Dodano: 22 wrzesień 2021r.

Nietypowe sygnały z detektora ciemnej materii to ciemna energia? Fizycy twierdzą, że jest taka możliwość

Analizy przeprowadzone przez naukowców z University of Cambridge sugerują, że niektóre niewyjaśnione wyniki eksperymentu XENON1T we Włoszech z ubiegłego roku mogły być spowodowane ciemną energią, a nie ciemną materią, do której wykrycia eksperyment został zaprojektowany.

Ciemna materia

 

W ubiegłym roku fizycy pracujący przy projekcie XENON1T poinformowali o wykryciu nietypowych sygnałów, które, jak stwierdzili, mogły być oznaką aksjonów, hipotetycznych cząstek subatomowych spoza Modelu Standardowego, które są kandydatami na cząstki tworzące ciemną materię. Teraz inny zespół fizyków zaproponował alternatywną odpowiedź. Według nich nieoczekiwanie duża aktywność zarejestrowana w detektorze XENON1T mogła być spowodowana interakcjami nie z ciemną materią, ale z ciemną energią.

Wyniki badań naukowców z University of Cambridge zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review D” (DOI: 10.1103/PhysRevD.104.063023).

Ciemna materia

Aksjony to hipotetyczne cząstki subatomowe spoza Modelu Standardowego, które mogą tworzyć ciemną materię. Zgodnie z przewidywaniami, nie mają one ładunku elektrycznego ani spinu. Nazwę nadał im amerykański fizyk polsko-włoskiego pochodzenia – Frank Wilczek, a pochodzi ona od marki pewnego proszku do prania.

Ciemna materia to także hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach. Widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty. Modele wskazują, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej, niż materii zwykłej.

Mimo lat poszukiwań istnienie ciemnej materii nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest jej dokładna natura i co ją tworzy. Zarówno obserwacje, jak i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5 proc. masy i energii zawartej we Wszechświecie to materia barionowa, czyli ta zwykła, znana nam materia. Reszta to nieznane nam jeszcze składniki stanowiące ciemną materię oraz ciemną energię, która też jest hipotetyczną formą energii.

Ciemna energia

Ciemnej energii również nie jesteśmy w stanie bezpośredniego wykryć. Wnioskujemy o jej istnieniu dzięki obserwacjom przyśpieszającej ekspansji Wszechświata. Coś sprawia, że ​​Wszechświat rozszerza się coraz szybciej i nie potrafimy tego wytłumaczyć.

Aby wykryć ciemną energię, naukowcy zazwyczaj szukają jej interakcji grawitacyjnych z otoczeniem. Chodzi o sposób, w jaki przyciąga obiekty, a właściwie nie przeciąga, a odpycha, bo w największych skalach, efektem grawitacyjnym ciemnej energii będzie odpychanie obiektów od siebie, co przyspiesza ekspansję Wszechświata.

Jak wskazują naukowcy, około 5 procent Wszechświata to normalna materia, taka jak gwiazdy, czarne dziury, planety i my - ludzie. Dalsze około 21 procent to ciemna materia. Pozostałe 74 procent to ciemna energia. Te szacunki różnią się i według niektórych badaczy ciemnej energii może być około 68 proc., a ciemnej materii 27 proc. we Wszechświecie. Można spotkać też inne wartości, a szacunki właściwie nie różnią się tylko w ocenie proporcji materii widzialnej.

- Pomimo, że oba składniki są niewidoczne, wiemy znacznie więcej o ciemnej materii, ponieważ jej istnienie sugerowano już w latach dwudziestych XX wieku, podczas gdy ciemna energia została odkryta dopiero w 1998 roku – powiedział kosmolog Sunny Vagnozzi z Kavli Institute for Cosmology Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii. - Eksperymenty na dużą skalę, takie jak XENON1T, zostały zaprojektowane w celu bezpośredniego wykrywania ciemnej materii poprzez poszukiwanie oznak, że ciemna materia uderza w zwykłą materię, ale ciemna energia jest jeszcze bardziej nieuchwytna – dodał.

Projekt XENON

Głęboko pod powierzchnią, około 1400 metrów pod masywem Gran Sasoo we włoskich Apeninach, znajduje się podziemne laboratorium LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), w którym naukowcy poszukują cząstek ciemnej materii. W projekt zaangażowanych jest ponad 160 naukowców z całego świata.

