Imazhi: Rrjeti i ndërlikuar i lëndës në kozmos (treguar në një simulim kompjuterik) është formësuar, pjesërisht, nga neutrinot dhe masat e tyre të panjohura.
Vlerësimet hutuese të masave të neutrinos kanë bërë që studiuesit të shqyrtojnë ide të reja rreth kozmosit.
ScienceNews: Nga Emily Conover, 20 SHTATOR 2024,
A neutrino mass mismatch could shake cosmology’s foundations (1)
Përkthimi shqip:
Ndërsa universi rinor mblidhej nën tërheqjen e gravitetit, lënda u lidh me galaktikat, grumbujt galaktikë dhe filamentet, duke thurur një rrjetë kozmike jashtëzakonisht të ndërlikuar. Struktura e këtij uebi është pjesërisht falë punimit të dorës së neutrinos — grimcave të lehta dhe subatomike që vërshojnë nëpër kozmos në numra të paimagjinueshëm.
Duke qenë se ato vërtiten me shpejtësi të lartë dhe rrallë ndërveprojnë me lëndë të tjera, grimcat nuk u kapën lehtë në molasin gravitacional të asaj latticework. Kështu që prania e tyre i fshiu rrjetat e cobwebs, duke penguar formimin e detajeve të shkëlqyera në këtë filigran kozmik.
Masat e neutrinos janë më pak se një e milionta ajo e grimcës tjetër më të lehtë, elektronit, por askush nuk e di saktësisht se sa masive janë ato. Ato janë lloji i vetëm i njohur i grimcave themelore subatomike për të cilat kjo pronë bazë është e panjohur, dhe disa studiues dyshojnë se kjo njohuri e munguar mund të jetë një portë për një kuptim të ri të fizikës.
“Neutrinot janë një nga grimcat kyçe që ne nuk i kuptojmë si dhe të tjerët, por që kanë megjithatë pasoja të thella kozmologjike,” thotë kozmologu i grimcave Miguel Escudero i laboratorit evropian të fizikës së grimcave CERN pranë Gjenevës.
Roli i grimcave të vogla në skulpturimin e universit do të thotë se ato lidhin hendekun midis botës subatomike, zakonisht të studiuara në përshpejtuesit e grimcave ose laboratorët e fizikës, dhe atë kozmologjike të dalluar duke parë qiellin. Kështu që shkencëtarët po përdorin si vëzhgimet e hapësirës, ashtu edhe eksperimentet në terren në përpjekje për të zgjidhur këtë mister masiv.
Por nëse pyet një kozmolog se sa peshojnë neutrinot dhe i bën një fizikani grimcash të njëjtën pyetje, mund të marrësh dy përgjigje të ndryshme. Metodat e të dy grupeve për të zbuluar këto masa po tregojnë shenja të një shkëputjeje.
Të dhënat e fundit kozmologjike të mbledhura nga Dark Energy Spectroscopic Instrument, ose DESI, favorizojnë masat që janë papritur të vogla dhe zvarriten afër konfliktit me ato të eksperimenteve të fizikës së grimcave. Në fakt, disa interpretime të të dhënave të DESI sugjerojnë se neutrinot nuk kanë masë apo edhe masë negative,
Të dhënat e fundit kozmologjike të mbledhura nga Dark Energy Spectroscopic Instrument, ose DESI, favorizojnë masat që janë papritur të vogla dhe zvarriten afër konfliktit me ato të eksperimenteve të fizikës së grimcave. Në fakt, disa interpretime të të dhënave të DESI sugjerojnë se neutrinot nuk kanë masë apo edhe masë negative, normalisht një koncept të ndaluar në fizikë (SN: 11/21/14).
Rezultati i çuditshëm ka fizikantët që konsiderojnë disa ide tantalifikuese – se masat e neutrinos mund të ndryshojnë gjatë historisë së universit, ose se masat negative të dukshme janë një iluzion i shkaktuar nga energjia e errët, fenomeni misterioz që bën që universi të zgjerohet me një ritëm përshpejtues.
