يمكن أن تكون تجربة XENON1T قد اكتشفت الطاقة المظلمة

قد تكون الطاقة المظلمة ، القوة الغامضة التي تسرع الكون ، مسؤولة عن النتائج غير المتوقعة لتجربة XENON1T ، في أعماق جبال أبينين في إيطاليا.

دراسة جديدة أجراها باحثون في جامعة كامبريدج ونشرت في المجلة الفحص البدني ديشير إلى أن بعض النتائج غير المبررة من تجربة XENON1T في إيطاليا قد تكون ناجمة عن الطاقة المظلمة ، وليس بسبب المادة المظلمة التي صممت التجربة لاكتشافها.

قاموا ببناء نموذج فيزيائي للمساعدة في تفسير النتائج ، والتي قد تأتي من جسيمات الطاقة المظلمة المنتجة في منطقة من الشمس ذات مجالات مغناطيسية قوية ، على الرغم من الحاجة إلى تجارب مستقبلية لتأكيد هذا التفسير. يقول الباحثون إن دراستهم يمكن أن تكون خطوة مهمة نحو الكشف المباشر عن الطاقة المظلمة.

كل ما يمكن أن تراه أعيننا في السماء وفي عالمنا اليومي – من الأقمار الصغيرة إلى المجرات الضخمة ، والنمل إلى الحيتان الزرقاء – هو أقل من خمسة بالمائة من الكون. الباقي مظلم. حوالي 27٪ عبارة عن مادة مظلمة – القوة غير المرئية التي تربط المجرات والشبكة الكونية معًا – بينما 68٪ عبارة عن طاقة مظلمة ، مما يتسبب في تمدد الكون بمعدل متسارع.

قال الدكتور صني فاجنوزي من معهد كافلي لعلم الكونيات في جامعة كاليفورنيا: “على الرغم من أن المكونين غير مرئيين ، إلا أننا نعرف الكثير عن المادة المظلمة ، حيث تم اقتراح وجودها في وقت مبكر من عشرينيات القرن الماضي ، بينما لم يتم اكتشاف الطاقة المظلمة حتى عام 1998”. كامبريدج ، المؤلف الأول للمقال. “تم تصميم تجارب على نطاق واسع مثل XENON1T لاكتشاف المادة المظلمة مباشرةً ، والبحث عن علامات على” اصطدام “المادة المظلمة بالمادة العادية ، لكن الطاقة المظلمة هي أكثر صعوبة.”

لاكتشاف الطاقة المظلمة ، يبحث العلماء عادةً عن تفاعلات الجاذبية: الطريقة التي تقود بها الجاذبية الأجسام. وعلى المقاييس الأكبر ، يكون تأثير الجاذبية للطاقة المظلمة مثيرًا للاشمئزاز ، حيث يدفع الأشياء بعيدًا ويسرع من تمدد الكون.

منذ حوالي عام ، أبلغت تجربة XENON1T عن إشارة غير متوقعة أو زائدة عن ضوضاء الخلفية المتوقعة. قال الدكتور لوكا فيزينيللي ، الباحث في مختبرات فراسكاتي الوطنية في إيطاليا ، والمؤلف المشارك للدراسة: “هذه الأنواع من الفائض غالبًا ما تكون سوائل ، ولكن بين الحين والآخر يمكن أن تؤدي أيضًا إلى اكتشافات أساسية”. “اكتشفنا نموذجًا يمكن أن تُعزى فيه هذه الإشارة إلى الطاقة المظلمة ، بدلاً من المادة المظلمة التي صممت التجربة في الأصل لاكتشافها.”

في ذلك الوقت ، كان التفسير الأكثر شيوعًا للزيادة هو الأكسيونات – وهي جسيمات افتراضية خفيفة للغاية – تنتج في الشمس. ومع ذلك ، فإن هذا التفسير لا يصمد أمام الملاحظات ، لأن كمية المحاور التي ستكون ضرورية لتفسير إشارة XENON1T ستعدل بشكل جذري تطور النجوم الأثقل بكثير من الشمس ، بما يتعارض مع ما نلاحظه.

