Miał szukać ciemnej materii, a zarejestrował ciemną energię?

| Astronomia/fizyka
Xenon1t.org

Prowadzony głęboko pod włoskimi Alpami eksperyment XENON1T mógł wykryć ciemną energię, twierdzą członkowie międzynarodowej grupy badawczej, na której czele stali uczeni z Cambridge University. W artykule opublikowanym na łamach Physical Review D uczeni z Wielkiej Brytanii, Włoch, Holandii, Francji i USA donoszą, że część z niewyjaśnionych sygnałów mogło zostać spowodowanych interakcją z ciemną energią, a nie ciemną materią dla której XENON1T został zaprojektowany.

XENON1T znajduje się we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso położonym 1400 metrów pod masywem Gran Sasso. To wykrywacz ciemnej materii, a jego umiejscowienie głęboko pod ziemią ma chronić przed promieniowaniem kosmicznym generującym fałszywe sygnały. Zgodnie z teoretycznymi założeniami, cząstki ciemnej materii mają zderzać się z atomami w detektorze, a sygnały ze zderzeń będą rejestrowane.

Centralna część XENON1T to cylindryczny zbiornik o długości 1 metra wypełniony 3200 kilogramami płynnego ksenonu o temperaturze -95 stopni Celsjusza. Gdy ciemna materia zderzy się z atomem ksenonu, energia trafia do jądra, które pobudza jądra innych atomów. Wskutek tego pobudzenia pojawia się słaba emisja w zakresie ultrafioletu, którą wykrywają czujniki na górze i na dole cylindra. Te same czujniki są też zdolne do zarejestrowania ładunku elektrycznego pojawiającego się wskutek zderzenia.

Przed rokiem informowaliśmy, że „Najczulszy detektor ciemnej materii zarejestrował niezwykłe sygnały. Fizycy nie wiedzą, czym one są", a kilka miesięcy później pojawiła się informacja o kilku interesujących hipotezach dotyczących tych sygnałów. Nikt wówczas nie przypuszczał, że rozwiązaniem zagadki może być ciemna energia, gdyż XENON1T nie został przygotowany do jej rejestrowania.

Autorzy najnowszych badań stworzyli model fizyczny, który wyjaśnia część z tych niezwykłych sygnałów. Zgodnie z nim, mamy tu do czynienia z cząstkami ciemnej energii, które powstały w regionie Słońca o silnych polach magnetycznych.

To, co jesteśmy w stanie obecnie dostrzec stanowi mniej niż 5% wszechświata. Cała reszta jest dla nas ciemna. Wszechświat składa się w 27% z ciemnej materii, a 68% stanowi ciemna energia. Pomimo tego, że obie te składowe są dla nas niewidoczne, znacznie więcej wiemy o ciemnej materii, gdyż jej obecność sugerowano już w latach 20. ubiegłego wieku. O tym, że musi istnieć też ciemna energia dowiedzieliśmy się dopiero w 1998 roku, wyjaśnia doktor Sunny Vagnozzi z Kavli Institute for Cosmology na Cambridge University. Wielkie eksperymenty, jak XENON1T zostały zaprojektowane tak, by bezpośrednio wykrywać ciemną materię, rejestrując zderzenia jej cząstek z cząstkami zwykłej materii. Jednak uchwycenie ciemnej energii jest jeszcze trudniejsze.

Chcąc wykryć ciemną energię naukowcy poszukują dowodów jej oddziaływania grawitacyjnego na otoczenie. Wiemy, że w największej skali – całego wszechświata – ciemna energia odpycha obiekty od siebie, dlatego też wszechświat rozszerza się coraz szybciej.

Przy tego typu złożonych badaniach często pojawiają się niewytłumaczalne sygnały, które po analizach zwykle okazują się różnego typu zakłóceniami. Gdy w XENON1T zarejestrowano w ubiegłym roku wspomniane już tajemnicze sygnały, pojawiło się kilka pomysłów na to, czym mogą one być. Najpopularniejsze wyjaśnienie brzmiało, że zarejestrowano aksjony, hipotetyczne cząstki tworzące ciemną materię, oraz że pochodziły one ze Słońca. Jednak analizy wykazały, że liczba aksjonów, które musiałyby dotrzeć do nas ze Słońca, by wywołać taki sygnał w XENON1T musiałaby być bardzo duża. Tak duża, że gdyby gwiazdy emitowały tyle aksjonów, to gwiazdy o masie większej od masy Słońca ewoluowałyby w inny sposób, niż ewoluują.

Autorzy najnowszych badań przyjęli więc założenie, że tajemnicze sygnały wywołała ciemna energia. I stworzyli model, który pokazuje, co powinien zarejestrować XENON1T gdyby dotarła doń ciemna energia wygenerowana w tachoklinie, obszarze Słońca, w którym pola magnetyczne są wyjątkowo silne.

Naukowcy byli zaskoczeni, gdy okazało się, że ich model pasuje do obserwacji. Uzyskane wyniki sugerują bowiem, że wykrywacze takie jak XENON1T mogą być też używane do poszukiwania ciemnej energii. Vagnozzi i jego koledzy zastrzegają jednak, że ich badania wciąż wymagają potwierdzenia. Musimy wiedzieć, że to nie jest jakieś zakłócenie. Jeśli jednak XENON1T coś zarejestrował, to w niedalekiej przyszłości powinniśmy zarejestrować podobne, ale znacznie silniejsze sygnały, mówi Luca Visinelli z Narodowych Laboratoriów Frascati we Włoszech.

Uczony ma tutaj na myśli badania prowadzone przez znacznie większe i doskonalsze urządzenia. Takie jak LUX-ZEPLIN, XENONnT czy PandaX-xT, które już rozpoczęły pracę lub w najbliższym czasie ją rozpoczną.

Autor:

Źródło: University of Cambridge

XENON1T ciemna materia ciemna energia