DESI, i vendosur në Kitt Peak National Observatory në Arizona, mbledh harta të detajuara të galaktikave dhe objekteve të tjera. Në prill, shkencëtarët e DESI bënë bujë për të sugjeruar se dendësia e energjisë së errët mund të ndryshojë mbi historinë e universit (SN: 4/4/24). Çudia e neutrinos ishte lënë në hije. Por në muajt që pasuan, fizikantët e kanë kuptuar se DESI mund të ketë pasoja të mëdha edhe për neutrinot.
Megjithatë, disa shkencëtarë mendojnë se mospërputhja masive e neutrinos nuk është shkatërrimtare e universit. Në vend të kësaj, ajo mund të rezultojë nga detaje abstruse në lidhje me mënyrën se si analizohen të dhënat kozmologjike.
Por nëse efekti qëndron lart, kjo mund të nënkuptojë një ndryshim masiv. «Mendoj se përshkrimi ynë për universin është tepër i thjeshtë», —thotë kozmologia Eleonora Di Valentino e Universitetit të Sheffieldit në Angli. “Tani që kemi matje shumë të forta dhe shumë të ndjeshme … Është koha ta komplikojmë pak.”
Konfuzion masiv rreth masave neutrino
Neutrinot vijnë në tre varietete : neutrinot elektrone, neutrinot muon dhe neutrinot tau. Për t’i bërë gjërat më të ndërlikuara, çdo tip nuk ka një masë të caktuar, por mbart një përzierje kuantike prej tre masash të ndryshme.
Sot, triumvirati mbyt kozmosin me qindra milionë neutrino për metër kub, duke i kaluar protonet me një faktor prej rreth një miliard. Në universin e hershëm, grimcat ishin edhe më të dendura të paketuara.
Edhe pse neutrinot janë jashtëzakonisht të lehta, ka forcë në numër. Grimcat e kanë hedhur peshën e tyre rreth kozmosit për miliarda vjet, duke gërryer në mënyrë të pashlyeshme qiellin e natës me praninë e tyre. Ata flitted rreth jo vetëm normale, materien e dukshme që përbën yjet dhe sundries të tjera spacefaring, por edhe materien e errët, një burim i keqkuptuar i masës që grumbullon galaktikat rreth kozmosit.
Numrat e kombinuar të Neutrinos ishin të mjaftueshme jo vetëm për të ndryshuar rrjetën kozmike, por edhe për të ndikuar në shkallën e zgjerimit të universit. Këta dy faktorë i lejojnë shkencëtarët të vlerësojnë masat e neutrinos duke parë në hapësirë. Masat neutrino në anën më të madhe do të kishin rezultuar në një zgjerim më të shpejtë të universit dhe një kozmos më pak të ngjeshur se masat më të vogla neutrino.
DESI harton strukturat kozmike për të përcaktuar atë normë zgjerimi, nëpërmjet një efekti të njohur si oscilacionet akustike baryon, valët zanore që ngulitnin modele rrethore në universin shumë të hershëm. Duke gjurmuar këto modele në pika të ndryshme të historisë së universit, shkencëtarët mund të gjurmojnë rritjen e tij, pak si unazat kozmike të pemëve.
Ndërkohë, sfondi kozmik i mikrovalëve, drita e lëshuar 380,000 vjet pas Big Bangut, zbulon zmadhimin e kozmosit. Ndërsa drita nga sfondi kozmik i mikrovalëve përshkon hapësirën, trajektorja e saj është e përkulur nga xhepat e materies në udhëtimin e saj, pak a shumë si drita që kalon përmes një lente. Sasia e këtij lente gravitacionale u tregon shkencëtarëve se sa i mpirë është kozmosi.
Kombinimi i matjeve të ngjeshjes nga sfondi kozmik i mikrovalëve dhe shkalla e zgjerimit nga DESI — dy gjëra që ndikojnë neutrinot — i lejon shkencëtarët të hyjnë në masën e tyre.