Obecnie głównym instrumentem naukowym jest detektor XENON1T, którego centralna część składa się z cylindrycznego zbiornika o długości około jednego metra wypełnionego 3200 kilogramami ciekłego ksenonu schłodzonego do temperatury minus 95 stopni Celsjusza.

Ten szlachetny gaz jest jedną z najczystszych, najbardziej odpornych na promieniowanie substancji na Ziemi, co czyni go idealnym celem do wychwytywania najrzadszych interakcji cząstek we Wszechświecie. Detektor został umiejscowiony głęboko pod ziemią, by promieniowanie kosmiczne nie generowało fałszywych sygnałów.

Założenie eksperymenty jest takie: gdy cząstki ciemnej materii wpadną do detektora, zderzą się z atomami ksenonu, a energia tego zderzenia trafi do jądra, które z kolei wzbudzi jądra innych atomów, co spowoduje emisję w zakresie ultrafioletu. Emisję tę mają wykryć ultraczułe czujniki detektora.

Obecny detektor XENON1T to następca poprzednich detektorów XENON10 oraz XENON100. Od 2006 roku uczeniu budują pod masywem Gran Sasso coraz większe detektory, z nadzieją, że znajdą w końcu cząstkę ciemnej materii. Obecnie trwają pracę nad kolejnym, większym instrumentem o nazwie XENONnT.

Wykrycie nietypowych sygnałów

Detektor XENON1T, poza wspomnianymi wcześniej błyskami światła w ultrafiolecie, może spróbować zarejestrować zderzenia cząstek ciemnej materii z elektronem w atomach ksenonu. Zwykle tego typu zdarzenia, choć rejestrowane, były traktowane jako szum pochodzący z innych źródeł i odfiltrowywane z danych.

W ubiegłym roku fizycy pracujący prze projekcie XENON1T skupili się właśnie na tym szumie tła. W danych znaleźli kilkadziesiąt nadmiarowych tego typu zdarzeń w stosunku do oczekiwanego poziomu szumu tła. Zmusiło ich to do zweryfikowania analiz i zastanowienia się, czy czasami nie zarejestrowano sygnału z nieznanego źródła.

- Tego rodzaju detekcje są często przypadkami, ale czasami mogą również prowadzić do fundamentalnych odkryć – powiedział dr Luca Visinelli z Frascati National Laboratories we Włoszech, współautor badania.

Naukowcy z projektu XENON1T zaproponowali kilka możliwych wyjaśnień nietypowych sygnałów. Najpopularniejsze, czyli koncepcja o rejestracji aksjonów wytwarzanych wewnątrz Słońca, okazało się błędne, bo jak pokazały analizy innych zespołów badawczych, ilość aksjonów, która musiałaby dotrzeć ze Słońca, by spowodować podobny do zarejestrowanego sygnał, musiałaby być bardzo duża, a to drastycznie zmieniałoby ewolucję gwiazd, co jest sprzeczne z obserwacjami.

Ślady nieuchwytnej siły

- Zbadaliśmy model, w którym ten sygnał można przypisać ciemnej energii, a nie ciemnej materii, którą eksperyment miał pierwotnie wykryć – powiedział Visinelli.

Autorzy nowej publikacji opracowali model fizyczny, który wyjaśnia ubiegłoroczne detekcje. Według niego, zarejestrowane sygnały to cząstki ciemnej energii wytworzone w regionie Słońca o silnych polach magnetycznych, chociaż, jak podkreślają naukowcy, potrzebne będą dodatkowe badania, aby potwierdzić to wyjaśnienie.

Naukowcy wykorzystali swój model, aby pokazać, co by się stało w detektorze takim jak XENON1T, gdyby ciemna energia została wytworzona w określonym regionie Słońca, zwanym tachokliną, gdzie pola magnetyczne są szczególnie silne. Okazało się, że model pasuje do zarejestrowanych detekcji. - To było naprawdę zaskakujące. Kiedy takie rzeczy do siebie pasują, jest to naprawdę wyjątkowe – przyznał Visinelli.

Nowe kalkulacje sugerują, że eksperymenty takie jak XENON1T, które są zaprojektowane do wykrywania ciemnej materii, mogą być również wykorzystywane do wykrywania ciemnej energii. Jednak koncepcja ta nadal wymaga przekonującego potwierdzenia. - Najpierw musimy wiedzieć, że to nie był zwykły przypadek, zakłócenie. Jeśli XENON1T rzeczywiście coś wykrył, można by się spodziewać podobnego rezultatu w przyszłych eksperymentach – powiedział Visinelli.

 

Źródło: University of Cambridge