Die Lösung eines kosmologischen Geisterteilchen-Rätsels: Theorie, dass Neutrinos das Universum formen, bestätigt.

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Die Wirkung, die nahezu massenlose, subatomare Teilchen, Neutrinos genannt, auf die Entstehung von Galaxien haben, ist seit langem ein kosmologisches Rätsel – ein Rätsel, das die Physiker seit der Entdeckung der Teilchen im Jahr 1956 zu messen versuchen.

Doch ein internationales Forschungsteam, zu dem auch der Principal Investigator Naoki Yoshida vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) gehört, der auch Professor am Fachbereich Physik der Universität Tokio ist, hat kosmologische Simulationen erstellt, die die Rolle der Neutrinos bei der Entwicklung des Universums genau abbilden. Ihre Studie wurde kürzlich im The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Der Kosmologe Dr. Shun Saito von der Missouri University of Science and Technology (Missouri S&T), ein Assistenzprofessor für Physik und Forscher im Team, bezeichnet die Arbeit als einen Meilenstein im Prozess der Simulation der Entstehung der Struktur des Universums. Saito ist auch als assoziierter Gastwissenschaftler an der IPMU in Kavli tätig.

Das Team verwendete ein System von Differentialgleichungen, die als Wlasow-Poisson-Gleichungen bekannt sind, um zu erklären, wie sich Neutrinos durch das Universum bewegen, wobei ihrer Masse unterschiedliche Werte zugeordnet werden.

Die Technik stellte die Geschwindigkeitsverteilungsfunktion der Neutrinos genau dar und verfolgte ihre Entwicklung über die Zeit. Die Forscher untersuchten dann die Auswirkungen von Neutrinos auf die Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass Neutrinos die Anhäufung von dunkler Materie – der undefinierten Masse im Universum – und damit auch von Galaxien unterdrücken. Sie fanden heraus, dass neutrino-reiche Regionen stark mit massereichen Galaxienhaufen korreliert sind und dass die effektive Temperatur der Neutrinos je nach der Masse des Neutrinos stark variiert.

Die Forscher sagen, dass die strengsten Experimente, die zur Abschätzung der Neutrinomasse verwendet werden, kosmologische Beobachtungen sind, aber auf diese kann man sich nur verlassen, wenn die Simulationsvorhersagen genau sind.

“Insgesamt stimmen unsere Ergebnisse sowohl mit den theoretischen Vorhersagen als auch mit den Ergebnissen früherer Simulationen überein”, sagt Dr. Kohji Yoshikawa vom Center for Computational Sciences an der Universität Tsukuba und Hauptautor der Studie. “Es ist beruhigend, dass die Ergebnisse aus völlig unterschiedlichen Simulationsansätzen miteinander übereinstimmen”, sagt Dr. Kohji Yoshikawa vom Center for Computational Sciences der Universität Tsukuba und Hauptautor der Studie.

“Unsere Simulationen sind wichtig, weil sie der unbekannten Menge der Neutrinomasse Grenzen setzen”, sagt Saito von Missouri S&T. “Neutrinos sind die leichtesten Teilchen, die wir kennen. Wir haben erst vor kurzem gelernt, dass Neutrinos eine Masse haben, die aus der Entdeckung stammt, die 2015 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde”.

Mit diesem Preis wurden zwei Wissenschaftler ausgezeichnet, darunter Kavli IPMU Principal Investigator Takaaki Kajita, der auch Direktor am Institut für Forschung an kosmischen Strahlen an der Universität Tokio ist, für ihre getrennten Entdeckungen, dass sich eine Art von Neutrinos in eine andere verwandeln kann, die zeigten, dass Neutrinos Masse haben.

“Unsere Arbeit könnte letztlich zu einer robusten Bestimmung der Neutrinomasse führen”, sagt Saito.

Dr. Satoshi Tanaka, ein Postdoc-Stipendiat am Yukawa-Institut für Theoretische Physik an der Universität Kyoto, war das vierte Mitglied der Studie mit dem Titel “Kosmologische Wlasow-Poisson-Simulationen der Strukturbildung mit Neutrinorelikten”: Nichtlineare Clusterbildung und die Neutrinomasse”.

Referenz: “Kosmologische Wlasow-Poisson-Simulationen der Strukturbildung mit Reliktneutrinos”: Nonlinear Clustering and the Neutrino Mass” von Kohji Yoshikawa, Satoshi Tanaka, Naoki Yoshida und Shun Saito, 30. November 2020, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/abbd46.

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