Откуда мы знаем, что темная материя — это не просто нейтрино?

Какие существуют доказательства того, что темная материя не является одним из известных типов нейтрино?

Если бы это было так, как бы это можно было измерить?

Это было бы типично и для нейтрино. Никогда не делают того, для чего предназначены...
Это очень хороший вопрос, которым я задавалась все эти годы.

Ответы (4)

Темная материя может быть горячей, теплой или холодной. Горячие означают, что частицы темной материи являются релятивистскими (кинетическая энергия порядка массы покоя или намного выше), холодные означают, что они нерелятивистские (кинетическая энергия намного меньше массы покоя), а теплые находятся между ними. Известно, что общее количество темной материи во Вселенной должно быть примерно в 5 раз больше обычной (барионной) материи, чтобы объяснить реликтовое излучение, измеренное WMAP.

Однако холодная темная материя должна быть очень важным компонентом Вселенной, чтобы объяснить рост структур из небольших флуктуаций в ранней Вселенной, которые превратились в галактики и звезды (см. эту ссылку ). Таким образом, холодная темная материя также необходима для объяснения измеренных в настоящее время кривых вращения галактики.

Теперь эксперименты с осцилляциями нейтрино доказывают, что нейтрино имеют ненулевую массу покоя. Однако массы покоя должны быть очень малы, чтобы они могли вносить вклад только в горячую темную материю. Причина, по которой они могут быть только горячей темной материей, заключается в том, что предполагается, что в ранней горячей и плотной Вселенной нейтрино в то время находились в тепловом равновесии с горячей обычной материей. Поскольку масса покоя нейтрино так мала, они были бы чрезвычайно релятивистскими, и хотя нейтрино охлаждались бы по мере расширения Вселенной, они все равно были бы очень релятивистскими во время формирования структуры в ранней Вселенной. Таким образом, они могут вносить вклад в горячую темную материю только с точки зрения раннего роста структурообразования. [Из-за расширения Вселенной с тех пор,

Согласно этому источнику :

Текущие оценки доли нейтрино в плотности массы и энергии Вселенной лежат в диапазоне 0,1% <~ ν <~ нескольких % при стандартных предположениях. Неопределенность отражает наши неполные знания о свойствах нейтрино.

Таким образом, большинство космических нейтрино, вероятно, составляют менее 10% всей темной материи во Вселенной. Кроме того, большая часть остальных (не нейтрино) 90% темной материи также должна быть холодной темной материей — как в ранней Вселенной, так и сейчас.

