Experimentul XENON1T a dezvăluit energia întunecată

Energia întunecată, forța misterioasă care determină accelerarea universului, poate fi responsabilă pentru rezultatele neașteptate din experimentul XENON1T, sub Munții Apenini italieni.

Un nou studiu condus de cercetători de la Universitatea din Cambridge și publicat în jurnal revizuirea fizică d, sugerează că unele dintre rezultatele inexplicabile ale experimentului XENON1T din Italia pot fi cauzate de energia întunecată, nu de materia întunecată pe care experimentul a fost conceput să o detecteze.

Ei au construit un model fizic pentru a ajuta la explicarea rezultatelor, care ar fi putut proveni din particule de energie întunecată produse într-o regiune a Soarelui cu câmpuri magnetice puternice, deși vor fi necesare experimente viitoare pentru a confirma această interpretare. Cercetătorii spun că studiul lor ar putea fi un pas important către detectarea directă a energiei întunecate.

Tot ceea ce ochii noștri pot vedea pe cer și în lumea noastră de zi cu zi – de la lunile mici la galaxii uriașe, de la furnici la balene albastre – reprezintă mai puțin de cinci la sută din univers. Restul este întunecat. Aproximativ 27% este materie întunecată – forța invizibilă care ține galaxiile și rețeaua cosmică împreună – în timp ce 68% este energie întunecată, determinând expansiunea universului cu o viteză accelerată.

Dr. Sunny Fagnozzi de la Institutul de Cosmologie Kavli din Cambridge a spus: „Deși ambele componente sunt invizibile, știm multe despre materia întunecată, existența ei fiind sugerată încă din anii 1920, în timp ce energia întunecată nu a fost descoperită până în 1998”. . Primul autor al lucrării. „Experimentele la scară largă, precum XENON1T, sunt concepute pentru a detecta direct materia întunecată, căutând semne ale materiei întunecate„ ciocnite ”cu materia obișnuită, dar energia întunecată este mai dificilă.”

Pentru a descoperi energia întunecată, oamenii de știință caută în general interacțiuni gravitaționale: felul în care gravitația atrage obiecte. Și la scări mai mari, efectul gravitațional al energiei întunecate este dezgustător, distrugând lucrurile și accelerând expansiunea universului.

În urmă cu aproximativ un an, studiul XENON1T a raportat un semnal neașteptat sau crescut pe fondul așteptat. „Aceste tipuri de abuzuri sunt adesea riscante, dar pot duce și ocazional la descoperiri fundamentale”, a spus dr. Luca Vecinelli, cercetător la Laboratoarele Naționale Frascati din Italia, care este coautor al studiului. „Am descoperit un model în care acest semnal ar putea fi atribuit energiei întunecate, mai degrabă decât materiei întunecate pe care experimentul a fost conceput inițial să o detecteze”.

La acea vreme, cea mai comună explicație pentru creștere a fost axiile – particule ipotetice, ultra-ușoare – produse la soare. Cu toate acestea, această interpretare nu se menține la observații, deoarece cantitatea de axe necesare pentru interpretarea semnalului XENON1T ar schimba radical evoluția stelelor mult mai grele decât Soarele, spre deosebire de ceea ce observăm.

Suntem departe de a înțelege pe deplin ce este energia întunecată, dar majoritatea modelelor fizice ale energiei întunecate vor duce la existența așa-numitei forțe a cincea. Există patru forțe fundamentale în univers și orice lucru care nu poate fi explicat de una dintre aceste forțe este uneori menționat ca rezultatul unei forțe a cincea necunoscute.

Cu toate acestea, știm că teoria gravitației a lui Einstein funcționează foarte bine în universul local. Prin urmare, orice a cincea forță asociată cu energia întunecată este nedorită și ar trebui „ascunsă” sau „examinată” atunci când vine vorba de scări mici și nu poate funcționa decât la scări mai mari, unde teoria gravitației lui Einstein nu reușește să explice accelerarea universului. Pentru a ascunde forța a cincea, multe modele de energie întunecată sunt echipate cu așa-numitele mecanisme de screening, care ascund dinamic a cincea forță.

Vagnozzi și colegii săi au construit un model fizic, care a folosit un tip de mecanism de screening cunoscut sub numele de extratereștri cameleoni, pentru a arăta că particulele de energie întunecată produse în câmpurile magnetice puternice ale Soarelui ar putea explica excesul de XENON1T.

„Cernerea cameleonului nostru oprește producția de particule de energie întunecată în obiecte foarte dense, evitând problemele pe care le au axele solare”, a spus Vagnozzi. „De asemenea, ne permite să separăm ceea ce se întâmplă în universul local foarte dens de ceea ce se întâmplă la scări mai mari, unde densitatea este foarte mică.”

Cercetătorii și-au folosit modelul pentru a arăta ce s-ar întâmpla în detector dacă energia întunecată ar fi produsă într-o anumită regiune a soarelui, numită tahoclină, unde câmpurile magnetice sunt deosebit de puternice.

„A fost cu adevărat surprinzător faptul că acest exces a fost cauzat, în principiu, de energia întunecată, mai degrabă decât de materia întunecată”, a spus Fagnozzi. „Când faceți clic pe lucruri așa, este cu adevărat special.”

Calculele lor sugerează că experimente precum XENON1T, concepute pentru detectarea materiei întunecate, ar putea fi folosite și pentru detectarea energiei întunecate. Cu toate acestea, creșterea inițială nu a fost încă confirmată în mod convingător. „Mai întâi trebuie să știm că aceasta nu a fost doar o coincidență”, a spus Vesinelli. „Dacă XENON1T vede de fapt ceva, te-ai aștepta să vezi din nou un exces similar în viitoarele încercări, dar de data aceasta cu un semnal mult mai puternic”.

Dacă excesul este cauzat de energia întunecată, actualizările viitoare ale experimentului XENON1T, precum și experimentele care urmăresc obiective similare, cum ar fi LUX-Zeplin și PandaX-xT, înseamnă că energia întunecată ar putea fi detectată direct în următorul deceniu.

Referință: „Detectarea directă a energiei întunecate: excesul de XENON1T și perspectivele viitoare” de Sunny Fagnozzi, Luca Vecinelli, Philip Brax, Ann Kristen Davis și Jeremy Sachstein, 15 septembrie 2021, revizuirea fizică d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.063023