Детектор темной материи мог случайно обнаружить темную энергию

В прошлом году физики сообщили, что экспериментальный детектор темной материи уловил странный сигнал, который может указывать на новую физику, при этом были выявлены несколько «подозреваемых». Кембриджские ученые предложили ответ, который в то время не рассматривался — эксперимент, возможно, впервые обнаружил темную энергию, таинственную силу, ускоряющую расширение Вселенной.

Хотя считается, что темная материя превосходит количественно обычную материю в пять раз, темная материя остается неуловимой. Он не взаимодействует со светом и, кажется, в основном проявляет себя через гравитационное влияние на космических масштабах, таких как звезды, галактики и скопления галактик.

Но время от времени частица темной материи может врезаться в обычную частицу материи таким образом, который мы можем обнаружить с помощью подходящего оборудования.

XENON1T был одной из версий этого оборудования. Эксперимент, проводившийся в Италии в период с 2016 по 2018 год, по сути представлял собой большой бак, полный жидкого ксенона, хранившийся глубоко под землей. Идея заключалась в том, что если частица темной материи пронесется через резервуар, она возбудит атомы ксенона, чтобы произвести вспышку света и свободных электронов, которую может обнаружить набор датчиков.

Но это не так уж просто, как может показаться. Другие известные частицы могут иметь такой же эффект. Размещение эксперимента под землей помогает уменьшить этот фоновый шум, но не весь. Итак, ученые вычисляют ожидаемый фоновый уровень событий, а затем проверяют, выше ли фактическое обнаружение.

И действительно, так оно и было. В прошлом году ученые сообщили о «удивительном превышении числа событий» — 53, если быть точным — над ожидаемым фоном в 232. Казалось, что-то странное происходило, но было ли это темной материей?

Главным кандидатом в то время была гипотетическая элементарная частица, называемая солнечным аксионом. Как следует из названия, они могут быть произведены Солнцем, и, хотя сами они не считаются кандидатами в темную материю, другие типы аксионов таковыми являются, поэтому обнаружение доказательств любого из них было бы важным шагом.

Но после дальнейшего исследования команда из Кембриджа утверждает, что для получения наблюдаемого сигнала потребуется слишком много солнечных аксионов.

Вместо этого они предлагают другого виновника — частицу-носитель силы для темной энергии. Так называется отталкивающая сила, которая, кажется, вызывает ускорение расширения Вселенной, и одна из ее моделей включает в себя так называемые частицы-хамелеоны.

По сути, предсказывается, что эти частицы будут иметь разные массы и влияние в зависимости от того, сколько вещества находится вокруг них. Таким образом, в областях с высокой плотностью, таких как Земля, их масса велика, но их сила действует только на крошечном расстоянии.

Однако в межзвездном пространстве, где почти нет материи, хамелеоны будут иметь меньшую массу, но их влияние простирается гораздо дальше. Такое переключение могло бы объяснить странное наблюдение о том, что темная энергия, похоже, не оказывает никакого эффекта локально, но сильно влияет в галактических масштабах.

Эта гипотеза может показаться слишком удобной, чтобы быть правдой, но они именно для этого — идеи, которые можно проверить, чтобы найти доказательства за или против. И, как утверждает команда физиков Кембриджа, мы, возможно, нашли доказательства того, что хамелеоны являются носителями темной энергии в избытке событий в XENON1T.

Исследователи смоделировали, что произойдет, если частицы-хамелеоны, созданные Солнцем, в сильно магнитной области, называемой тахоклином, пройдут через детектор XENON1T. И действительно, сигнал выглядел очень похоже на наблюдаемый.

 Смотрите также: «Магнитная» темная материя может ускорять расширение Вселенной

«Было действительно удивительно, что этот избыток в принципе мог быть вызван темной энергией, а не темной материей», — говорит Санни Вагноцци, первый автор исследования. «Когда все складывается так, это действительно что-то особенное».

Конечно, дело далеко не закрыто. Дополнительные события еще не подтверждены должным образом, но расширенные версии эксперимента могут уточнить результаты.

«Прежде всего нам нужно знать, что это не было просто случайностью, — говорит Лука Визинелли, соавтор исследования. «Если бы XENON1T действительно что-то увидел, вы бы ожидали увидеть подобный избыток снова в будущих экспериментах, но на этот раз с гораздо более сильным сигналом».

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D.