Фізика
Фізика

Детектор для ловлі темної матерії міг впіймати темну енергію

Минулого року ксеноновий детектор темної матерії XENON1T зафіксував рекордну кількість подій — майже на 23 відсотки більших даних після відсіювання шуму. І з того часу фізики шукали джерело отриманих сигналів. У новій роботі кембридзькі дослідники пропонують на його роль відповідальну за розширення Всесвіту темну енергію. Надлишок впійманих детектором електронів вчені пояснюють хамелеоновим полем, яке і могло екранувати енергію. Стаття опублікована у Physical Review D.

Xenon Collaboration

Xenon Collaboration

Що мав зловити XENON1T?

Віддалені один від одного галактики воліють віддалятися один від одного ще далі, причому чим більше вони розходяться одна від одної, тим швидше галактики віддаляються. Кількісно темп такого розширення Всесвіту можна описати параметром Хаббла. І в сучасній теорії гравітації — загальній теорії відносності — параметр Хаббла визначається щільністю енергії всіх форм матерії і кривизною тривимірного простору. Однак з'ясувалося, що «нормальної» матерії не вистачає для пояснення виміряного темпу розширення Всесвіту. Навіть враховуючи темну матерію, яку вирахували за гравітаційною взаємодією зі звичайною, хоч поки безпосередньо її носіїв зловити не вдалося. Вчені вважають, що темна матерія складається з частинок-носіїв, яких просто так зафіксувати неможливо, але сумарно їхньої маси вистачить, щоб макроскопічно впливати на речовину через гравітаційну взаємодію і що ми зможемо зафіксувати. Кандидатів на таких частинок-переносників є декілька й детальніше про них можна почитати у наших картках «Що таке темна матерія і темна енергія?».

Одними з таких і займався детектор XENON1T. Він знаходиться в глибоко під землею в лабораторії Гран Сассо в Італії і за допомогою 3,2 тонни охолодженого рідкого ксенону повинен ловити такі гравітаційні аномалії — зіткнення між частинками темної матерії і звичайною речовиною. Зокрема він націлений на пошук слабовзаємодіючих масивних частинок — вімпів. Вони теоретично в десятки чи навіть у сотню разів більші за масу протона (масивні) і вони майже не проявляють себе при взаємодії зі звичайною речовиною (слабовзаємодіючі).

Як він може побачити темну матерію?

Всякий раз, як частинка темної матерії стикатиметься з ядром атома в матеріалі мішені детектора, виникатиме крихітний спалах світла, який вловить фотопомножувач та перетворить на електричний сигнал. За цими подіями, які вчені відсіюють від «шуму», обчислюючи очікуваний фоновий рівень подій, джерело яких відоме, вони і планують зафіксувати частинку. І минулого року фізики зареєстрували аномально багато подій, джерело яких невідоме — перевищення майже на 23 відсотки. Головним кандидатом на джерело стала гіпотетична елементарна частинка, яка називається сонячним аксіоном. Як випливає з назви, вона генерується Сонцем, і, хоча сама по собі не вважається кандидатом у темну матерію, інші типи аксіонів такими є, тому виявлення доказів існування будь-якого з них допомогло б вирішити питання з темною матерією. Інша гіпотеза полягає в тому, що магнітний момент нейтрино виявився більшим, ніж його пророкує Стандартна модель — тоді теж доведеться перераховувати багато відомих нам сталих. Але у цій роботі група фізиків на чолі з Санні Вагнозі (Sunny Vagnozzi) пропонує інтерпретувати отримані сигнали як свідчення темної енергії.

До чого тут темна енергія?

Недостача матерії, про яку ми згадали вище, становить близько 70 відсотків — її списали на темну енергію. Це форма енергії, яка рівномірно розподілена у Всесвіті та сприяє його прискореному розширенню. Частиною космологічної картини світу вона вперше стала в 1998 році, коли дві групи вчених незалежно підтвердили розширення Всесвіту з прискоренням. Цим темна енергія і відрізняється від «нормальної», яка розширення повинна була б гальмувати. Дослідники змоделювали, що станеться, якщо частинки-хамелеони, створені Сонцем, в тахокліні, відповідальному за формування у нього магнітного поля, пройдуть через детектор XENON1T. І змодельований сигнал виглядає дуже схоже на той, що спостерігали. Частинки-хамелеони змінюють свою масу, підлаштовуючись під гравітаційне оточення і, відповідно, змінюючи гравітаційний сигнал, що йде від нього. За словами вчених, саме зв'язок темної енергії з фотонами призводить до утворення сильного магнітного поля сонячного тахокліну. Побачений на детекторі надлишок подій віддачі електронів таким чином з похибкою в два сигма цілком пояснюється темною енергією, екранованою частинками-хамелеонами. Це піднімає привабливу можливість того, що XENON1T, можливо, вперше виявив темну енергію.

Також раніше ми розповідали про епопею з пошуком темної матерії, де один експеримент стабільно постачав дані про неї, а всі інші, навіть ідентичні йому, не могли знайти нічого, окрім фонового шуму.