如果我們已經知道一個暗物質粒子呢?

試圖理解自然基本結構的物理學家依賴於一致的理論框架，這些理論框架可以解釋我們所看到的，同時做出我們可以測試的預測。

在最小的基本粒子尺度上，粒子物理的標準模型為我們的理解提供了基礎。

在宇宙的尺度上，我們的許多理解都是基於“宇宙學的標準模型”。

根據愛因斯坦的廣義相對論，它假定宇宙中大部分的質量和能量是由神秘的、不可見的物質組成的，被稱為暗物質（佔宇宙物質的80%）和暗能量。

在過去的幾十年裡，這個模型在解釋我們宇宙的廣泛觀測方面非常成功。

然而，我們仍然不知道是什麼構成了暗物質——我們只知道它的存在，因為它對星系團和其他結構的引力作用。

已經提出一些粒子作為候選粒子，但是我們不能說確定哪個或幾個粒子組成了暗色物質。

現在我們的新研究，暗示了極輕的粒子稱為中微子可能會製造一些暗物質，挑戰我們目前對其成分的理解。

熱與冷

銀河系周圍的暗物質

標準模型認為暗物質是"冷"的。這意味著它由相對重的粒子組成，最初的運動是緩慢的。

因此，相鄰的粒子很容易聚在一起形成受重力束縛的物體。

因此，該模型預測宇宙應該充滿小的暗物質“光環”，其中一些將會融合並形成更大的系統——使宇宙變得“起伏”。

然而，至少有一些暗物質是“熱”的，這並非不可能。

這將包括相對較輕的粒子，其速度相當快——這意味著這些粒子可以很容易地從星系等緻密區域逃逸出來。

這將減緩新物質的積累，並導致形成一個結構被抑制的宇宙（不那麼不穩定）。

中微子的速度極快，是熱暗物質的理想選擇。

特別的是，它們不釋放或吸收光，使它們看起來是"黑暗"

長期以來，人們一直認為中微子是由三種不同的物種組成的，它們沒有質量。

但是實驗已經證明了它們可以改變（振盪方式）從一個物種到另一個物種。

重要的是，科學家已經證明，這種變化需要他們擁有大量的物質——使他們成為熱暗物質的合法候選者。

然而，在過去的幾十年裡，粒子物理實驗和各種天體物理學的論證都排除了中微子是構成宇宙中大部分暗物質的可能性。

更重要的是，標準模型假設中微子（和熱暗物質一般）的質量如此之小，以至於它們對暗物質的貢獻完全被忽略了（在大多數情況下，假定為0%）。

直到最近，這個模型對宇宙學上的觀察進行了廣泛的研究。

變換成像

變換成像效果

在過去的幾年裡，宇宙觀測的數量和質量有了很大的提高。

其中一個最顯著的例子就是“引力透鏡觀測”的出現。

廣義相對論告訴我們，物質會扭曲時空，所以來自遙遠星系的光線會被我們和星系之間的巨大物體所偏轉。天文學家可以測量這種偏差，以估計宇宙中宇宙時間的結構“塊狀”的增長。

這些新的數據集為宇宙學家提供了許多方法來詳細測試標準模型的預測。

從這些比較中開始出現的一幅圖是，如果暗物質完全是冷的，那麼宇宙中的質量分佈似乎就不那麼不穩定了。

但是，將標準模型和新的數據集進行比較可能並不像最初的想法那樣簡單。

特別是，研究人員已經證明，宇宙的明顯的塊狀不只是受暗物質的影響，而且還受到影響正常物質（質子和中子）的複雜過程的影響。

之前的對比假設正常物質，也就是"感受到"引力和壓力的力量，就像暗物質一樣分佈，只會感覺到引力。

現在，我們的新研究已經產生了迄今為止最大的宇宙計算機模擬的正常和暗物質（稱為巴哈馬）。

我們還對最近的一系列觀察進行了仔細的比較。

我們得出的結論是，新的觀測數據集和標準的冷暗物質模型之間的差異比之前宣稱的要大。

我們詳細地研究了中微子及其運動的影響。正如預期的那樣，當中微子被包含在模型中時，宇宙的結構形成被沖掉了，使得宇宙變得不那麼不穩定。

我們的研究結果表明，中微子佔整個暗物質質量的3%到5%。

這就足以持續地再現各種各樣的觀察結果——包括新的引力透鏡測量。

如果暗物質的大部分是“熱的”，那麼宇宙結構的增長就會被抑制得太多。

這項研究還可以幫助我們解開單箇中微子的質量之謎。

從各種實驗中，粒子物理學家計算出，三種中微子的總和應該至少是0.06電子伏特(能量單位，類似於焦耳)。

你可以把它轉換成對暗物質的總中微子貢獻的估計，結果是0.5%

假設我們發現它實際上比這個大6到10倍，我們可以推斷中微子質量應該是0.3-0.5 eV。

這一對話非常接近於可以通過即將到來的粒子物理實驗來測量的數值。

如果這些測量結果證實了我們在模擬中發現的質量，這將是非常令人放心的——這讓我們對中微子作為暗物質的作用有一個一致的認識，從最大的宇宙尺度到最小的粒子物理領域。

本文譯自：Sciencealert 譯者：劉裕嶸

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