Из этого ответа я не понял, почему холодных нейтрино не может быть достаточно, чтобы объяснить кривые вращения галактики.
например, как мы можем знать наверняка, что холодных нейтрино больше нет, если их поперечное сечение существенно уменьшается в нерелятивистских диапазонах. Их может быть на 10, 100 или 10 миллионов больше, чем предполагали стандартные предположения.
@lurscher - извините, я облажался, и у меня была одна и та же ссылка во 2-м и 3-м абзацах. Я исправил это только сейчас, поэтому, пожалуйста, нажмите на ссылку во втором абзаце, чтобы прочитать, почему нейтрино будут только горячими DM. Ваше предположение о том, что сечение может быть намного выше, чем то, что утверждает современная электрослабая теория, может быть правдой, но тогда это означает, что нейтрино — это не то, что мы в настоящее время думаем о них. Все, что мы можем сказать, это то, что наше нынешнее понимание нейтрино означает, что они могут способствовать только горячей DM и что они не могут давать холодную DM, необходимую для формирования структуры.
Хорошо, это имеет смысл, пока мы верим, что у нейтрино нет дополнительных сил, которые заставляют их слипаться при низких энергиях.
Нейтринный HDM исключается крупномасштабными структурными наблюдениями.
@ user12345 - Вы говорите о каком-то недавно опубликованном новом результате? Я уже говорю в ответе, что CDM «необходим для объяснения роста структур ...». Вы говорите что-то другое, чем это?
Я имел в виду формирование нисходящей структуры (из блинов), которое могло бы произойти, если бы ν s были HDM, в отличие от восходящего формирования из CDM, которое приводит к структурам, которые мы видим. Это не ново, но они *действительно исключены, если только ν примерно 10 эВ, и мы ничего не знаем :D
Кроме того, я считаю, что ν колебания только «доказывают» разницу в массе, а не массу для всех трех видов. Но, это немного педантично, извините.
@ user12345 нет проблем, но три измеренных разности масс подразумевают, что по крайней мере два самых тяжелых нейтрино имеют массу. Вероятно, все три имеют массу...
Да, иначе это была бы довольно странная Вселенная.
Неверно утверждать, что « известно, что общее количество темной материи во Вселенной должно быть примерно в 5 раз больше обычной (барионной) материи, чтобы объяснить реликтовое излучение, измеренное WMAP ». Это предположение ; это не "известно".
@HarryMacpherson Вы ошибаетесь. В основе Стандартной модели космологии лежит ОГРОМНОЕ количество доказательств, и стандартная модель говорит, что DM = 5 x Обычное вещество. См . en.wikipedia.org/wiki/Lambda-CDM_model . Само по себе реликтовое излучение является огромной частью свидетельств, но есть и много других источников. Это количество доказательств НАМНОГО выше уровня «предположений».
Нет, @FrankhH, это ты ошибаешься. Вы говорите: « За Стандартной моделью космологии стоит ОГРОМНОЕ количество доказательств, и стандартная модель говорит, что DM = 5 x Обычное вещество » . . Темную материю ищут, но пока не нашли. Его существование предполагается. Есть несколько других моделей, не требующих темной материи .
@HarryMacpherson: Точная частица, которая является частицей DM, неизвестна, ее ищут, и ее свойства не определены. Однако известно, что ТМ должна существовать и это должны быть частицы. Тому есть огромное количество доказательств.
@FrankH - Неизвестно, что темная материя «должна» существовать или что она существует. Даже если бы для этого существовало огромное количество доказательств (которых нет — то, что есть, представляет собой огромное количество спекуляций и доказательств), это не сделало бы его «известным» о его существовании. Чем больше его ищут, но не находят, тем больше уменьшается вес доказательств. Вы, похоже, не применяете научный метод построения гипотез, а затем пытаетесь их опровергнуть.
@HarryMacpherson - Существует девять основных классов доказательств DM: 1. Кривые вращения галактик, 2. Дисперсия скоростей галактик, 3. Скопления галактик и гравитационное линзирование, 4. Космический микроволновый фон, 5. Обзоры неба и барионные акустические колебания, 6 , Измерения расстояний до сверхновых типа Ia, 7. Лес Лайман-альфа, 8. Формирование структуры, 9. Скопление пули. Каждый из этих классов включает в себя МНОЖЕСТВО отдельных измерений. Если это НЕ неопровержимое доказательство ДМ, то я не знаю, что могло бы убедить вас. Я сдаюсь. Вы можете сказать последнее слово. Я ухожу.
@FrankH - темная материя не наблюдалась, и поэтому ее существование является предположением - гипотетическим - сколько бы доказательств этому ни было. Я дам последнее слово той же статье в Википедии, из которой вы взяли эти точки , сославшись на альтернативные гипотезы, которые объясняют те же доказательства, что и гипотеза о темной материи: 1) масса в дополнительных измерениях, 2) топологические дефекты, 3) Модифицированная гравитация, 4) Фрактальность пространства-времени.
Первая ссылка опять битая. Мне бы очень хотелось, чтобы здесь была изложена логика против холодных нейтрино.
@quuxman - я удалил неработающую ссылку и добавил то, что, насколько я помню, было аргументом того, что должна была сказать ссылка.
Сегодня нейтрино не являются релятивистскими.
@RobJeffries - У вас есть ссылка, в которой говорится об этом? Я не верю, что мы знаем это как факт. Вы могли бы быть правы, если бы массы всех нейтрино были достаточно тяжелыми, но у нас нет ограничений на массу самого легкого нейтрино. Так что это нейтрино все еще может быть крайне релятивистским.
@RobJeffries - Кроме того, даже если все нейтрино сегодня нерелятивистские, они все равно могли быть релятивистскими в ранней Вселенной, когда для роста структур требовалась холодная темная материя.
@FrankH Да, нейтрино - это горячая темная материя, потому что они были очень релятивистскими в эпоху, когда горизонт содержал массы космических структур, о которых идет речь.
@FrankH Самое массивное нейтрино должно быть больше 0,04 эВ. Сумма всех трех оценивается между 0,3 и < 2 эВ. Текущая температура нейтрино 1,95К. Так к Т / м ν с 2 ∼ 10 − 3 , так что не очень релятивистский. На самом деле не имеет значения, что происходит с самым легким, поскольку вкусы колеблются.
@RobJeffries - спасибо за образование. Я исправлю свой ответ...
@RobJeffries: «Сегодня нейтрино не являются релятивистскими ». — Вы имеете в виду, что первичные нейтрино (те, которые образовались во время или вскоре после Большого взрыва) сегодня не являются релятивистскими? Разве все нейтрино, которые мы можем в настоящее время обнаружить (от Солнца, от ядерных реакторов, кратковременно от SN 1987A и т. д.), не являются релятивистскими — главным образом потому, что мы в настоящее время не можем обнаружить нейтрино с более низкими энергиями?
@KeithThompson Да, я был небрежен. Я имею в виду, что первичные нейтрино сейчас не очень релятивистские. Нейтрино от звезд, сверхновых и т.д.
@RobJeffries: Классная штука, спасибо. Дополнительная информация: en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_neutrino_background

Горячая темная материя может быть частично нейтрино, но они (вероятно) недостаточно взаимодействуют, чтобы быть ответственными за первоначальное формирование галактик.

