Indicios de detección de energía oscura en un experimento cosmológico
Algunos resultados inexplicables del experimento XENON1T en Italia pueden haber sido causados por la energía oscura, y no por la materia oscura para cuya detección fue diseñado el experimento.
Un estudio publicado en Physical Review D., dirigido por investigadores de la Universidad de Cambridge, construyó un modelo físico para ayudar a explicar los resultados, que pueden haberse originado a partir de partículas de energía oscura producidas en una región del Sol con fuertes campos magnéticos, aunque se requerirán experimentos futuros para confirmar esta explicación. Los investigadores dicen que su estudio podría ser un paso importante hacia la detección directa de energía oscura.
Todo lo que nuestros ojos pueden ver en los cielos y en nuestro mundo cotidiano, desde lunas diminutas hasta galaxias masivas, desde hormigas hasta ballenas azules, constituye menos del cinco por ciento del universo. El resto está oscuro. Aproximadamente el 27% es materia oscura, la fuerza invisible que mantiene unidas a las galaxias y la red cósmica, mientras que el 68% es energía oscura, lo que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.
"A pesar de que ambos componentes son invisibles, sabemos mucho más sobre la materia oscura, ya que se sugirió su existencia ya en la década de 1920, mientras que la energía oscura no se descubrió hasta 1998", dijo en un comunicado el doctor Sunny Vagnozzi del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge, el primer autor del artículo. "Los experimentos a gran escala como XENON1T (instalado en el subsuelo bajo las montañas de los Apeninos) han sido diseñados para detectar directamente la materia oscura, mediante la búsqueda de signos de que la materia oscura 'golpee' la materia ordinaria, pero la energía oscura es aún más esquiva".
Para detectar la energía oscura, los científicos generalmente buscan interacciones gravitacionales: la forma en que la gravedad arrastra los objetos. Y en las escalas más grandes, el efecto gravitacional de la energía oscura es repulsivo, aleja las cosas unas de otras y acelera la expansión del Universo.
Señal inesperada hace un año
Hace aproximadamente un año, el experimento XENON1T 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 doctor Luca Visinelli, investigador de los Laboratorios Nacionales de Frascati en Italia, coautor del estudio. "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 del 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 observamos.
Estamos lejos de comprender completamente qué es la energía oscura, pero la mayoría de los modelos físicos para la energía oscura conducirían a la existencia de la llamada quinta fuerza. Hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo, y cualquier cosa que no pueda ser explicada por una de estas fuerzas a veces se denomina resultado de una quinta fuerza desconocida.
Sin embargo, sabemos que la teoría de la gravedad de Einstein funciona muy bien en el universo local. Por lo tanto, cualquier quinta fuerza asociada a la energía oscura no es deseada y debe ser 'oculta' o 'filtrada' cuando se trata de escalas pequeñas, y solo puede operar en las escalas más grandes donde la teoría de la gravedad de Einstein no logra explicar la aceleración del Universo. Para ocultar la quinta fuerza, muchos modelos de energía oscura están equipados con los llamados mecanismos de filtrado, que ocultan dinámicamente la quinta fuerza.
Vagnozzi y sus coautores construyeron un modelo físico, que utilizó un tipo de mecanismo de detección conocido como detección de camaleón, para mostrar que las partículas de energía oscura producidas en los fuertes campos magnéticos del Sol podrían explicar el exceso de XENON1T.
"Nuestro cribado de camaleones detiene la producción de partículas de energía oscura en objetos muy densos, evitando los problemas que enfrentan los axiones solares", dijo Vagnozzi. "También nos permite desacoplar lo que sucede en el Universo muy denso local 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 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 pudiera, en principio, haber sido causado por la energía oscura en lugar de la materia oscura", dijo Vagnozzi. "Cuando las cosas encajan así, es realmente especial".
Sus cálculos sugieren que experimentos como XENON1T, que están diseñados para detectar materia oscura, también podrían usarse para detectar energía oscura. Sin embargo, el exceso original aún debe confirmarse de manera convincente. "Primero debemos saber que esto no fue simplemente una casualidad", dijo Visinelli. "Si XENON1T realmente viera algo, esperaría ver un exceso similar nuevamente en experimentos futuros, pero esta vez con una señal mucho más fuerte".
Si el exceso fue el resultado de la energía oscura, las próximas actualizaciones del experimento XENON1T, así como los experimentos que persiguen objetivos similares como LUX-Zeplin y PandaX-xT, significan que podría ser posible detectar directamente la energía oscura en la próxima década.
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