幽靈粒子與暗物質的相互作用可能解開一個巨大的宇宙謎團

由波蘭國家核研究中心領導的一項關于早期宇宙的新研究剛剛發現，宇宙中兩個最難以捉摸的組成部分之間可能存在相互作用。

通過結合不同類型的觀測，宇宙學家證明了我們所看到的現象更容易解釋，如果中微子，又稱“幽靈粒子”，與 微弱相互作用暗物質.

在令人困惑的三西格瑪確定性下，這個信號既不夠強，無法確定，也太強烈，不能只是數據中的一個線索或噪聲。

這一發現可能為標準宇宙學模型的小型擴展打開了大門，放寬了暗物質完全無碰撞的假設，允許中微子與暗物質之間存在微弱散射。

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中微子和暗物質是宇宙中兩個與幾乎不相互作用的組成部分。

中微子是宇宙中最豐富的粒子之一。它們在高能量條件下大量形成，比如超新星爆炸和恒星核心發生的原子聚變——所以它們幾乎無處不在。

然而，它們沒有電荷，質量極小，幾乎不與遇到的其他粒子相互作用。數千億中微子正在你體內流動。偶爾，一個中微子與另一個粒子碰撞，產生我們所需的衰變粒子和光子雨特殊的地下探測設備.

而暗物質似乎除了引力作用外，幾乎不與普通物質相互作用。其存在的有力證據來自引力效應，如星系自轉速率和時空扭曲這無法用普通物質來解釋。這些效應大致表明85%宇宙中的物質是由我們看不見的“暗”物質組成的。

這兩種極其回避的事物相互作用的觀點并不新鮮，早在2000年代初就有論文推測它們可能以我們未曾發現的方式交往。

近年來，科學家們發表了多篇論文試探性地暗示著那中微子-暗物質相互作用存在。這篇由物理學家祖磊領導，他曾在波蘭國家核研究中心開展這項工作，現任日本國立天文臺，旨在將這一思想擴展到理論之外，希望解決其中之一宇宙學最大的問題.

當我們觀察早期宇宙的快照時，這個問題就會出現，這些快照由宇宙微波背景（CMB）和重子聲振（BAO），并將其與近期宇宙進行比較。

宇宙微波微波是宇宙中自由流淌的第一道光的遺跡大爆炸后38萬年;BAO是大型結構，遺留在一種傳播的聲波在早期宇宙中，當他們旅行的媒介變得過于分散，無法支撐他們時，時間被凍結了。

如果我們根據標準模型從宇宙學角度看，我們最終得到一個看起來明顯結塊而不是我們實際看到的宇宙。

“這種張力并不意味著標準宇宙學模型是錯誤的，但可能表明它不完整。”宇宙學家埃莉諾拉·迪·瓦倫蒂諾解釋道英國謝菲爾德大學的成員。“我們的研究表明，暗物質與中微子之間的相互作用可以幫助解釋這種差異，為理解宇宙結構如何形成提供了新的見解。”

研究人員在一次集中的努力中，匯編出了迄今為止最全面的綜合數據集之一，用于測試宇宙早期和晚期宇宙中微子-暗物質相互作用。它們包括兩個不同的CMB觀測數據、三個BAO數據集以及正在進行的數據暗能量掃描天空以繪制暗物質和能量分布圖的巡天。

然后，他們分別對CMB和BAO數據集分別運行宇宙學模擬，然后將它們合并。但他們還加入了另一個因素：中微子-暗物質散射相互作用。

結果顯示，單個數據集中對散射的偏好略有偏差，最終的宇宙看起來更像我們今天的宇宙，而非無散射的模擬。但合并后的數據集中偏好更強，確定性為3西格瑪。

這遠非決定性結論，但與之前的結果一致，且足夠有力，值得進一步調查。

“如果暗物質與中微子之間的相互作用被證實，將是一個根本性的突破，”理論物理學家兼宇宙學家威廉·賈雷（William Giarè）說夏威夷大學的成員，前身為謝菲爾德大學。

“這不僅能為不同宇宙學探針之間持續存在的不匹配帶來新光明，還能為粒子物理學家提供具體方向，指示在實驗室實驗中應關注哪些屬性，從而最終揭示暗物質的真實本質。”

“如果”在這方面承擔了大量工作，但這些謎團足夠令人困惑，使得這條探究之路看起來極具吸引力。

“解釋并嚴格測試如此清晰的效應，需要超越粒子宇宙學中常用的近似方法。”理論物理學家塞巴斯蒂安·特羅亞諾夫斯基總結道波蘭國家核研究中心的成員，“將成為進一步研究的對象。”

研究結果已發表于自然天文學.

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