Детектор под Гран-Сассо, возможно, впервые обнаружил темную энергию

Самый большой детектор частиц из когда-либо построенных называется Xenon1t. Он расположен под Гран-Сассо в Абруццо, Италия, и был разработан для обнаружения темной материи, составляющей большую часть нашей Вселенной. Однако недавно он зарегистрировал неожиданный сигнал, который скорее может принадлежать другому, доселе неизвестному космическому компоненту - темной энергии.

С 2016 по 2018 год эксперимент Xenon1t активно проводился под землей в Национальной лаборатории INFN в Гран-Сассо в Абруццо. Это эксперимент с наилучшей в мире чувствительностью для прямого поиска темной материи. Состоящий из огромного цилиндрического металлического контейнера, он содержит детектор, состоящий из жидкого ксенона, погруженного в воду. Он был построен для обнаружения большого процента материи во Вселенной - темной материи. Однако новое исследование, проведенное под руководством ученых Кембриджского университета, предполагает, что некоторые необъяснимые результаты Xenon1t могут быть вызваны темной энергией. Если это подтвердится, то это будет первым доказательством существования пятой силы во Вселенной.

Темная энергия: что мы знаем и что предполагаем

Вселенная состоит только из 5% материи, которую могут видеть наши глаза или окуляры наших телескопов. Все остальное абсолютно темно, потому что не взаимодействует со светом. Из этой темноты небольшая часть является темной материей, которая, как мы предполагаем, соединяет галактики в космическую паутину. Оставшиеся 68% мы называем темной энергией, которая отвечает за ускорение Вселенной.

Оба они невидимы, и их очень трудно обнаружить. Сначала темная материя, потому что она не испускает никакого излучения и взаимодействует только с гравитационной силой. Именно поэтому ученые стремятся обнаружить взаимодействие между темной материей и обычной материей. Что касается темной энергии, то она уже давно рассматривается как пока еще неизвестная "пятая сила". Она объединяет четыре силы, составляющие Вселенную: слабые ядерные силы, сильные ядерные силы, электромагнитные силы и гравитационные силы.

Мы знаем, что теория относительности Эйнштейна хорошо работает в локальной Вселенной. Однако она не работает на больших масштабах и не объясняет ускорение Вселенной. Это космическое ускорение было бы вызвано темной энергией, которая поэтому в малых масштабах должна быть как-то экранирована.

Чтобы обнаружить темную энергию, ученые изучают, как гравитация притягивает объекты друг к другу. В масштабах, превышающих локальную Вселенную, эффект темной энергии отталкивает: она отдаляет объекты друг от друга, ускоряя расширение Вселенной. Около года назад эксперимент Xenon1t под Гран-Сассо сообщил о неожиданном сигнале. Лука Визинелли, исследователь из Национальной лаборатории Фраскати в Италии и соавтор исследования, объясняет:

Эти типы сигналов часто бывают случайными, но время от времени они также могут привести к фундаментальным открытиям. Мы исследовали модель, в которой этот сигнал может быть связан с темной энергией, а не с темной материей, для обнаружения которой изначально был разработан эксперимент.

Первоначально наиболее популярной среди исследователей была гипотеза о том, что сигнал вызван аксионами - гипотетическими очень легкими частицами, производимыми Солнцем. Однако это объяснение не соответствует наблюдениям. Сигнал Xenon1t должен был быть произведен огромным количеством аксионов. Настолько большой, что может радикально изменить звездную эволюцию, чего никогда не наблюдалось.

Физическая модель для поиска темной энергии

Ведущий автор исследования Санни Вагноцци из Кембриджского института космологии Кавли и его коллеги разработали специальную физическую модель, которая:

• может показать, что причиной сигнала XENON1T были частицы темной энергии, произведенные в определенной области Солнца, где магнитные поля очень сильны;
• имеет некий механизм "экранирования", скрывающий действие темной энергии на локальном уровне.

Исследователи использовали эту модель для моделирования того, что произойдет с детектором, если в него попадут частицы темной энергии. Удивительно, но результаты совпали с сигналом, обнаруженным Xenon1t: похоже, что он создается темным компонентом нашей звезды.

Действительно ли мы обнаружили темную энергию?

Расчеты исследователей также позволяют предположить, что такие эксперименты, как Xenon1t, предназначенные для обнаружения темной материи, могут быть использованы и для обнаружения темной энергии. Однако сначала необходимо подтвердить природу сигнала, который удивил ученых. Если он действительно был произведен тем, что научное сообщество называет темной энергией, следует ожидать, что в будущем Xenon1t обнаружит его снова, возможно, в более сильной степени. Это еще предстоит выяснить. Если это так, то следующая модернизация Xenon1t и подобных экспериментов может быть способна обнаружить темную энергию преднамеренным и более прямым способом уже в следующем десятилетии.

До тех пор эта модель, которая назначает темную энергию источником конкретных сигналов, обнаруженных Xenon1t, еще не является достаточным доказательством. Тем не менее это остается большой подсказкой, как продвигать исследования и эксперименты в ближайшие годы.

С полным текстом исследования, опубликованным в журнале Physical Review D, можно ознакомиться здесь.