Experiência XENON1T revelou energia escura

A energia escura, a força misteriosa que faz o universo acelerar, pode ser responsável por resultados inesperados do experimento XENON1T, abaixo dos Apeninos italianos.

Um novo estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Cambridge e publicado na revista revisão física d, sugere que alguns dos resultados inexplicáveis ​​do experimento XENON1T na Itália podem ser causados ​​pela energia escura, não pela matéria escura que o experimento foi projetado para detectar.

Eles construíram um modelo físico para ajudar a explicar os resultados, que podem ter se originado de partículas de energia escura produzidas em uma região do Sol com fortes campos magnéticos, embora futuros experimentos sejam necessários para confirmar essa interpretação. Os pesquisadores dizem que seu estudo pode ser um passo importante para a detecção direta da energia escura.

Tudo o que nossos olhos podem ver no céu e em nosso mundo cotidiano – de pequenas luas a enormes galáxias, de formigas a baleias azuis – representa menos de 5% do universo. O resto está escuro. Cerca de 27% é matéria escura – a força invisível que mantém as galáxias e a teia cósmica juntas – enquanto 68% é energia escura, fazendo com que o universo se expanda em uma taxa acelerada.

O Dr. Sunny Fagnozzi, do Kavli Institute of Cosmology em Cambridge, disse: ‘Embora ambos os componentes sejam invisíveis, sabemos muito sobre a matéria escura, sua existência foi sugerida já na década de 1920, enquanto a energia escura não foi descoberta até 1998. ” . O primeiro autor do artigo. “Experimentos em larga escala como o XENON1T são projetados para detectar diretamente a matéria escura, procurando por sinais de matéria escura ‘colidindo’ com a matéria comum, mas a energia escura é mais difícil.”

Para descobrir a energia escura, os cientistas geralmente procuram as interações gravitacionais: a maneira como a gravidade atrai os objetos. E em escalas maiores, o efeito gravitacional da energia escura é nojento, separando as coisas e acelerando a expansão do universo.

Cerca de um ano atrás, o teste XENON1T relatou um sinal inesperado ou aumentado em relação ao plano de fundo esperado. “Esses tipos de abuso costumam ser arriscados, mas também podem ocasionalmente levar a descobertas fundamentais”, disse o Dr. Luca Vecinelli, pesquisador do Frascati National Laboratories, na Itália, coautor do estudo. “Nós descobrimos um modelo no qual este sinal pode ser atribuído à energia escura, ao invés da matéria escura que o experimento foi originalmente projetado para detectar.”

Na época, a explicação mais comum para o aumento eram os axions – hipoteticamente, partículas muito leves – produzidas no sol. No entanto, essa interpretação não se sustenta nas observações, pois a quantidade de eixos necessária para interpretar o sinal XENON1T mudaria radicalmente a evolução de estrelas muito mais pesadas que o Sol, ao contrário do que observamos.

Estamos longe de compreender completamente o que é a energia escura, mas a maioria dos modelos físicos de energia escura levará à existência da chamada quinta força. Existem quatro forças fundamentais no universo, e tudo o que não pode ser explicado por uma dessas forças é às vezes referido como o resultado de uma quinta força desconhecida.

No entanto, sabemos que a teoria da gravidade de Einstein funciona muito bem no universo local. Portanto, qualquer quinta força associada à energia escura é indesejável e deve ser “escondida” ou “examinada” quando se trata de escalas pequenas, e só pode funcionar em escalas maiores onde a teoria da gravidade de Einstein falha em explicar a aceleração do universo. Para ocultar a quinta força, muitos modelos de energia escura são equipados com os chamados mecanismos de proteção, que ocultam dinamicamente a quinta força.

Vagnozzi e seus colegas construíram um modelo físico, que usava um tipo de mecanismo de triagem conhecido como alienígenas camaleão, para mostrar que as partículas de energia escura produzidas nos fortes campos magnéticos do Sol poderiam explicar o excesso de XENON1T.

“Peneirar nosso camaleão interrompe a produção de partículas de energia escura em objetos muito densos, evitando os problemas que os eixos solares têm”, disse Vagnozzi. “Também nos permite separar o que acontece no universo local muito denso do que acontece em escalas maiores, onde a densidade é muito baixa.”

Os pesquisadores usaram seu modelo para mostrar o que aconteceria no detector se a energia escura fosse produzida em uma região específica do sol, chamada taquoclina, onde os campos magnéticos são particularmente fortes.

“Foi realmente surpreendente que esse excesso tenha sido causado, em princípio, pela energia escura, e não pela matéria escura”, disse Fagnozzi. “Quando você clica em coisas assim, é realmente especial.”

Seus cálculos sugerem que experimentos como o XENON1T, projetado para detectar matéria escura, também podem ser usados ​​para detectar energia escura. No entanto, o aumento original ainda não foi confirmado de forma convincente. “Primeiro, precisamos saber que não foi apenas uma coincidência”, disse Vesinelli. “Se o XENON1T realmente ver algo, você esperaria ver um excesso semelhante novamente em testes futuros, mas desta vez com um sinal muito mais forte.”

Se o excesso for causado pela energia escura, as próximas atualizações do experimento XENON1T, bem como experimentos que buscam objetivos semelhantes, como LUX-Zeplin e PandaX-xT, significam que a energia escura pode ser detectada diretamente na próxima década.

Referência: “Detecção direta de energia escura: excesso de XENON1T e perspectivas futuras” Por Sunny Fagnozzi, Luca Vecinelli, Philip Brax, Ann Kristen Davis e Jeremy Sachstein, 15 de setembro de 2021 Disponível aqui revisão física d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.063023