XENON1T: ha davvero rilevato l’energia oscura?

Un nuovo studio, condotto da ricercatori dell'Università di Cambridge e riportato sulla rivista Physical Review D, suggerisce che alcuni risultati inspiegabili dell'esperimento XENON1T in Italia potrebbero essere stati causati dall'energia oscura, e non dalla materia oscura che l'esperimento è stato progettato per rilevare.

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XENON1T

La forza misteriosa che fa accelerare l’universo, l’energia oscura, potrebbe essere stata responsabile dei risultati inaspettati dell’esperimento XENON1T.

L’indagine, condotta da ricercatori dell’Università di Cambridge e riportato sulla rivista Physical Review D, lo suggerisce, asserendo inoltre che non si tratta della materia oscura che l’esperimento è progettato a rilevare.

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Hanno costruito un modello fisico per aiutare a spiegare i risultati, che potrebbero essere causati da particelle di energia oscura prodotte in una regione del Sole con forti campi magnetici. Anche se saranno necessari futuri esperimenti per confermare questa spiegazione. I ricercatori dicono che il loro studio potrebbe essere un passo importante verso il rilevamento diretto dell’energia oscura.

Tutto ciò che i nostri occhi possono vedere nei cieli e nel nostro mondo quotidiano costituisce meno del 5% dell’universo. E ciò include le piccole lune, le galassie massicce, e così via.

Il resto è oscuro. Circa il 27% è materia oscura, la forza invisibile che tiene insieme le galassie e la rete cosmica; mentre il 68% è energia oscura, che fa espandere l’universo ad un ritmo accelerato.

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Il dottor Sunny Vagnozzi dell’Istituto Kavli di Cambridge per la Cosmologia, primo autore dell’articolo spiega:

“Nonostante entrambi i componenti siano invisibili, sappiamo molto di più sulla materia oscura; dato che la sua esistenza è stata suggerita già negli anni ’20. Mentre l’energia oscura non è stata scoperta fino al 1998. Gli esperimenti su larga scala come XENON1T sono stati progettati per rilevare direttamente la materia oscura. Cercando segni di materia oscura che “colpiscono” la materia ordinaria, ma l’energia oscura è ancora più sfuggente”.

XENON1T: esperimento e rilevamento dell’energia oscura

Per rilevare l’energia oscura, gli scienziati generalmente cercano le interazioni gravitazionali cioè il modo in cui la gravità attira gli oggetti. E sulle scale più grandi, l’effetto gravitazionale dell’energia oscura è repulsivo; allontanando gli oggetti gli uni dagli altri e facendo accelerare l’espansione dell’Universo.

Circa un anno fa, l’esperimento XENON1T ha riportato un segnale inaspettato, o un eccesso, rispetto al fondo previsto.

Questo tipo di eccessi sono spesso dei colpi di fortuna, ma una volta ogni tanto possono anche portare a scoperte fondamentali”; ha riferito il dottor Luca Visinelli, un ricercatore del Frascati National Laboratories in Italia, coautore dello studio.

“Abbiamo esplorato un modello in cui questo segnale potrebbe essere attribuibile all’energia oscura, piuttosto che alla materia oscura che l’esperimento è stato originariamente concepito per rilevare”.

All’epoca, la spiegazione più popolare per l’eccesso erano gli assioni – ipotetiche particelle estremamente leggere – prodotte nel Sole. Tuttavia, questa spiegazione non regge alle osservazioni, poiché la quantità di assioni che sarebbe necessaria per spiegare il segnale di XENON1T altererebbe drasticamente l’evoluzione di stelle molto più pesanti del Sole; e ciò sarebbe in conflitto con ciò che osserviamo.

Siamo lontani dalla piena comprensione di cosa sia l’energia oscura; però la maggior parte dei modelli fisici per l’energia oscura porterebbe all’esistenza di una cosiddetta quinta forza. Ci sono quattro forze fondamentali nell’universo; e tutto ciò che non può essere spiegato da una di queste forze è talvolta indicato come il risultato di una quinta forza sconosciuta.

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Meccanismi di screening

Tuttavia, sappiamo che la teoria della gravità di Einstein funziona estremamente bene nell’universo locale. Pertanto, qualsiasi quinta forza associata all’energia oscura è indesiderata e deve essere “nascosta” o “schermata” quando si tratta di piccole scale, e può operare solo sulle scale più grandi dove la teoria della gravità di Einstein non riesce a spiegare l’accelerazione dell’Universo. Per nascondere la quinta forza, molti modelli per l’energia oscura sono dotati dei cosiddetti meccanismi di screening, che nascondono dinamicamente la quinta forza.

Vagnozzi e i suoi coautori hanno costruito un modello fisico, che ha utilizzato un tipo di meccanismo di screening noto come screening camaleontico, per dimostrare che le particelle di energia oscura prodotte nei forti campi magnetici del Sole potrebbero spiegare l’eccesso di XENON1T.

“Il nostro screening camaleontico spegne la produzione di particelle di energia oscura in oggetti molto densi, evitando i problemi affrontati dagli assioni solari”. Afferma Vagnozzi. “Ci permette anche di disaccoppiare ciò che accade nell’Universo molto denso locale da ciò che accade sulle scale più grandi, dove la densità è estremamente bassa”.

XENON1T

I ricercatori hanno usato il loro modello per mostrare cosa accadrebbe nel rivelatore se l’energia oscura fosse prodotta in una particolare regione del Sole, chiamata tachoclino, dove i campi magnetici sono particolarmente forti.

È stato davvero sorprendente che questo eccesso potrebbe in linea di principio essere stato causato dall’energia oscura piuttosto che dalla materia oscura”. Aggiunge Vagnozzi. “Quando le cose si incastrano così, è davvero speciale”.

I loro calcoli suggeriscono che esperimenti come XENON1T, che sono progettati per rilevare la materia oscura, potrebbero essere utilizzati anche per rilevare l’energia oscura.

Tuttavia, l’eccesso originale deve ancora essere confermato in modo convincente.

“Abbiamo prima bisogno di sapere che questo non è stato semplicemente un colpo di fortuna“. Rileva Visinelli. “Se XENON1T ha effettivamente visto qualcosa, ci si aspetterebbe di vedere di nuovo un eccesso simile in esperimenti futuri, ma questa volta con un segnale molto più forte”.

Se l’eccesso fosse il risultato dell’energia oscura, i prossimi aggiornamenti dell’esperimento XENON1T, così come gli esperimenti che perseguono obiettivi simili come LUX-Zeplin e PandaX-xT, significano che potrebbe essere possibile rilevare direttamente l’energia oscura entro il prossimo decennio.