Të dhënat e DESI, në kombinim me të dhënat kozmike të sfondit të mikrovalëve nga sateliti Planck i Agjencisë Evropiane të Hapësirës, ofrojnë një tavan masiv për neutrinot. Më saktë, shuma e tre masave neutrino është më pak se rreth 0.07 volts elektron në nivelin e besimit 95 për qind, studiuesit raportuan online në prill në arXiv.org. (Një volt elektron është një njësi që fizikanët përdorin për të kuantifikuar masën. Masa e një elektroni është rreth 511.000 volt elektron.)
Përveç një tavani masiv neutrino, ka edhe një dysheme, bazuar në eksperimentet laboratorike të fizikës së grimcave. Këto eksperimente masin një fenomen të quajtur oscilacione neutrino, gjë që rezulton nga fakti se çdo lloj neutrino është një përzierje kuantike e masave të ndryshme. Përzierja masive do të thotë se neutrinot mund të ndryshojnë nga një varietet në tjetrin ndërsa udhëtojnë (SN: 10/6/15). Ajo që fillon si një neutrino muon mund të zbulohet më vonë si një neutrino elektron.
Detektorët e neutrinos mund ta pikasin këtë modelim. Për shkak se lëkundjet varen nga marrëdhënia midis masave të ndryshme neutrino, këto eksperimente nuk mund të masin drejtpërdrejt vetë masat. Por ato tregojnë se shuma e tre masave neutrino duhet të jetë më e madhe se rreth 0.06 volt elektron.
Kjo do të thotë se refuzimi nga DESI i masave të neutrinos më shumë se rreth 0.07 volt elektron është në mënyrë destruktive afër për të përjashtuar të gjithë gamën e masave të lejuara nga eksperimentet e oscilacionit. Dyshemeja dhe tavani janë pothuajse prekës.
Ka ende një rrugë të vogël — një hapësirë zvarritjeje, ndoshta — që masat e neutrinos të jetojnë në harmoni si me eksperimentet e kozmologjisë, ashtu edhe të oscilacionit. Por rezultati i DESI është befasues për arsye të tjera. Së pari, vlera që DESI e përcakton si më të mundshme për shumën e masave të neutrinos është zero — asnjë masë fare.
Për më tepër, kur të dhënat kozmologjike shtesë shtohen në të dhënat e DESI dhe Planck, si katalogët e yjeve që shpërthejnë që gjithashtu vlerësojnë shkallën e zgjerimit të universit, kufiri i sipërm i masës tkurret më tej, në më pak se 0.05 volt elektron, raportoi Di Valentino dhe kolegët më 25 korrik në arXiv.org. Hapësira e zvarritjes është eliminuar në thelb, duke lënë masat e neutrinos në një purgator që është e vështirë për t’u shpjeguar pa propozuar ide të reja rreth kozmosit.
“Nëse i merrni të gjitha në vlerën e fytyrës, që është një paralajmërim i madh…, atëherë është e qartë se kemi nevojë për fizikë të re,” thotë kozmologu Sunny Vagnozzi i Universitetit të Trentos në Itali, një tjetër autor i gazetës
Edhe pa shtimin e të dhënave të supernovave, rezultati i DESI-t, nëse merret seriozisht, do t’i përgjigjej një pyetjeje të madhe: Cili neutrino është më i rëndë? Tre masat e neutrinos janë etiketuar në mënyrë jokreative me numrat 1, 2 dhe 3. Në një skenar të mundshëm të quajtur urdhërimi normal, masa 3 është më e rëndë se masat 1 dhe 2. Në atë që njihet si urdhërimi i përmbysur, masat 1 dhe 2 janë më të rënda se 3. Një mënyrë tjetër për të shprehur problemin: A ka dy masa neutrino relativisht të lehta dhe një disi më të rëndë një ose dy të rënda dhe një të lehtë?
