Universums första tids mörka strålning. Vad var denna egentligen?

 

Bild https://mcss.wustl.edu  Illustration som visar neutriner som omvandlas till mörk strålning i det tidiga universum.

Neutriner är bland de mest förekommande partiklarna i universum. Neutriner beskrivs ofta som spöklika eftersom de interagerar så svagt med materia och spelar en viktig roll i hur kosmiska strukturer bildas och utvecklas.

Nya analyser av kosmologisk data tyder på att neutriner kan interagera med varandra starkare än vad som förutspåtts i standardmodellen för partikelfysik även om laboratorieexperiment sätter strikta gränser för sådana interaktioner.

Bhupal Dev  docent i fysik inom Arts & Sciences och fellow vid McDonnell Center for the Space Sciences vid Washington University i St. Louis har i en ny studie (se nedan) tillsammans med kolleger visat på en möjlig förklaring till denna uppenbara mismatch. Enligt dessa kunde de kosmologiska signaler som tolkades som bevis för starkt interagerande neutriner istället komma från en ytterligare komponent av strålning i det tidiga universum. Eftersom kosmologiska observationer främst mäter den totala mängden snabbrörlig strålning kan de inte enkelt skilja neutriner från andra lätta partiklar som beter sig likartat," beskriver Dev.

Dev föreslår att en del av neutrinerna omvandlades till en annan typ av ljus, snabbrörlig strålning känd som mörk strålning under universums tidigaste ögonblick.

Transformationen måste ha ägt rum efter Big Bang-nukleosyntesen (tiden innan större atomer än väte kom till med andra ord innan neutronen kom till och det bara fanns protoner) ) men före bildandet av den kosmiska mikrovågsbakgrunden.

"I detta scenario skulle mörk strålning kunna efterlikna de kosmologiska effekter som tillskrivs interagerande neutriner samtidigt som den undviker de experimentella begränsningar som gäller för neutrinerna själva," beskriver Dev.

Om denna mörka strålningsmekanism uppstod skulle den också kunna påverka flera pågående gåtor inom kosmologin. Dessa inkluderar osäkerheter i neutrinomassor och den långvariga Hubble-spänningen, som är skillnaden mellan olika mätningar av hur snabbt universum expanderar.

"Vårt arbete belyser ett bredare paradigm inom neutrinokosmologi," sade Dev. "Degenereringen mellan neutriner och neutrinoliknande mörk strålning öppnar nya vägar för att hantera kosmologiska spänningar samtidigt som man respekterar jordiska begränsningar."

Framtida observationer kan hjälpa till att testa idén. Nästa generations mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, storskaliga strukturundersökningar och framväxande 21-centimeters kosmologiexperiment kan avslöja spår av denna dolda strålning.

Laboratorieexperiment som mäter neutriners absoluta massa eller söker efter möjliga sterila neutriner kan också ge viktiga ledtrådar.

Med andra ord, även om interaktioner mellan neutriner och mörk strålning kan vara spöklika, kommer de inte att bli dolda för alltid.

Dev  publicerade nyligen studiens  resultat   tillsammans med kolleger  i en artikel i Physical Review Letters.