Темна енергія – таємнича сила, яка змушує Всесвіт прискорено розширюватися, – могла спричинити несподівані результати детектора XENON1T, що розташований глибоко під Апеннінами в Італії.
За даними нового дослідження, проведеного під керівництвом учених із Кембриджського університету й опублікованого в журналі Physical Review D, деякі незрозумілі результати експерименту XENON1T могла викликати темна енергія, а не темна матерія, хоча саме для її виявлення його, власне, поставили.
Науковці створили фізичну модель, яка повинна пояснити результати експерименту. Джерелом сигналу, який підхопив детектор XENON1T, можуть бути частки темної енергії, які утворилися поблизу Сонця в середовищі з особливо сильним магнітним полем, хоча для підтвердження цієї гіпотези знадобляться додаткові експерименти. Дослідники вважають, що ці дані можуть стати важливим кроком у напрямі виявлення темної енергії та пояснення її природи.
Усе, що ми можемо побачити на власні очі у нічному небі й повсякденному житті – від Місяця до гігантських галактик, від мурашок до китів, – становить менше п’яти відсотків Всесвіту. Усе решта є «темним». Приблизно 27% усієї речовини у Всесвіті становить темна матерія – невидима сила, яка утримує разом галактики і галактичні структури. Решту 68% становить темна енергія – загадкова субстанція, яка змушує Всесвіт прискорено розширюватися.
«Хоча обидва ці компоненти невидимі, про темну матерію ми все-таки знаємо більше, адже її існування передбачили ще у 1920-х роках, натомість темну енергію передбачили лише у 1998 році, – стверджує головний автор статті Др. Санні Ваньоцці з Кембриджського університету. – Великомасштабні експерименти, як-от XENON1T, розробили спеціально для пошуку темної матерії шляхом детектування слідів її взаємодії зі звичайною – видимою – матерією, але темна енергія ще загадковіша».
Щоб виявити темну енергію, вчені зазвичай вивчають гравітаційні взаємодії – те, як гравітація змушує об’єкти притягатись одне до одного. Натомість на великому масштабі гравітаційний ефект темної енергії є відштовхувальним, адже всі компоненти Всесвіту завдяки їй прискорено віддаляються одне від одного після Великого вибуху.
Приблизно рік тому експеримент XENON1T виявив несподіваний сигнал, що перевищував очікувані фонові показники. «Схожі сигнали – це здебільшого похибки, але іноді вони провадять до фундаментальних відкриттів, – розповідає Др. Лука Візінеллі, науковець із Національної лабораторії Фраскаті (регіон Лаціо, Італія) та співавтор дослідження. – Ми створили і проаналізували модель, згідно з якою цей сигнал міг походити від темної енергії, а не від темної матерії, для спостереження за якою, власне, поставили цей експеримент».
Спершу основним поясненням цього сигналу були аксіони – гіпотетичні надзвичайно легкі частинки, які утворюються у Сонці. Ця інтерпретація, однак, виявилася хибною, оскільки кількість аксіонів, необхідна для пояснення сигналу XENON1T, мала б змінили еволюцію зірок, важчих за Сонце, а це суперечить емпіричним даним.
Людство ще далеке від розуміння природи темної енергії, але більшість її фізичних інтерпретацій провадять до існування так званої п’ятої сили. У Всесвіті існують чотири фундаментальні сили (електромагнітна, гравітаційна, сильна і слабка). Усе, що неможливо пояснити дією жодної з них, іноді пов’язують з ефектами невідомої «п’ятої» сили.
Відомо, щоправда, що Айштайнова теорія гравітації дуже добре описує локальні ділянки Всесвіту. Отже, будь-яка «п’ята» сила повинна бути прихована, або «екранована», як тільки йдеться про малі масштаби, і діяти лишень на дуже великих масштабах, на яких теорія Айнштайна не може пояснити прискорене розширення Всесвіту. Як наслідок, чимало концепцій темної енергії містять так звані механізми екранування, які динамічно приховують п’яту силу на локальних масштабах.
Ваґноцці та його співавтори побудували фізичну модель, яка ґрунтується на особливому механізмі екранування, званому «хамелеоновим екрануванням». У такий спосіб вони обґрунтувати гіпотезу, що частки темної енергії, які утворюються в сильних магнітних полях Сонця, таки можуть пояснити дані XENON1T.
«Модель “хамелеонового екранування” припускає, що частинки темної енергії перестають утворюватися в дуже щільних об’єктах. Це дозволяє уникнути проблем, на які наштовхується гіпотеза аксіонів, – каже Ваґноцці. – Вона також дозволяє відокремити локальні ділянки Всесвіту, де щільність дуже висока, від його великомасштабних структур, де вона надзвичайно низька».
Ця модель також дозволяє пояснити сигнал, який потрапить на детектор, якщо темна енергія утворюватиметься в особливій ділянці Сонця, званій тахокліном, де магнітне поле особливо сильне.
«Дуже незвично припускати, що цей сигнал може походити від темної енергії, а не темної матерії. Якщо все це справді так, ми маємо справу з чимось надзвичайно винятковим», – вважає Ваґноцці.
Ці результати свідчать про те, що такі експерименти, як XENON1T, які призначені для виявлення темної матерії, також можна використовувати для детектування темної енергії. Однак вони ще потребують переконливого підтвердження. «Спершу потрібно впевнитись, що це була не просто випадковість, – каже Візінеллі. – У майбутніх експериментах ми очікуємо знову побачити цей сигнал, причому значно сильніший».
Якщо розрахунки правильні, то все це свідчить про те, що завдяки XENON1T, а також іншим аналогічним експериментам, таким як Zeplin і PandaX-xT, у майбутньому можна буде безпосередньо детектувати темну енергію. Це, зі свого боку, може свідчити про фундаментальне наукове відкриття.
Have we detected dark energy? Scientists say it's a possibility
ScienceDaily, 15/09/2021
Зреферував Є. Л.
26.09.2021