Przełom w fizyce - jesteśmy o krok od wykrycia ciemnej energii

Uczeni z Uniwersytetu w Cambridge opracowali model fizyczny, który wyjaśnia wyniki zebrane przez eksperyment XENON1T. Pierwotnie miał on wykrywać ciemną materię, ale uzyskane dane dotyczące ciemnej energii mogą mieć jeszcze większe znaczenie dla nauki.

Wszystko, co jesteśmy w stanie dostrzec wokół - od biedronek po gromady galaktyk - stanowi zaledwie mniej niż 5 proc. Wszechświata. Ok. 27 proc. stanowi ciemna materia - niewidzialna siła utrzymująca galaktyki razem - a 68 proc. należy do ciemnej energii, która sprawia, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej.

- Pomimo tego, że oba składniki są niewidoczne, wiemy o wiele więcej o ciemnej materii, ponieważ jej istnienie sugerowano już w latach dwudziestych XX wieku, podczas gdy ciemna energia została odkryta dopiero w 1998 roku. Wielkoskalowe eksperymenty, takie jak XENON1T, zostały zaprojektowane do bezpośredniego wykrywania ciemnej materii, poprzez poszukiwanie oznak ciemnej materii "uderzającej" w zwykłą materię, ale ciemna energia jest jeszcze bardziej nieuchwytna - powiedział dr Sunny Vagnozzi z Instytutu Kavli'ego w Cambridge, główny autor badań.

Do wykrycia śladów ciemnej energii konieczne jest namierzenie oddziaływań grawitacyjnych, czyli sposobu, w jaki grawitacja przyciąga obiekty do siebie. W skali kosmicznej efekt grawitacyjny jest odwrotny - odpycha obiekty od siebie i sprawia, że ekspansja Wszechświata przyspiesza.

Rok temu, eksperyment XENON1T odkrył coś niezwykłego. Naukowcy początkowo nie zdawali sobie znaczenia ze znaczenia detekcji, ale zaczęli badać odebrany sygnał pod kątem ciemnej energii.

Pierwszy trop padł na aksjony - hipotetyczne, lekkie cząstki elementarne produkowane przez Słońce. Wkrótce jednak je wykluczono, bo ilość aksjonów, które byłyby potrzebne do wygenerowania sygnału XENON1T nie pasowała do charakterystyki Słońca. Stąd sugestia, że sygnał może pochodzić od ciemnej energii.

Naukowcy wciąż nie wiedzą, czym dokładnie jest ciemna energia, ale większość modeli fizycznych łączy ją z istnieniem tzw. piątej siły. Zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy, istnieją cztery podstawowe siły: oddziaływania słabe (bozony), oddziaływania silne (gluony), oddziaływania elektromagnetyczne (fotony) i oddziaływania grawitacyjne (grawitony). Fizycy od dawna postulują istnienie piątego rodzaju oddziaływań, choć póki co nie ma żadnych wskazówek, czym może ono być.

Jeżeli piąta siła jest związana z ciemną energią, to musi być "ukryta" lub "ekranowana" w małych skalach i ujawniać się tylko w największych (kosmicznych), gdzie teoria grawitacji Einsteina nie wyjaśnia ekspansji Wszechświata. Wiele modeli ciemnej materii ma tzw. mechanizmy ekranujące, które ukrywają potencjalną piątą siłę.

Zespół Vagnozziego opracował model fizyczny wykorzystujący tzw. ekranowanie kameleonowe, aby udowodnić, że cząstki ciemnej materii produkowane w polu magnetycznym Słońca wyjaśniają sygnały XENON1T.

- Nasze ekranowanie kameleonowe wyłącza produkcję cząstek ciemnej energii w bardzo gęstych obiektach, unikając problemów, z jakimi borykają się aksjony. Pozwala nam również oddzielić to, co dzieje się w lokalnym bardzo gęstym Wszechświecie od tego, co dzieje się w największych skalach, gdzie gęstość jest ekstremalnie niska - dodał Vangnozzi.

Naukowcy zaprezentowali, co zostałoby wykryte w detektorze, gdyby cząstki ciemnej energii powstały w regionie Słońca zwanym tachokliną, gdzie występuje szczególnie silne pole magnetyczne. Zasugerowano, że nadmiar wykrytych cząstek może pochodzić od ciemnej energii.

To zaskakujące, ale okazuje się, że eksperymenty takie jak XENON1T, pierwotnie stworzone do wykrywania ciemnej materii, mogą służyć również do wykrywania ciemnej energii. Teraz fizycy muszą jeszcze potwierdzić, że odebrany sygnał nie był zwykłym przypadkiem. Jeżeli faktycznie coś wykryto, można się spodziewać, że przyszłe eksperymenty (LUX-Zeplin czy PandaX-xT) wykryją podobny nadmiar. To by oznaczało, że jesteśmy o krok od bezpośredniej detekcji ciemnej energii.