WIMPSはありません！ 重い粒子は重力レンズの現象を説明しません – Ars Technica

目に見える宇宙が暗黒物質の枠組みの上に建てられたことが明らかになってから数十年が経ちましたが、私たちはまだ暗黒物質が実際に何であるかを知りません。 大規模にWIMP（弱く相互作用する巨大な粒子）と呼ばれることを指す様々な証拠があります。 しかし、WIMPを使用して説明するのは難しいさまざまな詳細があり、何十年も粒子を検索しても何も明らかにされていないため、人々はWIMP以外のものが暗黒物質を構成しているという考えに開かれています。

多くの候補の一つは、関係のない物理学分野の問題を解決するために提案された力を伝達する粒子であるアクシオンということです。 彼らはWIMPよりはるかに軽量ですが、暗黒物質と一致する他の属性を持っており、低レベルの関心を維持しました。 今回の新論文は、アクシオンなどの特性で最もよく説明されている重力レンズ（主に暗黒物質の産物）に特徴があると主張しています。

粒子または波?

それで、アクシオンは何ですか？ 最も単純なレベルでは、これは力キャリアとして機能するスピンフリーの非常に軽い粒子です。 彼らはもともと陽子と中性子を一緒に保つ強い力の行動を説明する量子色力学が電荷保存の保存を破らないようにするために提案されました。 アクシオンが他の理論的フレームワークと互換性があることを確認するのに十分な作業が行われ、これを検出するためにいくつかの検索が行われました。 しかし、アクシオンは、私たちが解決策を見つけることができなかった問題に対する多くの潜在的な解決策の1つとしてほとんど枯渇しました。

しかし、彼らは暗黒物質に対する潜在的な解決策としていくつかの関心を集めました。 しかしながら、暗黒物質の挙動は、重い粒子、特に弱く相互作用する重い粒子によってよりよく説明されている。 アクシオンはより軽い側にあると予想され、潜在的にほとんど質量のないニュートリノと同じくらい軽いかもしれません。 アクシオンで行われた検索は、多くの重い質量を排除する傾向があり、問題をより顕著にしました。

ただし、アクシオンが復帰したり、少なくともWIMPがフェースプラント中に安定したままになることがあります。 WIMPの弱い相互作用の兆候を捉えるために構築された多くの検出器がありましたが空です。 WIMPが標準モデル粒子である場合、粒子衝突装置から欠落した質量に基づいてWIMPの存在を推論することができます。 これに対する証拠は出てこなかった。 これにより、人々はWIMPが暗黒物質に最適なソリューションであることを見直しました。

宇宙規模では、WIMPは引き続きデータに非常に適しています。 しかし、個々の銀河のレベルに下がると、銀河を囲む暗黒物質ハローが複雑な構造を持たない限り、正しく機能しないいくつかの奇妙なことがあります。 背景オブジェクトを拡大して歪めるように空間を曲げる重力レンズを作成する能力に基づいて、個々の銀河の暗黒物質をマッピングしようとするときも同様のことが本当のようです。

新しいタスクは、これらの潜在的な奇妙さをWIMPSとアクシオンの属性の違いに関連付けようとします。 名前が示すように、WIMPはほぼ完全に重力を通して相互作用する別々の粒子のように振る舞う必要があります。 対照的に、アクシオンは量子干渉を介して互いに相互作用し、銀河全体にわたって周波数で波のようなパターンを生成する必要があります。 したがって、WIMPの周波数は銀河の中心から離れるにつれて緩やかに減少しなければなりませんが、アクシオンは銀河の中心の近くで周波数を上げる定在波（技術的にはソリトン）を形成する必要があります。 より複雑な干渉パターンでは、基本的にはアクシオンのない領域と、アクシオンが平均密度の2倍になる領域を作成する必要があります。

見つけにくい

いくつかの可能な例外を除いて、暗黒物質は銀河質量の大部分を構成する。 これを考慮すると、これらの干渉パターンは銀河の他の領域から重力が不均一に引き寄せられる原因となるはずです。 領域間の差が十分に大きい場合、重力レンズ効果の予想される動作において若干の偏差として現れることがある。 したがって、銀河の後ろにある物体はまだレンズ像として現れるべきです。 彼らは、我々が予想する方法や、我々が予測する正確な位置に形がないかもしれません。

モデリングは、これらの偏差がハッブル宇宙望遠鏡でも捉えることができないほど小さいことを示しています。 しかしながら、広く分離された伝播望遠鏡のデータを本質的に１つの巨大な望遠鏡に組み合わせて伝播波長で検出することが可能であり得る。 （このアプローチにより、Event Horizo​​n Telescopeはブラックホールの画像を作成できました。）

そして、少なくとも1つのケースには対応するデータがあります。 HS 0810+2554は私達と他の銀河の中心のアクティブブラックホールの間にある巨大な楕円銀河です。 前景の銀河によって生成された重力レンズは、アクティブ銀河の4つの画像を生成します。 前景の銀河における典型的な暗黒物質のHaloの存在に基づいて、私たちが期待するものとこれら4つの画像の位置と歪みを比較することができます。

私たちが期待できるパターンが1つしかないので、WIMPに関連するのは比較的簡単なことです。 銀河の中心から離れるにつれて、暗黒物質のレベルは徐々に低下します。 その分布に基づくレンズ効果予測は、レンズ画像が現れる実際のデータと一致しない。

問題は、混乱したアキシオン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、実際の銀河に実際に存在するレンズレンズを得る確率は非常に少ない。 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、これらの生成された歪みのいくつかは実際のデータに見られるものと似ており、通常は4つのレンズ画像のうちの1つにのみ影響します。 したがって、研究者らは、レンズ画像の歪みがアクシオンの量子干渉によって構造化された暗黒物質ヘイロと一致すると結論付けた。

本当にアクシオンですか？

1つの銀河の分析は決して決定的なスラムダンクにはならないでしょう。 まず、研究者たちは、重力効果を発揮する銀河系の正常で目に見える物質の分布についていくつかの仮定をしました。 そして、楕円銀河はより小さな銀河が組み合わされた結果と考えられ、これは一般的な物質の分布を追跡して検出するのが難しい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、この種の干渉パターンは、１０程度の非常に軽いアクシオンでのみ動作する。^-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。 これは潜在的にアクシオンをニュートリノよりもはるかに軽くするでしょう。

そして新しい論文の著者たちはほとんどここにある証拠について慎重であり、次のような文章で論文を結論づけます。 [WIMP- or axion-based dark matter] 天体物理学的観察のより良い再現は、新しい物理学の理論の2つの対応するクラスのうちの1つにバランスが取れます。 [axion-based dark matter] HS 0810+2554のような厳しい場合でも、水晶体異常現象を解決し、他の天体物理学的観測を再現することに成功したとともにアクシオンを呼び込む新しい物理学とバランスをとります」

間違いなく、私たちはこの論文の著者と同僚のレビューアの後ろにある物理学者がそのような感情を共有しているかどうかをすぐに知ります。

自然天文学、2023。DOI： 10.1038/s41550-023-01943-9 （DOI情報）。