El experimento XENON1T ha revelado energía oscura

La energía oscura, la fuerza misteriosa que hace que el universo se acelere, puede ser responsable de los resultados inesperados del experimento XENON1T, debajo de los Apeninos italianos.

Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Cambridge y publicado en la revista revisión física d, sugiere que algunos de los resultados inexplicables del experimento XENON1T en Italia pueden ser causados ​​por la energía oscura, no por la materia oscura que el experimento fue diseñado para detectar.

“Fue sorprendente que este exceso fuera causado en principio por la energía oscura en lugar de la materia oscura. Cuando las cosas encajan de esa manera, es realmente especial”. – Soleado vagnozzi

Construyeron un modelo físico para ayudar a explicar los resultados, que pueden haberse originado a partir de partículas de energía oscura producidas en una región del Sol con fuertes campos magnéticos, aunque se requerirán experimentos futuros para confirmar esta interpretación. Los investigadores dicen que su estudio podría ser un paso importante hacia la detección directa de energía oscura.

Todo lo que nuestros ojos pueden ver en el cielo y en nuestro mundo cotidiano, desde pequeñas lunas hasta enormes galaxias, desde hormigas hasta ballenas azules, constituye menos del cinco por ciento del universo. El resto está oscuro. Aproximadamente el 27% es materia oscura, la fuerza invisible que mantiene unidas a las galaxias y la red cósmica, mientras que el 68% es energía oscura, lo que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.

El Dr. Sunny Fagnozzi del Instituto Kavli de Cosmología en Cambridge dijo: “Aunque ambos componentes son invisibles, sabemos mucho sobre la materia oscura, ya que se sugirió su existencia ya en la década de 1920, mientras que la energía oscura no se descubrió hasta 1998”. . El primer autor del artículo. “Los experimentos a gran escala como XENON1T están diseñados para detectar directamente la materia oscura, buscando signos de que la materia oscura ‘colisiona’ con la materia ordinaria, pero la energía oscura es más difícil”.

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Para descubrir la energía oscura, los científicos generalmente buscan interacciones gravitacionales: la forma en que la gravedad tira de los objetos. Y a mayor escala, el efecto gravitacional de la energía oscura es repugnante, separa las cosas y acelera la expansión del universo.

Hace aproximadamente un año, la prueba XENON1T informó una señal inesperada o aumentada sobre el fondo esperado. “Estos tipos de abuso a menudo son riesgosos, pero ocasionalmente también pueden conducir a descubrimientos fundamentales”, dijo el Dr. Luca Vecinelli, investigador de los Laboratorios Nacionales de Frascati en Italia, quien es coautor del estudio. “Descubrimos un modelo en el que esta señal podría atribuirse a la energía oscura, en lugar de a la materia oscura para la que se diseñó originalmente el experimento”.

En ese momento, la explicación más común del aumento eran los axiones (partículas hipotéticas ultraligeras) producidas en el sol. Sin embargo, esta interpretación no se sostiene para las observaciones, porque la cantidad de ejes necesarios para interpretar la señal XENON1T cambiaría radicalmente la evolución de estrellas mucho más pesadas que el Sol, en contraste con lo que observamos.

Estamos lejos de comprender completamente qué es la energía oscura, pero la mayoría de los modelos físicos de energía oscura conducirán a la existencia de la llamada quinta fuerza. Hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo, y cualquier cosa que no pueda ser explicada por una de estas fuerzas a veces se denomina resultado de una quinta fuerza desconocida.

Sin embargo, sabemos que la teoría de la gravedad de Einstein funciona muy bien en el universo local. Por lo tanto, cualquier quinta fuerza asociada con la energía oscura es indeseable y debe “ocultarse” o “examinarse” cuando se trata de escalas pequeñas, y solo puede funcionar a escalas mayores donde la teoría de la gravedad de Einstein no logra explicar la aceleración del universo. Para ocultar la quinta fuerza, muchos modelos de energía oscura están equipados con los llamados mecanismos de filtrado, que ocultan dinámicamente la quinta fuerza.

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Vagnozzi y sus colegas construyeron un modelo físico, que utilizó un tipo de mecanismo de detección conocido como alienígenas camaleón, para mostrar que las partículas de energía oscura producidas en los fuertes campos magnéticos del Sol podrían explicar el exceso de XENON1T.

“El tamizado de nuestro camaleón detiene la producción de partículas de energía oscura en objetos muy densos, evitando los problemas que tienen los ejes solares”, dijo Vagnozzi. “También nos permite separar lo que sucede en el universo local muy denso de lo que sucede en escalas más grandes, donde la densidad es muy baja”.

Los investigadores utilizaron su modelo para mostrar lo que sucedería en el detector si se produjera energía oscura en una región particular del sol, llamada tacoclina, donde los campos magnéticos son particularmente fuertes.

“Fue realmente sorprendente que este exceso fuera causado en principio por la energía oscura en lugar de la materia oscura”, dijo Fagnozzi. “Cuando haces clic en cosas juntas de esa manera, es realmente especial”.

Sus cálculos sugieren que experimentos como XENON1T, diseñados para detectar materia oscura, también podrían usarse para detectar energía oscura. Sin embargo, el aumento original aún no se ha confirmado de manera convincente. “Primero debemos saber que esto no fue solo una coincidencia”, dijo Vesinelli. “Si XENON1T realmente ve algo, esperaría ver un exceso similar nuevamente en futuras pruebas, pero esta vez con una señal mucho más fuerte”.

Si el exceso es causado por la energía oscura, las próximas actualizaciones del experimento XENON1T, así como los experimentos que persiguen objetivos similares como LUX-Zeplin y PandaX-xT, significan que la energía oscura podría detectarse directamente en la próxima década.

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Referencia: “Detección directa de energía oscura: Exceso de XENON1T y perspectivas futuras” por Sunny Fagnozzi, Luca Vecinelli, Philip Brax, Ann Kristen Davis y Jeremy Sachstein, 15 de septiembre de 2021, revisión física d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.063023

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