Astronomisch Nieuws

XENON1T experiment heeft mogelijk donkere energie gedetecteerd

Donkere energie is de mysterieuze kracht die er voor zorgt dat ons heelal versneld uitdijt. Deze kracht is mogelijk verantwoordelijk voor de onverwachte resultaten van het XENON1T experiment diep onder de Italiaanse Apennijnen.

Xenon1T experiment
De XENON1T Time Projection Chamber in een cleanroom. dit onderdeel is het hart van het XENON1T-experiment. Credit: XENON1T/Purdue University

Een nieuw onderzoek, geleid door wetenschappers van de universiteit van Cambridge en gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review D, suggereert dat de enigszins vreemde resultaten van het XENON1T experiment in Italië vermoedelijk veroorzaakt zijn door donkere energie en niet door de donkere materie die het experiment volgens ontwerp had moeten detecteren.

De onderzoekers construeerden een model om de resultaten te verklaren, die mogelijk afkomstig zijn van donkere energiedeeltjes die zijn geproduceerd in een gebied van de Zon met sterke magnetische velden. Er zijn echter wel toekomstige experimenten nodig om deze verklaring te bevestigen. De onderzoekers zeggen dat hun onderzoek een belangrijke stap kan zijn in de richting van de directe detectie van donkere energie.

Alles wat onze ogen aan de hemel en in onze dagelijkse wereld kunnen zien, van kleine manen tot enorme sterrenstelsels, van mieren tot blauwe vinvissen, maakt minder dan 5% uit van het heelal. De rest is donker. Ongeveer 27% is donkere materie, de onzichtbare kracht die sterrenstelsels en het kosmisch web bij elkaar houdt, terwijl 68% donkere energie is. Deze zorgt ervoor dat het heelal in een versneld tempo uitdijt.

Ondanks dat beide componenten onzichtbaar zijn weten we veel meer over donkere materie want het bestaan ervan werd al in de jaren ’20 gesuggereerd. Donkere energie is pas in 1998 ontdekt. Grootschalige experimenten zoals XENON1T zijn ontworpen om donkere materie rechtstreeks te detecteren en ze doen dat door te zoeken naar tekenen van donkere materie die gewone materie raakt. Donkere energie is echter nog steeds ongrijpbaar.

Om donkere energie te detecteren zoeken wetenschappers over het algemeen naar zwaartekrachtsinteracties; de manier waarop zwaartekracht aan objecten trekt. En op de grootste schalen is het zwaartekrachtseffect van donkere energie weerzinwekkend sterk waardoor dingen van elkaar worden weggetrokken en de uitdijing van het heelal versnelt.

Ongeveer een jaar geleden rapporteerde het XENON1T-experiment een onverwacht signaal dat boven de achtergrondruis uitkwam. Dit soort signalen zijn vaak toevalstreffers maar af en toe kunnen ze ook leiden tot fundamentele ontdekkingen. De onderzoekers hebben een model onderzocht waarin dit signaal kan worden toegeschreven aan donkere energie in plaats van aan de donkere materie waarvoor het experiment oorspronkelijk was ontworpen om te detecteren.

Destijds waren axionen de meest logische verklaring voor het waargenomen signaal. Axionen zijn hypothetische, extreem lichte deeltjes geproduceerd in de Zon. Deze verklaring strookte echter niet met de waarnemingen aangezien de hoeveelheid axionen die nodig zou zijn om het XENON1T-signaal te verklaren de evolutie van sterren die veel zwaarder zijn dan de Zon drastisch zou veranderen en dat is in strijd met wat we waarnemen.

We begrijpen nog lang niet volledig wat donkere energie is maar de meeste natuurkundige modellen voor donkere energie zouden leiden tot het bestaan van een zogenaamde vijfde kracht. Er zijn vier fundamentele krachten in het heelal en alles wat niet door een van deze krachten kan worden verklaard wordt soms het resultaat van een onbekende vijfde kracht genoemd.

We weten echter dat de zwaartekrachttheorie van Einstein enorm goed werkt in het lokale heelal. Daarom is elke vijfde kracht die verband houdt met donkere energie ongewenst en moet deze worden ‘verborgen’ of ‘afgeschermd’ als het gaat om kleine schalen en kan deze alleen op de grootste schalen werken waar de zwaartekrachttheorie van Einstein de versnelling van het heelal niet kan verklaren. Om de vijfde kracht te verbergen zijn veel modellen voor donkere energie uitgerust met zogenaamde screeningmechanismen die de vijfde kracht dynamisch verbergen.

De onderzoekers construeerden een natuurkundig model dat gebruikmaakte van een screeningsmechanisme dat bekend staat als kameleonscreening om aan te tonen dat donkere energiedeeltjes geproduceerd in de sterke magnetische velden van de Zon het XENON1T-overschot zouden kunnen verklaren. De kameleonscreening stopt de productie van donkere energiedeeltjes in zeer dichte objecten waardoor de problemen van de zonne-axionen worden vermeden. Daarnaast stelt het de onderzoekers in staat om wat in het lokale erg dichte heelal gebeurt los te koppelen van wat er gebeurt op de grootste schalen in het heelal waar de dichtheid extreem laag is.

De onderzoekers gebruikten hun model om te laten zien wat er in de detector zou gebeuren als donkere energie zou worden geproduceerd in een bepaald gebied van de Zon, de tachocline genaamd, maar de magnetische velden bijzonder sterk zijn. Het was verrassend dat deze overmaat in principe veroorzaakt kon zijn door donkere energie in plaats van donkere materie, aldus de onderzoekers.

Hun berekeningen suggereren dat experimenten zoals XENON1T, die zijn ontworpen om donkere materie te detecteren, ook gebruikt kunnen worden om donkere energie te detecteren. Het oorspronkelijke signaal moet echter eerst terdege worden bevestigd. Als XENON1T daadwerkelijk iets zag zou je in toekomstige experimenten weer een vergelijkbaar signaal verwachten maar dan veel sterker.

Als de overmaat het resultaat was van donkere energie dan zullen toekomstige upgrades van het XENON1T-experiment, evenals experimenten die vergelijkbare doelen hebben zoals LUX-Zeplin en PandaX-xT, mogelijk al binnen het volgende decennium gebruikt kunnen worden om donkere energie rechtstreeks te detecteren.

Artikel: “Direct detection of dark energy: The XENON1T excess and future prospects” by Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli, Philippe Brax, Anne-Christine Davis and Jeremy Sakstein, 15 September 2021, Physical Review D.

Eerste publicatie: 19 september 2021
Bron: SciTechDaily