Nëse porositja e përmbysur është e saktë, eksperimentet e oscilacionit nënkuptojnë se shuma e masës së neutrinos do të ishte më shumë se 0.1 volt elektron. DESI duke shtrydhur masat e neutrinos deri në më pak se 0.07 volt elektron jo vetëm që lë porositjen normale me pak leeway, por gjithashtu duket se në thelb përjashton urdhërimin e përmbysur.
“Kjo është arsyeja pse të gjithë po shkojnë jashtë bordit,” thotë kozmologia Licia Verde e Universitetit të Barcelonës, një anëtare e bashkëpunimit desi. Prishja e urdhërimit të përmbysur do të ishte një gjë e madhe, me pasoja për një mori teorish dhe eksperimentesh. Urdhërimi është kaq i rëndësishëm, saqë shkencëtarët projektuan një eksperiment të stërmadh — Observatori Nëntokësor i Neutrinos Jiangmen në Kinë, i planifikuar për të filluar këtë vit — që synonte matjen e tij. Por fizikantët e grimcave nuk po i anulojnë planet e tyre dhe askush nuk po lëshon shishe shampanje për të festuar shuarjen e porosisë së përmbysur.
Arsyeja është se tavani masiv i DESI-t i tejkaloi shpresat. «Ishte shumë mirë»,—thotë kozmologu Daniel Grin i Universitetit të Kalifornisë, San Diego.
Duke pasur parasysh sasinë e të dhënave që DESI mblodhi, shkencëtarët do të kishin pritur një kufi të sipërm që ishte më shumë se dy herë më i madh, duke e ngjitur masën në më pak se rreth 0.18 volt elektron, thotë ai, duke lënë të gjallë dhe mirë mundësinë e porositjes së përmbysur. Në fakt, DESI nuk pritej të ishte në gjendje të përjashtonte urdhërimin e përmbysur — nëse urdhërimi i përmbysur ishte i pasaktë — derisa të kishte marrë edhe disa vite të tjera të dhënash.
Kjo i ka bërë fizikanët të dyshojnë se diçka tjetër është ngritur.
A mund të kenë neutrinot masë negative?
Nëse shkencëtarët e marrin seriozisht preferencën e DESI-t për masën zero neutrino, ka disa mënyra për ta shpjeguar atë, pavarësisht se neutrinot në laborator kanë në mënyrë të pakontestueshme masë. Neutrinot mund të prishen në grimca të tjera ose të asgjësohen me njëri-tjetrin, sugjerojnë Green dhe kolegët në një shkrim të pranuar në Journal of High Energy Physics. Ose ndoshta masat e neutrinos ndryshojnë sipas kohës.
Por ekziston një mundësi edhe më e egër se masa zero: masa negative. Green dyshonte se “e gjithë kjo sjellje qesharake ishte sepse të dhënat në fakt po shkonin në rrugë të gabuar. [Të dhënat] po shihnin ‘të kundërtën’ e një neutrino.” Domethënë, një neutrino me masë negative.
Ndërsa neutrinot me masë pozitive e bëjnë universin më pak të ngjeshur, DESI dhe Planck mund të jenë duke gjetur të kundërtën, një univers që është më i ngjeshur se ç’pritej, që do të thotë se ka një variacion më të madh se sa parashikohej në densitetin e materies nga vendi në vend. Kjo mund të konceptualizohet nga një neutrino bizarro me masë negative.
Në analizën e DESI-t, shkencëtarët nuk lejuan që masa e neutrinos të shkonte negative. Ndoshta DESI u ul në zero vetëm sepse ishte e ndaluar të ulej.
Pra, Green dhe kolegët e zbutën analizën për të lejuar masat negative. Analiza u vendos në –0.16 volts elektron, raportuan studiuesit.
