فیزیک‌دان‌ها در تلاش‌اند تا ساختار بنیادی وابسته به چارچوب‌های تئوری را درک کنند. این ساختارها به توصیف مشاهدات ما کمک می‌کنند و درعین‌حال پیش‌بینی‌های قابل تستی را ارائه می‌دهند.

مدل استاندارد فیزیک ذرات، مبنای درک خوبی را برای کوچک‌ترین مقیاس ذرات بنیادی فراهم می‌کند. در مقیاس کیهانی، بیشتر درک ما از ذرات به مدل استاندارد کیهانی وابسته است. بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، بیشتر جرم و ماده‌ی موجود در جهان از ماده‌ی نامرئی و اسرارآمیزی موسوم به ماده‌ و انرژی تاریک تشکیل شده است (هشتاد درصد از ماده‌ی موجود در جهان را تشکیل می‌دهد).

این مدل در طول چند دهه‌ی گذشته در توصیف طیف وسیعی از مشاهدات کیهانی به موفقیت بالایی رسیده است. هنوز نمی‌دانیمماده‌ی تاریک از چه تشکیل شده است؛ اما تنها بر اساس کشش جاذبه‌ای بر خوشه‌های کهکشانی و ساختارهای دیگر می‌دانیم این ماده وجود دارد. یک مجموعه از ذرات به‌عنوان گزینه‌های احتمالی ماده‌ی تاریک در نظر گرفته شده‌اند؛ اما نمی‌توانیم با قطعیت بگوییم کدام ذره یا مجموعه‌ی ذرات این ماده را تشکیل می‌دهند.

این پژوهش به بررسی ذرات نوری موسوم به نوترینو می‌پردازد. نوترینوها یکی از مواد احتمالی سازنده‌ی ماده‌ی تاریک هستند و درک ما از ترکیب این ماده را به چالش می‌کشند.

سرد یا داغ

ماده‌‌ی تاریک در مدل استاندارد سرد است. این یعنی از ذرات نسبتا سنگین با حرکات آهسته تشکیل شده است؛ بنابراین ذرات مجاور آن به‌راحتی می‌توانند کنار هم جمع شده و اجرامی را شکل دهند که با نیروی جاذبه به یکدیگر وصل شده‌اند. بر اساس پیش‌بینی‌های این مدل، جهان با ماده‌ی تاریک کوچکی به نام هالو پر شده که بعضی از آن‌ها ادغام شده و سیستم‌های بزرگتر را می‌سازند.

با این‌ حال اصلا بعید نیست بخشی از ماده‌ی تاریک هم داغ باشد. این بخش می‌تواند از ذرات نوری با سرعت اولیه‌ی بالا تشکیل شده باشد، بنابراین ذرات به‌راحتی از بخش‌های متراکمی مثل کهکشان‌ها دوری می‌کنند. به‌ این‌ ترتیب سرعت تراکم ماده‌ی جدید کند شده و تشکیل یک ساختار در کیهان متوقف می‌شود (ناهمواری کمتر).

تأثیر هنرمند از ماده‌ی تاریک اطراف کهکشان راه شیری

نوترینوها که با سرعت‌های بالایی در حرکت هستند، کاندیدها خوبی برای ماده‌ی تاریک داغ به شمار می‌روند. این ذرات هیچ نوری را جذب یا منتشر نمی‌کنند؛ در نتیجه تاریک می‌مانند. بر اساس یک فرضیه، نوترینوها (که سه نوع مختلف دارند) جرمی ندارند؛ اما آزمایش‌ها نشان می‌دهد که آنها می‌توانند از یک گونه به گونه‌ی دیگر تغییر کنند و در نوسان باشند.

با این‌ حال، دانشمندان ثابت کرده‌اند این تغییرات مستلزم وجود جرم است، در نتیجه نوترینوها کاندیدهای مناسبی برای ماده‌ی تاریک داغ به شمار می‌روند. این در حالی است که در طول چند دهه‌ی گذشته، آزمایش‌های فیزیک ذرات و  پژوهش‌های متعدد اخترفیزیکی، نوترینوها را به‌عنوان ذرات تشکیل‌دهنده‌ی بیشترین بخش ماده‌ی تاریک در جهان معرفی کرده‌اند.

در مدل استاندارد فرض می‌شود نوترینوها (و به‌طورکلی ماده‌ی تاریک داغ) جرم کمی دارند و تأثیر آن‌ها در ماده‌ی تاریک را می‌توان به‌طور کامل نادیده گرفت (در اغلب موارد صفر درصد در نظر گرفته می‌شود). اخیرا این مدل به بازسازی مجموعه‌ی وسیعی از مشاهدات کیهانی پرداخته است.

