Эксперимент XENON1T выявил темную энергию

Темная энергия, таинственная сила, которая заставляет Вселенную ускоряться, может быть причиной неожиданных результатов эксперимента XENON1T в глубине итальянских Апеннин.

Новое исследование, проведенное учеными из Кембриджского университета и опубликованное в журнале физический обзор d, предполагает, что некоторые из необъяснимых результатов эксперимента XENON1T в Италии могут быть вызваны темной энергией, а не темной материей, для обнаружения которой был разработан эксперимент.

Они построили физическую модель, чтобы помочь объяснить результаты, которые, возможно, возникли из-за частиц темной энергии, произведенных в области Солнца с сильными магнитными полями, хотя для подтверждения этой интерпретации потребуются будущие эксперименты. Исследователи говорят, что их исследование может стать важным шагом к прямому обнаружению темной энергии.

Все, что наши глаза могут видеть в небе и в нашем повседневном мире — от крошечных лун до огромных галактик, от муравьев до синих китов — составляет менее пяти процентов Вселенной. Остальное темно. Около 27% составляет темная материя — невидимая сила, удерживающая галактики и космическую паутину вместе — в то время как 68% — это темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться с ускоряющейся скоростью.

Доктор Санни Фагноцци из Института космологии Кавли в Кембридже сказал: «Хотя оба компонента невидимы, мы много знаем о темной материи, ее существование предполагалось еще в 1920-х годах, а темная энергия не была открыта до 1998 года». . Первый автор статьи. «Крупномасштабные эксперименты, подобные XENON1T, предназначены для непосредственного обнаружения темной материи путем поиска признаков« столкновения »темной материи с обычной материей, но с темной энергией труднее».

Чтобы обнаружить темную энергию, ученые обычно ищут гравитационные взаимодействия: то, как гравитация воздействует на объекты. А в более крупных масштабах гравитационный эффект темной энергии отвратителен, разрывая вещи на части и ускоряя расширение Вселенной.

Примерно год назад испытание XENON1T сообщило о неожиданном или усиленном сигнале по сравнению с ожидаемым фоном. «Эти виды злоупотреблений часто сопряжены с риском, но они также могут иногда приводить к фундаментальным открытиям», — сказал доктор Лука Вечинелли, исследователь Национальной лаборатории Фраскати в Италии, который является соавтором исследования. «Мы обнаружили модель, в которой этот сигнал можно отнести к темной энергии, а не к темной материи, для обнаружения которой изначально был разработан эксперимент».

В то время наиболее распространенным объяснением этого увеличения были аксионы — гипотетически очень легкие частицы — производимые на Солнце. Однако эта интерпретация не соответствует наблюдениям, потому что количество осей, необходимое для интерпретации сигнала XENON1T, радикально изменило бы эволюцию звезд, намного более тяжелых, чем Солнце, в отличие от того, что мы наблюдаем.

Мы далеки от полного понимания того, что такое темная энергия, но большинство физических моделей темной энергии приведут к существованию так называемой пятой силы. Во Вселенной четыре фундаментальных силы, и все, что нельзя объяснить одной из этих сил, иногда называют результатом неизвестной пятой силы.

Однако мы знаем, что теория гравитации Эйнштейна очень хорошо работает в локальной вселенной. Следовательно, любая пятая сила, связанная с темной энергией, нежелательна и должна быть «скрыта» или «исследована», когда дело доходит до малых масштабов, и может работать только в более крупных масштабах, где теория гравитации Эйнштейна не может объяснить ускорение Вселенной. Чтобы скрыть пятую силу, многие модели темной энергии оснащены так называемыми механизмами экранирования, которые динамически скрывают пятую силу.

Вагноцци и его коллеги построили физическую модель, в которой использовался тип механизма экранирования, известный как инопланетяне-хамелеоны, чтобы показать, что частицы темной энергии, образующиеся в сильных магнитных полях Солнца, могут объяснить избыток XENON1T.

«Изучение наших хамелеонов останавливает производство частиц темной энергии в очень плотных объектах, избегая проблем, с которыми сталкиваются солнечные оси», — сказал Вагноцци. «Это также позволяет нам отделить то, что происходит в очень плотной локальной вселенной, от того, что происходит в более крупных масштабах, где плотность очень мала».

Исследователи использовали свою модель, чтобы показать, что произойдет в детекторе, если темная энергия будет производиться в определенной области Солнца, называемой тахоклином, где магнитные поля особенно сильны.

«Было действительно удивительно, что этот избыток в принципе был вызван темной энергией, а не темной материей», — сказал Фагноцци. «Когда вы так складываете вещи вместе, это действительно особенное».

Их расчеты показывают, что такие эксперименты, как XENON1T, предназначенные для обнаружения темной материи, также могут быть использованы для обнаружения темной энергии. Однако первоначальное увеличение еще предстоит убедительно подтвердить. «Сначала нам нужно знать, что это не было простым совпадением», — сказал Весинелли. «Если XENON1T действительно что-то увидит, вы ожидаете увидеть подобный избыток снова в будущих испытаниях, но на этот раз с гораздо более сильным сигналом».

Если избыток вызван темной энергией, предстоящие обновления эксперимента XENON1T, а также эксперименты, преследующие аналогичные цели, такие как LUX-Zeplin и PandaX-xT, означают, что темная энергия может быть непосредственно обнаружена в течение следующего десятилетия.

Ссылка: «Прямое обнаружение темной энергии: избыток XENON1T и перспективы на будущее» Санни Фагноцци, Лука Вечинелли, Филип Бракс, Энн Кристен Дэвис и Джереми Сахштейн, 15 сентября 2021 г., физический обзор d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.063023