Детектор темної матерії міг випадково виявити темну енергію

Минулого року фізики повідомили, що експериментальний детектор темної матерії вловив дивний сигнал, який може вказувати на нову фізику, при цьому були виявлені кілька «підозрюваних». Кембриджські вчені запропонували відповідь, яку в той час не розглядали - експеримент, можливо, вперше виявив темну енергію, таємничу силу, яка прискорює розширення Всесвіту.

Хоча вважається, що темна матерія перевершує кількісно звичайну матерію в п'ять разів, темна матерія залишається невловимою. Він не взаємодіє зі світлом і, здається, переважно проявляє себе через гравітаційний вплив на космічних масштабах, таких як зірки, галактики і скупчення галактик.

Але час від часу частинка темної матерії може врізатися в звичайну частинку матерії таким чином, який ми можемо виявити за допомогою відповідного обладнання.

XENON1T був однією з версій цього обладнання. Експеримент, що проводився в Італії в період з 2016 по 2018 рік, по суті являв собою великий бак, повний рідкого ксенона, що зберігався глибоко під землею. Ідея полягала в тому, що якщо частинка темної матерії пронесеться через резервуар, вона збудить атоми ксенону, щоб здійснити спалах світла і вільних електронів, який може виявити набір датчиків.

Але це не так вже й просто, як може здатися. Інші відомі частинки можуть мати такий же ефект. Розміщення експерименту під землею допомагає зменшити цей фоновий шум, але не весь. Отже, вчені обчислюють очікуваний фоновий рівень подій, а потім перевіряють, чи вище фактичне виявлення.

І дійсно, так воно і було. Минулого року вчені повідомили про «дивовижне перевищення кількості подій» - 53, якщо бути точним - над очікуваним фоном у 232. Здавалося, щось дивне відбувалося, але чи було це темною матерією?

Головним кандидатом у той час була гіпотетична елементарна частинка, звана сонячним аксіоном. Як випливає з назви, вони можуть бути вироблені Сонцем, і, хоча самі вони не вважаються кандидатами в темну матерію, інші типи аксіонів такими є, тому виявлення доказів будь-якого з них було б важливим кроком.

Але після подальшого дослідження команда з Кембриджу стверджує, що для отримання спостережуваного сигналу потрібно занадто багато сонячних аксіонів.

Замість цього вони пропонують іншого винуватця - частинку-носій сили для темної енергії. Так називається відштовхувальна сила, яка, здається, викликає прискорення розширення Всесвіту, і одна з її моделей включає в себе так звані частинки-хамелеони.

По суті, передбачається, що ці частинки будуть мати різні маси і вплив залежно від того, скільки речовини знаходиться навколо них. Таким чином, в областях з високою щільністю, таких як Земля, їх маса велика, але їх сила діє тільки на крихітній відстані.

Однак у міжзоряному просторі, де майже немає матерії, хамелеони матимуть меншу масу, але їх вплив простягається набагато далі. Таке перемикання могло б пояснити дивне спостереження про те, що темна енергія, схоже, не надає ніякого ефекту локально, але сильно впливає в галактичних масштабах.

Ця гіпотеза може здатися занадто зручною, щоб бути правдою, але вони саме для цього - ідеї, які можна перевірити, щоб знайти докази за або проти. І, як стверджує команда фізиків Кембриджа, ми, можливо, знайшли докази того, що хамелеони є носіями темної енергії в надлишку подій в XENON1T.

Дослідники змоделювали, що станеться, якщо частинки-хамелеони, створені Сонцем, в сильно магнітній області, званій тахокліном, пройдуть через детектор XENON1T. І дійсно, сигнал виглядав дуже схоже на спостережуваний.

«Було дійсно дивно, що цей надлишок в принципі міг бути викликаний темною енергією, а не темною матерією», - говорить Санні Вагноцці, перший автор дослідження. «Коли все складається так, це дійсно щось особливе».

Звичайно, справа далеко не закрита. Додаткові події ще не підтверджені належним чином, але розширені версії експерименту можуть уточнити результати.

"Насамперед нам потрібно знати, що це не було просто випадковістю, - каже Лука Візінеллі, співавтор дослідження. «Якби XENON1T дійсно щось побачив, ви б очікували побачити подібний надлишок знову в майбутніх експериментах, але цього разу з набагато сильнішим сигналом».

Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review D.