Ошибаюсь ли я, заключая, что они также не смогут объяснить кривые вращения галактик? Они предполагают гало распределения темной материи вокруг центров галактик. Нейтрино не имело бы такого пространственного распределения ни во время Большого взрыва, ни в более поздних ядерных реакциях.
@MSalters: Это, по сути, причина, по которой люди различают горячую и холодную темную материю. Чтобы объяснить как структуру космоса, так и кривые вращения, он должен достаточно остыть, чтобы собираться в галактиках или вокруг них.
@MSalters Ваш вопрос достоин дальнейшего обсуждения. Текущие оценки массы нейтрино делают их теперь нерелятивистскими и способными захватывать галактики и скопления. В зависимости от точной массы нейтрино можно было бы увеличить плотность нейтрино в 10 раз вокруг больших галактик.
Однако это усовершенствование все равно не дало бы массы, необходимой для объяснения кривых вращения галактик.
" они (вероятно) недостаточно взаимодействуют " из-за высоких скоростей?

Нейтрино от Большого взрыва были смещены в красную сторону до ~ 2K = ~ 0,0002 эВ, что значительно ниже, чем текущая наилучшая верхняя граница массы покоя нейтрино (0,1 эВ). У нас нет возможности напрямую обнаружить поток нейтрино при такой низкой энергии, а косвенные методы его определения в лучшем случае условны. Таким образом, первичные нейтрино действительно могут быть важным компонентом холодной/теплой темной материи. Мы не знаем.

Когда вы говорите о «нейтрино от большого взрыва», какую историю вы имеете в виду для них? Прошли бы они через некоторый период теплового равновесия, а затем разъединились бы? Если так, то не будет ли их изобилие ограничено известной физикой элементарных частиц?
Упомянутая верхняя граница будет чрезвычайно высокой из-за чрезвычайно низкой вероятности взаимодействия нейтрино с чем-либо. И такую ​​верхнюю границу следует воспринимать с большой долей скептицизма, пока кто-нибудь не объединит КМ с теорией относительности. Я помню, что потребовался бы световой год свинца, чтобы заблокировать примерно половину любого нейтринного потока. По совпадению, масса свинца в кубическом световом году, составляющая 11,3 г/см^3, будет на порядок меньше общей массы наблюдаемой Вселенной. Т.е. в среднем нейтрино должно пересечь большую часть Вселенной, чтобы снова поглотиться.
но вам не понадобится кубический световой год свинца, чтобы заблокировать любое данное нейтрино, всего один световой год, умноженный на площадь поперечного сечения нейтрино. хотя я предполагаю, что вы говорите, что если вы проинтегрируете все первичные нейтрино, у вас должен быть кубический световой год.
Но те же расчеты, которые дают вам температуру, говорят вам, сколько их должно быть и, следовательно, Ом ν ∼ 0,003 .
Да, этот ответ неверен, расчет дает Ом час 2 ≃ ∑ я м я 93  МэВ , посмотрите любой обзор на эту тему

Холодные нейтрино, слипшиеся вместе, образовали бы конденсат Ферми-Дирака. В отличие от электронов в атоме не было бы взаимного отталкивания и квантовые числа могли бы возрастать поистине «астрономически». Для большого концентрата все, кроме первых источников нейтрино, были бы далеко не холодными. Такой концентрат будет вести себя как огромный тяжелый шар из ненаблюдаемой, очень разреженной жидкости, что является именно тем, что вы видите в спиральной галактике с перемычкой. квадратный закон. Холодные нейтрино могли существовать с ранней Вселенной, но другим источником могут быть черные дыры, из которых они могут изливаться подобно излучению Хокинга или в результате аннигиляции аккреционного диска на горизонте событий.

Электронное отталкивание электронов никаким качественным образом не изменяет число заполнения атомов, оно лишь делает атомы немного больше, чем они были бы в противном случае, не в 10 раз. Нейтрино здесь не предполагается холодным, они должны были бы двигаться абсурдно медленно, чтобы это произошло. Нейтрино не испускаются Хокингом до тех пор, пока черная дыра не станет такой же малой, как комптоновская длина волны нейтрино, которая не бесконечна (нейтрино массивны).
Откуда мы знаем, что темная материя — это не просто нейтрино?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v