Ciemna energia, tajemnicza siła, która powoduje przyspieszenie wszechświata, mogła być odpowiedzialna za nieoczekiwane wyniki eksperymentu XENON1T głęboko pod włoskimi Apeninami.
Nowe badanie, prowadzone przez naukowców z University of Cambridge i opublikowane w czasopiśmie Physical Review D, sugeruje, że niektóre niewyjaśnione wyniki eksperymentu XENON1T we Włoszech mogły być spowodowane ciemną energią, a nie ciemną materią, do wykrycia której eksperyment został zaprojektowany.
Skonstruowali model fizyczny, aby pomóc wyjaśnić wyniki, które mogły pochodzić z cząstek ciemnej energii wytworzonych w regionie Słońca o silnych polach magnetycznych, chociaż przyszłe eksperymenty będą wymagane, aby potwierdzić to wyjaśnienie. Naukowcy twierdzą, że ich badania mogą być ważnym krokiem w kierunku bezpośredniego wykrywania ciemnej energii.
Wszystko, co nasze oczy widzą na niebie i w naszym codziennym świecie – od maleńkich księżyców po masywne galaktyki, od mrówek po płetwale błękitne – stanowi mniej niż pięć procent wszechświata. Reszta jest ciemna. Około 27% to ciemna materia – niewidzialna siła utrzymująca razem galaktyki i kosmiczną sieć – podczas gdy 68% to ciemna energia, która powoduje rozszerzanie się wszechświata w przyspieszonym tempie.
„Pomimo, że oba składniki są niewidoczne, wiemy znacznie więcej o ciemnej materii, ponieważ jej istnienie sugerowano już w latach dwudziestych XX wieku, podczas gdy ciemna energia została odkryta dopiero w 1998 roku” – powiedział dr Sunny Vagnozzi z Instytutu Kosmologii Kavli w Cambridge. pierwszy autor artykułu. „Eksperymenty na dużą skalę, takie jak XENON1T, zostały zaprojektowane w celu bezpośredniego wykrywania ciemnej materii poprzez poszukiwanie oznak, że ciemna materia uderza w zwykłą materię, ale ciemna energia jest jeszcze bardziej nieuchwytna”.
Aby wykryć ciemną energię, naukowcy zazwyczaj szukają interakcji grawitacyjnych: sposobu, w jaki grawitacja przyciąga obiekty. A w największych skalach efekt grawitacyjny ciemnej energii jest odpychający, odciągając rzeczy od siebie i przyspieszając ekspansję Wszechświata.
Mniej więcej rok temu eksperyment XENON1T zgłosił nieoczekiwany sygnał lub nadmiar w oczekiwanym tle. „Tego rodzaju ekscesy są często przypadkami, ale czasami mogą również prowadzić do fundamentalnych odkryć” – powiedział dr Luca Visinelli, naukowiec z Frascati National Laboratories we Włoszech, współautor badania. „Zbadaliśmy model, w którym ten sygnał można przypisać ciemnej energii, a nie ciemnej materii, którą eksperyment miał wykryć pierwotnie”.
W tamtych czasach najpopularniejszym wyjaśnieniem nadmiaru były aksiony – hipotetyczne, niezwykle lekkie cząstki – wytwarzane na Słońcu. Jednak to wyjaśnienie nie wytrzymuje obserwacji, ponieważ liczba aksjonów, które byłyby wymagane do wyjaśnienia sygnału XENON1T, drastycznie zmieniłaby ewolucję gwiazd znacznie cięższych niż Słońce, co jest sprzeczne z tym, co obserwujemy.
Daleko nam do pełnego zrozumienia, czym jest ciemna energia, ale większość fizycznych modeli ciemnej energii prowadziłaby do istnienia tak zwanej piątej siły. We wszechświecie istnieją cztery podstawowe siły i wszystko, czego nie można wyjaśnić jedną z tych sił, jest czasami określane jako wynik nieznanej piątej siły.
Wiemy jednak, że teoria grawitacji Einsteina działa wyjątkowo dobrze we wszechświecie lokalnym. Dlatego każda piąta siła związana z ciemną energią jest niepożądana i musi być „ukryta” lub „zasłoniona” w małych skalach i może działać tylko w największych skalach, w których teoria grawitacji Einsteina nie wyjaśnia przyspieszenia Wszechświata. Aby ukryć piątą siłę, wiele modeli na ciemną energię wyposażono w tzw. mechanizmy ekranowania, które dynamicznie ukrywają piątą siłę.
Vagnozzi i jego współautorzy skonstruowali model fizyczny, który wykorzystywał mechanizm przesiewania znany jako ekranowanie kameleonem, aby pokazać, że cząstki ciemnej energii wytwarzane w silnych polach magnetycznych Słońca mogą wyjaśnić nadmiar XENON1T.
„Nasze ekranowanie kameleonem wyłącza produkcję cząstek ciemnej energii w bardzo gęstych obiektach, unikając problemów, z jakimi borykają się aksjony słoneczne” – powiedział Vagnozzi. „Pozwala nam również oddzielić to, co dzieje się w lokalnym bardzo gęstym wszechświecie od tego, co dzieje się w największych skalach, gdzie gęstość jest wyjątkowo niska”.
Naukowcy wykorzystali swój model, aby pokazać, co by się stało w detektorze, gdyby ciemna energia została wytworzona w określonym regionie Słońca, zwanym tachokliną, gdzie pola magnetyczne są szczególnie silne.
„To było naprawdę zaskakujące, że ten nadmiar mógł w zasadzie być spowodowany raczej ciemną energią niż ciemną materią” – powiedział Vagnozzi. „Kiedy takie rzeczy do siebie pasują, jest to naprawdę wyjątkowe”.
Ich obliczenia sugerują, że eksperymenty takie jak XENON1T, które są zaprojektowane do wykrywania ciemnej materii, mogą być również wykorzystywane do wykrywania ciemnej energii. Jednak pierwotny nadmiar nadal wymaga przekonującego potwierdzenia. „Najpierw musimy wiedzieć, że to nie był zwykły przypadek” – powiedział Visinelli. „Jeśli XENON1T rzeczywiście coś zobaczył, można by się spodziewać podobnego nadmiaru w przyszłych eksperymentach, ale tym razem ze znacznie silniejszym sygnałem”.
Jeśli nadmiar był wynikiem ciemnej energii, nadchodzące ulepszenia eksperymentu XENON1T, a także eksperymenty zmierzające do podobnych celów, takie jak LUX-Zeplin i PandaX-xT, oznaczają, że możliwe będzie bezpośrednie wykrycie ciemnej energii w ciągu następnej dekady.