Të tjerë gjetën mbështetje të ngjashme për masat negative të neutrinos. Kjo është «një gjë e çmendur për t’u thënë», thotë kozmologu Willem Elbers nga Universiteti Durham në Angli. Masat negative në fizikë janë të vështira për t’u përcaktuar dhe inkorporuar në teori, duke shkaktuar të gjitha llojet e konfliktit në ekuacione. “Ne në fakt nuk mendojmë se masa e neutrinos është negative,” thotë Elbers. Në vend të kësaj, “është një simptomë e ndonjë problemi qoftë në të dhënat, qoftë në supozimet që bëjmë për mënyrën se si zhvillohet universi.” Masa negative mund të jetë një mirazh i energjisë së errët, sugjerojnë Elbers dhe kolegët. Tabloja standarde e universit supozon se energjia e errët ka një dendësi konstante, atë që njihet si një konstante kozmologjike. Ndërsa të dhënat e DESI lënë të kuptohet se energjia e errët është dinamike — se dendësia e saj ndryshon me kalimin e kohës — numri i masës neutrino të DESI u përcaktua duke supozuar një konstante kozmologjike.
Lejimi i energjisë dinamike të errët zgjidh çështjen e masës neutrino, Elbers dhe kolegët raportuan online 15 korrik në arXiv.org. “Ajo në fakt e zhvendos vlerën më të mundshme nga diçka negative dhe jofizike në diçka që është e drejtë në shenjë,” thotë Elbers: 0.06 volts elektron.
Por jo e gjithë energjia dinamike e errët është njësoj. Modelet më të thjeshta të energjisë dinamike të errët, si ajo e përdorur nga DESI dhe nga Elbers dhe kolegët, lejojnë që energjia e errët të shkojë “fantazmë”, një situatë e papritur, teorikisht. Në teoritë e preferuara të shkencëtarëve, dendësia e energjisë së errët ose mbetet konstante ose hollohet ndërsa hapësira zgjerohet. Me energjinë e errët fantazëm, densiteti në vend të kësaj rritet. Kjo lloj energjie e errët konsiderohet më pak e besueshme — është e vështirë të shpjegohet brenda teorive standarde të fizikës.
Duke përdorur një model në të cilin variacioni i energjisë së errët është i ndaluar të shkojë fantazëm në fakt e bëri masën neutrino mospërputhje më të keqe, Vagnozzi, Di Valentino dhe kolegët raportuan në gazetën e tyre.
Kjo i lë shkencëtarët pa asnjë shpjegim kozmologjik fitues se përse masat e neutrinos janë më të vogla se ç’pritej.
Probleme me të dhënat e Planck
Në vend që të rimendojnë universin, disa shkencëtarë po i hedhin një vështrim të dytë të dhënave.
Disa studiues dyshojnë se çështjet delikate në të dhënat kozmike të sfondit të mikrovalëve mund të jenë gjëra të shtrembëruara. Në veçanti, të dhënat nga Planck dihet se tregojnë një tepricë të papritur të lentes gravitacionale, që përkulja e dritës kozmike të sfondit të mikrovalëve që ndihmon shkencëtarët të deduktojnë masat e neutrinos.
Më shumë lente gravitacionale është gjithashtu ajo që ju do të prisnit nga neutrinos me masa negative. Në fakt, përpjekjet e mëparshme për të vlerësuar masat e neutrinos duke përdorur të dhënat Planck të kombinuara me një paraardhës të DESI arritën gjithashtu në vlerësime të papritura të vogla. Ndoshta Planck është problemi.
Një version i përditësuar i të dhënave Planck, duke përdorur metoda të ndryshme të hartografimit të sfondit kozmik të mikrovalëve, zvogëlon këtë lente gravitacionale të tepruar.
Një analizë e bazuar në ato të dhëna të përditësuara Planck, dhe duke hequr dy pika të dhënash të DESI-t, eliminoi provat për masat negative të neutrinos, raportoi Escudero dhe kolegët online më 18 korrik në arXiv.org
Duke pasur parasysh këtë, Escudero thotë, “duket e parakohshme të konkludojmë se ekziston një tension midis vlerës minimale të masave neutrino që njohim nga laboratori dhe mungesës së zbulimit të masave neutrino në kozmologji.”
Por, vë në dukje ai, analiza ende nuk gjeti prova të një mase pozitive për neutrinot.
