veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher geschrieben: Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.