Учёные искали тёмную материю, но, возможно, нашли вместо неё тёмную энергию
При проведении эксперимента XENON1T в Италии, направленного на обнаружение тёмной энергии, заставляющей Вселенную расширяться, учёные из Кембриджского университета получили неожиданные результаты. В опубликованной в журнале Physical Review D работе они пишут, что эти результаты могут указывать на обнаружение тёмной материи.
XENON — исследовательский проект по изучению темной материи, уже более 15 лет идущий в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии. При помощи резервуара с жидким ксеноном исследователи пытаются засечь частицы тёмной материи. Они исходят из предположения, что эти слабо взаимодействующие массивные частицы можно обнаружить, если фиксировать жидкие ядерные распады и возмущения в закрытой камере, наполненной ксеноном. XENON1T — это уже третья фаза эксперимента, установку для которой начали собирать в 2014 году.
На основе собранных данных учёные построили физическую модель, которая поможет им объяснить результаты. Возможно, эти данные появились в результате взаимодействия с частицами тёмной энергии, появляющимися близ Солнца в областях с сильным магнитным полем. Исследователи полагают, что их работа может стать важным шагом на пути обнаружения тёмной энергии.
На сегодняшний день считается, что вся «обычная» материя, из которой состоят планеты, звёзды, межзвёздные пыль и газ, галактики, и всё остальное, что можно увидеть, составляет менее 5% массы-энергии всей Вселенной. Около 27% отводится на долю тёмной материи, взаимодействующей с обычной материей только через гравитацию. 68% — это тёмная энергия, отвечающая за расширение Вселенной с ускорением.
«Мы не можем увидеть ни тёмную материю, ни тёмную энергию, но при этом о тёмной материи нам известно гораздо больше. О её существовании предположили ещё в 1920-х годах, а тёмную энергию открыли в 1998-м», — пишет ведущий автор работы, доктор Санни Вагноцци. Доктор имеет в виду, что в 1998 году космологи открыли, что Вселенная расширяется с ускорением. При этом по одной из теорий тёмная энергия может оказаться просто космологической константой, или ненулевой энергией вакуума –, а такую константу, или лямбда-член, вводил в свои уравнения ещё Эйнштейн.
Крупномасштабные эксперименты, в частности, XENON1T, были созданы специально для непосредственного обнаружения частиц тёмной материи, взаимодействующих с обычной. Тёмная энергия — субстанция ещё менее уловимая. Для её поисков учёные смотрят на гравитационные взаимодействия различных объектов. На самых крупных масштабах тёмная энергия способствует расширению Вселенной, причём с ускорением — чем больше она расширяется, тем быстрее это происходит.
Год назад в эксперименте XENON1T получили неожиданный сигнал — превышение над ожидаемым фоном. По словам доктора Луки Визинелли, часто такие сигналы оказываются случайными, но иногда могут привести к фундаментальным открытиям. Учёные смоделировали, что было бы, если бы этот сигнал можно было отнести не к тёмной материи, которую искали в эксперименте, а к тёмной энергии.
Другое объяснение этого сигнала, взаимодействие с гипотетическими частицами аксионами, появляющимися в Солнце, не соответствовало имеющейся модели развития звёзд.
По одной из гипотез, действие тёмной энергии связано с наличием пятого фундаментального взаимодействия, проявляющегося только на самых крупных масштабах. Поскольку на мелких масштабах наличие пятого взаимодействия противоречило бы хорошо подтверждённой теории гравитации Эйнштейна, это взаимодействие при моделировании тёмной энергии приходится «прятать» или «экранировать».
Вагноцци с коллегами создали модель с т.н. «хамелеонным экранированием» пятого взаимодействия. Согласно этой модели, частицы тёмной энергии, появляющиеся в сильных магнитных полях Солнца (в области под названием тахоклин), могли бы объяснить превышение фона на эксперименте XENON1T.
Вагноцци пояснил, что их модель отменяет появление частиц тёмной энергии в объектах большой плотности, что решает проблему, стоящую перед солнечными аксионами. Также она позволяет отделить процессы, проходящие в плотных локальных участках, от процессов, идущих на крупных масштабах, на которых средняя плотность чрезвычайно мала.
Но пока ещё требуется однозначно подтвердить, что превышение фона в эксперименте не было случайным сигналом. Реальный сигнал должен будет повториться в будущих экспериментах.