Marrja e matjeve direkte të masës neutrino
Matjet kozmologjike të masës neutrino mbështeten në një sërë vëzhgimesh dhe ato varen nga korrektësia e teorisë së shkencëtarëve për kozmosin. Nëse ka një lidhje që mungon kudo, kjo e bën masën e neutrinos vlerësime jo të besueshme. Kështu që në të ardhmen, shkencëtarët shpresojnë të masin masën e neutrinos drejtpërdrejt, në Tokë.
Eksperimenti KATRIN në Karlsruhe, Gjermani, kërkon ndikimin e masave neutrinos në prishjet radioaktive të tritiumit, një formë e rëndë e hidrogjenit (SN: 4/21/21). Kur bërthama e tritiumit prishet, ajo lëshon një antineutrino (binjak antimater i një neutrino) dhe një elektron. KATRIN synon të zbulojë efektin e masave të antineutrinos në energjitë e elektroneve të lëshuara në kalbje.
Por ndërsa eksperimente të tilla teorikisht mund të masin masën e neutrinos, rezultatet e tyre nuk janë aq të sakta sa ato të kozmologjisë. Shuma e masave neutrino duhet të jetë më pak se 1.35 volt elektron në nivelin e besimit 90 për qind, studiuesit e KATRIN raportuan online në qershor në arXiv.org. Ky është një kufi shumë më i dobët se ç’vë kozmologjia në masë. Pra, edhe pse eksperimentet e drejtpërdrejta konsiderohen më të besueshme, ato nuk po u thonë shkencëtarëve shumë gjëra që tashmë nuk i dinin. Eksperimentet e ardhshme direkte mund të zeros më tej në masën e neutrinos, por nëse masat e neutrinos janë aq të vogla sa kozmologët mendojnë se janë, do të duhen disa përparime serioze teknologjike.
Megjithatë, mundësia për të kuptuar më mirë disa nga grimcat më misterioze në kozmos është e kënaqshme. “Më duket veçanërisht interesante që shikimi lart në qiell mund t’ju tregojë diçka për një grimcë që është kaq e lehtë dhe e vogël dhe e vogël dhe subatomike,” thotë Verde.
Dhe nëse shkencëtarët mund të gjejnë marrëveshje midis neutrinove në Tokë dhe në hapësirë, ata do të kenë besim shtesë se teoria e tyre e universit është e saktë, thotë Verde. “Nëse mund të ndërtosh një tablo ku gjithçka varet së bashku, duke kombinuar të dy eksperimentet që shikojnë drejtpërdrejt pafundësisht të voglat dhe eksperimentet që shikojnë shumë të mëdhatë, ajo ofron gjithashtu mbështetje për vetë tablonë.”
Pyetje apo komente mbi këtë artikull? Na dërgoni e-mail në feedback@sciencenews.org | Riboton FAQ
Citimet
N. Craig et al. Asnjë νs nuk është lajm i mirë. Journal of High Energy Physics. Në shtyp, 2024.
J.-Q. Jiang et al. Kozmologjia neutrino pas DESI: kufijtë e sipërm të masës më të ngushtë, preferenca për urdhërimin normal dhe tensioni me vëzhgimet tokësore. arXiv:2407.18047. Dërguar më 25 korrik 2024.
D. Naredo-Tuero et al. Living at the edge: a critical look at the cosmological neutrino mass bound. arXiv:2407.13831. Dërguar Jul 18, 2024.
W. Elbers et al. Masat negative të neutrinos si një mirazh i energjisë së errët. arXiv:2407.10965. Dërguar më 15 korrik 2024.
DESI Collaboration. DESI 2024 VI: Kufizime kozmologjike nga matjet e oscilacioneve akustike baryon. arXiv:2404.03002. Dërguar më 3 prill 2024.
ScienceNewsNga Emili Konoverin – Shkrimtarja e fizikës Emily Conover ka një doktoraturë në fizikë nga Universiteti i Çikagos. Ajo është dy herë fituese e çmimit D.C. Science Writers’ Association Newsbrief.
- Referenca:
