いいえWIMPS！ 重粒子はレンズ状重力異常を説明しない – Ars Technica

目に見える宇宙が暗黒物質の枠組みの上に構築されていることが明らかになってから数十年が経ちましたが、暗黒物質が実際に何であるかはまだわかっていません。 大規模なスケールでは、さまざまな証拠がいわゆる WIMP を示しています: 弱く相互作用する巨大な粒子です。 しかし、WIMP では説明が難しいさまざまな詳細があり、何十年にもわたって粒子を探しても何も見つからなかったため、人々は WIMP 以外の何かが暗黒物質でできているという考えを受け入れることになりました。

多くの候補の 1 つはアクシオンと呼ばれるもので、力を運ぶ粒子であり、物理学とは無関係の分野の問題を解決するために提案されています。 それらは WIMP よりもはるかに軽いですが、暗黒物質と一致する他の特性を持っているため、それらへの関心は低く保たれています。 現在、新しい論文は、アクシオンのような特性によってよりよく説明される可能性のある重力レンズ (主に暗黒物質の産物) に特徴があると主張しています。

粒子か波動か？

それで、アクシオンとは何ですか？ 最も単純なレベルでは、スピンのない非常に軽い粒子であり、力のキャリアとして機能します。 それらはもともと、陽子と中性子を結び付ける強い力の挙動を記述する量子色力学が電荷パリティの保存を破らないようにするために提案されました。 軸が他の理論的フレームワークと互換性があることを保証するために十分な作業が行われ、それらを理解しようとするいくつかの研究が行われました。 しかし、アクシオンは、解決方法がまだ分かっていない問題に対する多くの潜在的な解決策の 1 つとして、ほとんど弱体化しています。

しかし、それらは潜在的な暗黒物質の解決策としていくつかの関心を集めています。 しかし、暗黒物質の挙動は、重い粒子、特に弱く相互作用する大質量粒子によって最もよく説明されます。 アクシオンはより軽い側にあると予想され、ほぼ質量のないニュートリノと同じくらい軽い可能性があります。 アクシオンの検索では、多くの重い質量も除外される傾向があり、問題がさらに明白になります。

しかし、アクシオンが再び現れるか、WIMP が顔をしかめている間、少なくとも静止したままになる可能性があります。 WIMP の弱い相互作用の指標を特定しようとするために構築された多くの検出器がありましたが、それらは空でした。 WIMP が標準モデルの粒子である場合、粒子コライダーで失われた質量に基づいてその存在を推測できます。 これの証拠は示されていません。 これにより、人々は WIMP が暗黒物質に対する最良の解決策であるかどうかを再考するようになりました。

宇宙規模では、WIMP は引き続きデータに非常によく適合します。 しかし、個々の銀河のレベルに到達すると、銀河を取り囲む暗黒物質のハローが複雑な構造を持たない限り、うまく機能しない異常がいくつかあります。 個々の銀河の暗黒物質をマッピングしようとすると、空間をゆがめ、背景のオブジェクトを拡大および歪ませる重力レンズを作成する能力に基づいて、同様のことが当てはまります。

新しい研究では、これらの潜在的な異常を WIMPS とアクシオンの特性の違いに関連付けようとしています。 その名前が示すように、WIMP は離散粒子のように振る舞い、ほぼ完全に重力を介して相互作用する必要があります。 対照的に、アクシオンは量子干渉を介して相互作用する必要があり、銀河全体の周波数に波のようなパターンが作成されます。 そのため、WIMP の周波数は銀河中心部からの距離とともに緩やかに減少するはずですが、アクシオンは銀河中心部の近くで周波数を高める定在波 (技術的にはソリトン) を形成するはずです。 これを超えると、複雑な干渉パターンにより、軸が本質的に存在しない領域と、平均強度の 2 倍の軸が存在する領域が作成されます。

見つけにくい

いくつかの例外を除いて、暗黒物質は銀河の質量の大部分を占めています。 これを考えると、これらの干渉パターンによって、銀河のさまざまな領域からの引力が不均一になるはずです。 領域間の差が十分に大きい場合、これは重力レンズ効果の予想される動作のわずかな偏差として現れる可能性があります。 したがって、銀河の背後にあるオブジェクトは、レンズ状の画像として表示される必要があります。 期待どおりに、または期待した場所に正確に形成されない場合があります。

モデリングによると、これらの収差は十分に小さいため、ハッブル宇宙望遠鏡でさえも捉えることができませんでした。 しかし、遠く離れた電波望遠鏡からのデータを本質的に 1 つの巨大な望遠鏡に統合することで、電波の波長でそれらを検出できる可能性があります。 (このアプローチにより、イベント ホライズン テレスコープはブラック ホールの画像を作成できました。)

少なくとも 1 つのケースでは、そのデータがあります。 HS 0810+2554 は、私たちと別の銀河の中心にある活動中のブラック ホールとの間にある巨大な楕円銀河です。 前景の銀河によって作成された重力レンズ効果により、活動銀河の 4 つの画像が作成されます。それぞれの画像には、明るい銀河のコアと、そこから伸びている 2 つの大きな物質の噴流があります。 これら 4 つの画像の位置と歪みを、前景の銀河に暗黒物質の典型的なハローが存在することに基づいて予想されるものと比較することができます。

私たちが予想するパターンは 1 つしかないため、WIMP を扱うのは比較的簡単です。それは、銀河の中心部から離れるにつれて暗黒物質のレベルが徐々に低下することです。 この分布に基づくレンズ予測は、画像がレンズ レンズに見える場所の実際のデータと一致するという点で不十分です。

課題は、カオス アクシオンの干渉パターンに基づいて同じ分析を実行することです。異なる初期条件でモデルを 2 回実行すると、異なる干渉パターンが得られます。 したがって、実際にレンズを使用して現実世界の銀河でそれらを取得する可能性は非常に低いです. 代わりに、研究チームはランダムに選択された初期条件で 75 の異なるモデルを実行しました。 偶然にも、実世界のデータで見られるものと同様のこれらの歪みのいくつかを作成しました。通常は、レンズで 4 つの画像のうちの 1 つだけに影響を与えます。 したがって、研究者は、レンチキュラー画像の歪みは、アクシオンの量子干渉によって形成された暗黒物質のハローと一致すると結論付けました。

それで、彼らは本当にアクシオンですか？

単一の銀河を分析することは、重要なジャブになることはなく、ここでもっと注意する必要がある理由はたくさんあります. たとえば、研究者は銀河内の通常の物質と目に見える物質の分布についていくつかの仮定を立てましたが、これには重力の影響もあります。 楕円銀河は、より小さな銀河の合体の結果であると考えられており、通常の物質の分布を追跡することによって検出するのが困難な微妙な方法で暗黒物質の分布に影響を与える可能性があります。

最後に、この種のオーバーラップ パターンは、異常な光軸 (約 10 の光軸) でのみ機能します。^-22 電子ボルト。 対照的に、電子自体の質量は約 500,000 電子ボルトです。 これにより、アクシオンはニュートリノよりもはるかに軽くなります。

新しい論文の著者自身は、ここでの証拠についてほとんど慎重であり、次の文で論文を締めくくっています。 [WIMP- or axion-based dark matter] 天体物理学の観測をよりよく再現することは、新しい物理学の 2 つの類似したクラスの理論のうちの 1 つにバランスを傾けることになります。 しかし、彼らの注意は、要約の最後の文に「能力」と書かれています。 [axion-based dark matter] HS 0810+2554 のような困難なケースでさえ、レンズ異常の解決は、他の天体物理観測の再現における成功とともに、軸を呼び出す新しい物理学に向かってバランスを傾けます。 “

この論文の著者や査読者以外の物理学者がこれらの感情を共有しているかどうかは、間違いなくすぐにわかります。

自然天文学、2023年。DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 （DOIについて）。