چشم‌انداز متغیر

در چندسال گذشته، کمیت و کیفیت مشاهدات کیهانی در مقیاس وسیعی به‌سرعت توسعه یافته است. یکی از برجسته‌ترین نمونه‌ها ظهور مشاهدات همگرایی گرانشی بوده است.

بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام، ماده منجر به خمیدگی فضا، زمان می‌شود بنابراین نور ساطع‌شده از کهکشان‌های دوردست توسط اجرام بزرگی که بین ما و آن‌ها قرار گرفته‌اند، منحرف می‌شود. ستاره‌شناس‌ها می‌توانند این انحراف را برای تخمین رشد ساختار (ناهمواری)  جهان در زمان کیهانی اندازه‌گیری کنند.

مجموعه داده‌های جدید روش‌های متعددی را برای تست دقیق پیشگویی‌های مدل استاندارد در اختیار کیهان‌شناسان قرار می‌دهند. تصویری که از این مقایسه‌ها به‌دست‌آمده است، نشان می‌دهد توزیع جرمی در جهان یکنواخت‌تر از آن است که بتوان ماده‌ی تاریک را کاملا سرد تصور کرد. با این‌ حال ممکن است نتیجه‌ی مقایسه‌ی مدل استاندارد و مجموعه داده‌های جدید کاملا روشن و مستقیم نباشد. بر اساس بررسی‌ها ناهمواری ظاهری جهان تنها تحت تأثیر ماده‌ی تاریک نیست؛ بلکه تحت تأثیر فرآیندهای پیچیده‌ی دیگری هم قرار دارد که بر مواد نرمال (ازجمله پروتون‌ها و نوترون‌ها) هم تأثیر می‌گذارند.

بر اساس مقایسه‌های قبلی توزیع ماده‌ی عادی که تحت تأثیر جاذبه و نیرو است، مانند ماده‌ی تاریک است؛ با این تفاوت که ماده‌ی تاریک صرفا تحت تأثیر جاذبه قرار می‌گیرد.

حالا یک بررسی جدید بزرگ‌ترین مجموعه‌ی کیهانی از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری ماده‌ی تاریک (موسوم به باهاماس) و ماده‌ی نرمال را ارائه داده است. یک مجموعه مقایسه‌ی دقیق هم بر اساس مشاهدات اخیر صورت گرفته است.

در نتیجه ناهمواری بین مجموعه داده‌های عینی جدید و مدل استاندارد ماده‌ی تاریک بزرگتر از ادعای قبلی است. پژوهش‌های اخیر به بررسی دقیق تأثیر نوترینوها و حرکات‌ آن‌ها پرداخته‌اند. طبق پیش‌بینی، وقتی نوترینوها در این مدل قرار بگیرند، فرضیه‌ی تشکیل ساختارهای کیهانی ضعیف‌شده و جهان یکنواخت‌تر در نظر گرفته می‌شود. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، نوترینوها بین سه تا پنج درصد از کل جرم ماده‌ی تاریک را تشکیل می‌دهند. این نتیجه برای بازسازی یک مجموعه‌ی وسیع از مشاهدات ازجمله اندازه‌گیری‌های جدید همگرایی گرانشی کافی است.

اگر بخش بزرگ‌تری از ماده‌ی تاریک داغ باشد، رشد ساختار جهان به شدت متوقف می‌شود. این پژوهش می‌تواند در حل راز جرم نوترینو به ما کمک کند. بر اساس آزمایش‌های مختلف فیزیک ذرات، مجموع انرژی سه نوع نوترینو حداقل باید برابر با ۰.۰۷الکترون‌ولت باشند (واحد انرژی مشابه ژول).

این مقدار را می‌توان به تخمینی از سهم کلی نوترینو در ماده‌ی تاریک تبدیل کرد که برابر با ۰.۵ خواهد شد؛ بنابراین می‌توان گفت این سهم شش تا ده برابر بزرگتر است و بر همین اساس جرم نوترینو تقریبا باید برابر با ۰.۳ تا ۰.۵ الکترون‌ولت باشد.

این مقدار می‌تواند به مقادیر قابل اندازه‌گیری در آزمایش‌های آینده‌ی فیزیک ذرات نزدیک شود. اگر این اندازه‌گیری‌ها جرم به دست‌آمده از شبیه‌سازی‌ها را اثبات کند، این نتیجه می‌تواند از بزرگ‌ترین مقیاس‌های کیهانی تا کوچک‌ترین حوزه‌های مرتبط با فیزیک ذرات،  چشم‌انداز سازگاری از نقش نوترینوها در ماده‌ی تاریک ارائه دهد.