El experimento XENON1T puede haber detectado directamente energía oscura

Algunos resultados inexplicables del detector de materia oscura XENON1T, una tina de 1300 kg de xenón líquido súper puro protegido de los rayos cósmicos en un criostato sumergido en agua a 1,5 km de profundidad debajo de las montañas Gran Sasso de Italia, pueden haber sido causados ??por energía oscura. partículas producidas en una región del Sol con fuertes campos magnéticos, y no la materia oscura que el experimento fue diseñado para detectar, según físicos de la Colaboración XENON.

Una matriz de fotodetectores del detector XENON1T vista a través de la otra. Crédito de la imagen: Colaboración XENON.

"A pesar de que ambos componentes son invisibles, sabemos mucho más sobre la materia oscura, ya que su existencia se sugirió en la década de 1920, mientras que la energía oscura no se descubrió hasta 1998", dijo el Dr. Sunny Vagnozzi, físico del Instituto Kavli. de Cosmología en la Universidad de Cambridge.

"Se han diseñado experimentos a gran escala como XENON1T para detectar directamente la materia oscura, mediante la búsqueda de signos de materia oscura 'golpeando' la materia ordinaria, pero la energía oscura es aún más esquiva".

Para detectar la energía oscura, los científicos generalmente buscan interacciones gravitatorias: la forma en que la gravedad atrae los objetos.

Y en las escalas más grandes, el efecto gravitacional de la energía oscura es repulsivo, alejando las cosas unas de otras y acelerando la expansión del Universo.

Hace aproximadamente un año, la Colaboración XENON informó una señal inesperada, o un exceso, sobre el fondo esperado.

“Este tipo de excesos a menudo son casualidades, pero de vez en cuando también pueden conducir a descubrimientos fundamentales”, dijo el Dr. Luca Visinelli, investigador de los Laboratorios Nacionales de Frascati.

"Exploramos un modelo en el que esta señal podría atribuirse a la energía oscura, en lugar de a la materia oscura para la que se diseñó originalmente el experimento".

En ese momento, la explicación más popular para el exceso eran los axiones, partículas hipotéticas extremadamente ligeras, producidas en el Sol.

Sin embargo, esta explicación no resiste las observaciones, ya que la cantidad de axiones que se requerirían para explicar la señal XENON1T alteraría drásticamente la evolución de estrellas mucho más pesadas que el Sol, en conflicto con lo que observan los investigadores.

Luego construyeron un nuevo modelo físico, que utilizó un tipo de mecanismo de detección conocido como detección camaleónica, para mostrar que las partículas de energía oscura producidas en los fuertes campos magnéticos del Sol podrían explicar el exceso de XENON1T.

“Nuestra proyección camaleónica detiene la producción de partículas de energía oscura en objetos muy densos, evitando los problemas que enfrentan los axiones solares”, dijo el Dr. Vagnozzi.

"También nos permite desvincular lo que sucede en el Universo local muy denso de lo que sucede en las escalas más grandes, donde la densidad es extremadamente baja".

Los investigadores usaron su modelo para mostrar lo que sucedería en el detector XENON1T si la energía oscura se produjera en una región particular del Sol, llamada tacoclina, donde los campos magnéticos son particularmente fuertes.

“Fue realmente sorprendente que este exceso, en principio, pudiera haber sido causado por la energía oscura en lugar de la materia oscura. Cuando las cosas encajan de esa manera, es realmente especial”, dijo el Dr. Vagnozzi.

Sus cálculos sugieren que experimentos como XENON1T podrían usarse para detectar energía oscura. Sin embargo, el exceso original todavía necesita ser confirmado de manera convincente.

“Primero necesitamos saber que esto no fue simplemente una casualidad”, dijo el Dr. Visinelli.

"Si XENON1T realmente vio algo, esperaría ver un exceso similar nuevamente en futuros experimentos (como XENONnT, PandaX-4T y LUX-ZEPLIN), pero esta vez con una señal mucho más fuerte".

El artículo del equipo se publicó en la revista Physical Review D.

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Soleado Vagnozzi et al . 2021. Detección directa de energía oscura: El exceso de XENON1T y perspectivas de futuro. física Rev. D 104, 063023; doi: 10.1103/PhysRevD.104.063023

¿Qué fue el experimento XENON1T?

XENON1T se operó bajo tierra en el INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia, de 2016 a 2018. Fue diseñado principalmente para detectar materia oscura, que constituye el 85 % de la materia del universo.

¿Cómo funciona el experimento del xenón?

El experimento detecta el centelleo y la ionización que se producen cuando las partículas interactúan en el volumen de xenón líquido, para buscar un exceso de eventos de retroceso nuclear sobre fondos conocidos. La detección de tal señal proporcionaría la primera evidencia experimental directa de partículas candidatas a materia oscura.

¿Se ha encontrado materia oscura?

Se ha encontrado que existen dos variedades de materia oscura. La primera variedad es aproximadamente el 4,5 por ciento del universo y está compuesta por los familiares bariones (es decir, protones, neutrones y núcleos atómicos), que también forman las estrellas luminosas y las galaxias.

¿Qué es una partícula de axión?

Un axión (/?æksi?n/) es una partícula elemental hipotética postulada por la teoría de Peccei-Quinn en 1977 para resolver el problema de CP fuerte en la cromodinámica cuántica (QCD). Si existen axiones y tienen una masa baja dentro de un rango específico, son de interés como posible componente de la materia oscura fría.

Video: xenon1t