نحن بعيدون عن الفهم الكامل لماهية الطاقة المظلمة ، لكن معظم النماذج الفيزيائية للطاقة المظلمة ستؤدي إلى وجود ما يسمى بالقوة الخامسة. هناك أربع قوى أساسية في الكون ، وأي شيء لا يمكن تفسيره بإحدى هذه القوى يُشار إليه أحيانًا على أنه نتيجة لقوة خامسة غير معروفة.

ومع ذلك ، نحن نعلم أن نظرية أينشتاين في الجاذبية تعمل بشكل جيد للغاية في الكون المحلي. لذلك ، فإن أي قوة خامسة مرتبطة بالطاقة المظلمة غير مرغوب فيها ويجب أن تكون “مخفية” أو “مقنعة” عندما يتعلق الأمر بالمقاييس الصغيرة ، ويمكن أن تعمل فقط على نطاقات أكبر حيث لا تفسر نظرية الجاذبية أينشتاين تسارع الكون. لإخفاء القوة الخامسة ، تم تجهيز العديد من نماذج الطاقة المظلمة بما يسمى بآليات التصفية ، والتي تخفي ديناميكيًا القوة الخامسة.

قام Vagnozzi وزملاؤه ببناء نموذج فيزيائي ، والذي استخدم نوعًا من آلية الترشيح المعروفة باسم تصفية الحرباء ، لإظهار أن جسيمات الطاقة المظلمة المنتجة في المجالات المغناطيسية القوية للشمس يمكن أن تفسر زيادة XENON1T.

قال Vagnozzi: “يوقف فحص الحرباء لدينا إنتاج جسيمات الطاقة المظلمة في الأجسام شديدة الكثافة ، وتجنب المشكلات التي تواجهها المحاور الشمسية”. “كما أنه يسمح لنا بفصل ما يحدث في الكون المحلي شديد الكثافة عما يحدث على النطاقات الأكبر ، حيث تكون الكثافة منخفضة للغاية.”

استخدم الباحثون نموذجهم لإظهار ما يمكن أن يحدث في الكاشف إذا تم إنتاج الطاقة المظلمة في منطقة معينة من الشمس ، تسمى tachocline ، حيث تكون المجالات المغناطيسية قوية بشكل خاص.

قال فاغنوزي: “كان من المدهش حقًا أن يكون هذا الفائض ناتجًا من حيث المبدأ عن الطاقة المظلمة بدلاً من المادة المظلمة”. “عندما تتوافق الأشياء معًا هكذا ، يكون الأمر مميزًا حقًا.”

تشير حساباتهم إلى أن تجارب مثل XENON1T ، المصممة لاكتشاف المادة المظلمة ، يمكن استخدامها أيضًا لاكتشاف الطاقة المظلمة. ومع ذلك ، لم يتم تأكيد الزيادة الأولية بشكل مقنع. قال فيزينيلي: “علينا أولاً أن نعرف أنه لم يكن مجرد صدفة”. “إذا شاهد XENON1T أي شيء بالفعل ، فستتوقع رؤية فائض مماثل مرة أخرى في التجارب المستقبلية ، ولكن هذه المرة بإشارة أقوى بكثير.”

إذا كان الفائض ناتجًا عن الطاقة المظلمة ، فإن الترقيات القادمة لتجربة XENON1T ، بالإضافة إلى التجارب التي تسعى إلى تحقيق أهداف مماثلة مثل LUX-Zeplin و PandaX-xT ، تعني أنه قد يكون من الممكن الكشف المباشر عن الطاقة المظلمة خلال العقد المقبل .

المرجع: “الكشف المباشر عن الطاقة المظلمة: فائض XENON1T وآفاق المستقبل” بقلم صني فاجنوزي ولوكا فيزينيلي وفيليب براكس وآن كريستين ديفيس وجيريمي ساكستين ، 15 سبتمبر 2021 ، الفحص البدني د.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.063023