Der Galaxienhaufen Abell 1689 hilft uns, dunkle Energie zu verstehen. (NASA, ESA und D. Coe) Letztes Jahr XENON1T, das empfindlichste der Welt Dunkle Materie Detektor, schien einen Volltreffer zu liefern . Nicht aus dunkler Materie, sondern aus etwas anderem. Vielleicht Neutrinos , vielleicht Sonnenaxionen, vielleicht radioaktive Verschmutzung im Detektor.
Nun hat ein anderes Physikerteam eine andere Antwort gefunden. Das Signal könnte aber nicht mit Dunkler Materie übereinstimmen dunkle Energie , Sie sagen. Wenn dies tatsächlich der Grund für den Anstieg der Entdeckungen von XENON1T ist, stellt dies einen wichtigen Meilenstein bei der Suche nach dieser mysteriösen Kraft dar.
Dunkle Energie ist uns ebenso wie dunkle Materie unbekannt. Dunkle Materie ist der Name, den wir der Masse geben, die wir nicht direkt erkennen können. Wir schließen auf seine Existenz, weil es im Universum mehr Schwerkraft gibt, als wir durch Zusammenzählen der Dinge erklären können, die wir entdecken können – viel mehr. Ungefähr 5 Prozent des Universums sind normale Materie, wie Sterne, Schwarze Löcher , Planeten und wir. Rund 21 Prozent sind dunkle Materie.
Die restlichen etwa 74 Prozent sind dunkle Energie. Wir konnten es auch nicht direkt erkennen; Stattdessen schließen wir seine Existenz aus der beschleunigten Expansion des Universums. Etwas sorgt dafür, dass sich das Universum schneller ausbreitet, als wir es uns vorstellen können, und wir nennen das dunkle Energie.
„Obwohl beide Komponenten unsichtbar sind, wissen wir viel mehr über Dunkle Materie, da ihre Existenz bereits in den 1920er Jahren vermutet wurde, während Dunkle Energie erst 1998 entdeckt wurde.“ sagte der Kosmologe Sunny Vagnozzi vom Kavli-Institut für Kosmologie der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich.
„Groß angelegte Experimente wie XENON1T wurden entwickelt, um dunkle Materie direkt nachzuweisen, indem sie nach Anzeichen dafür suchen, dass dunkle Materie auf gewöhnliche Materie trifft, aber dunkle Energie ist noch schwerer zu fassen.“
XENON1T ist ein Tank, der mit 3,2 Tonnen hochreinem flüssigen Xenon gefüllt und mit einer Reihe von Photomultiplierröhren ausgestattet ist. Es ist vollständig versiegelt und völlig dunkel So können Forscher den Elektrolumineszenzblitz erkennen, wenn Teilchen interagieren, was zu einem winzigen Elektronenschauer von den Xenonatomen führt, was als Elektronenrückstoß bekannt ist.
Da die meisten davon durch bekannte Teilchenwechselwirkungen entstehen, haben wir eine ziemlich genaue Vorstellung davon, wie viele Elektronenrückstoßereignisse als Teil des allgemeinen Hintergrundrauschens stattfinden sollten. Diese Zahl beträgt etwa 232 ± 15 pro Jahr. Stattdessen entdeckte XENON1T von Februar 2017 bis Februar 2018 285 Ereignisse.
Wissenschaftler fanden heraus, dass die wahrscheinlichste Erklärung eine Art hypothetisches Teilchen namens Sonnenaxionen war, das erstmals in den 1970er Jahren in die Luft geschleudert wurde, um die Frage zu klären, warum starke Atomkräfte auf etwas namens „Sonnenaxionen“ folgen Ladungsparitätssymmetrie , während die meisten Modelle sagen, dass sie das nicht brauchen.
Aber es gibt ein Problem: Wenn die Sonne Axionen produzieren kann, sollten das auch alle Sterne tun. Allerdings ist der beobachtete Wärmeverlust an sehr heißen Sternenorten zu beobachten strenge Grenzen für Axion-Wechselwirkungen mit subatomaren Teilchen .
Also machten sich Vagnozzi und sein Team daran, die Möglichkeit zu testen, dass dunkle Energie für den Überschuss verantwortlich war. Nun mag dunkle Energie ein Rätsel sein, aber die meisten physikalischen Modelle dunkler Energie führen zu einer unbekannten fünften Naturkraft, die über Elektromagnetismus, Schwerkraft und zwei nukleare Wechselwirkungen hinausgeht.
Da die beschleunigte Expansion des Universums nur auf sehr großen Skalen nachweisbar ist und die Schwerkraft auf lokalen Skalen wirkt, müsste jedes Modell der Dunklen Materie, das auf eine fünfte Kraft schließen lässt, auch hinreichend erklären, warum diese Kraft in unserer astronomischen Nachbarschaft nicht offensichtlich ist.
Vagnozzi und sein Team entwickelten eine Methodik, die auf einem Mechanismus namens Chamäleon-Screening basiert, der die komplizierte Erklärung vermeidet, warum wir die fünfte Kraft nicht sehen, indem wir annehmen, dass ihre Reichweite in dichten Umgebungen wie unserer zu kurz ist.
„Unser Chamäleon-Screening stoppt die Produktion dunkler Energieteilchen in sehr dichten Objekten und vermeidet so die Probleme, mit denen Sonnenaxionen konfrontiert sind.“ sagte Vagnozzi .
„Es ermöglicht uns auch, das, was im lokalen, sehr dichten Universum passiert, von dem zu entkoppeln, was auf den größten Skalen passiert, wo die Dichte extrem niedrig ist.“
Ihre Ergebnisse zeigten, dass dunkle Energieteilchen aus einer stark magnetischen Region der Sonne stammen Tachoklin – zwischen dem Strahlungsinneren und der äußeren Konvektionszone – könnte das in den XENON1T-Daten beobachtete Signal erzeugt haben. Dies wird gegenüber der reinen Hintergrunderklärung mit einer Konfidenz von 2,5 Sigma bevorzugt.
Sie ist immer noch nicht ganz so stark wie die Erklärung der Sonnenachsen, die ein Konfidenzniveau von 3,5 Sigma hatte; oder sogar Neutrinos oder radioaktive Verschmutzung, die beide ein Konfidenzniveau von 3,2 Sigma hatten.
Es stellt eine alternative Lösung dar, eine ohne die heiklen Probleme, die mit den anderen verbunden sind. Wie die Forscher schrieb in ihrer Arbeit , es „erweckt die verlockende Möglichkeit, dass XENON1T der erste direkte Nachweis dunkler Energie gelungen sein könnte.“
Das gilt natürlich nur, wenn das Signal echt war. Wir benötigen eine weitere Erkennung, bevor wir uns dessen sicher sein können, und da XENON1T derzeit aktualisiert wird, müssen wir noch eine Weile warten.
Auch wenn das Signal beim nächsten Beobachtungslauf nicht mehr auftaucht, hat das Papier den Grundstein dafür gelegt, über den Tellerrand zu schauen, wenn die Entdeckung endlich bestätigt wird.
„Es war wirklich überraschend, dass dieser Überschuss im Prinzip durch dunkle Energie und nicht durch dunkle Materie verursacht worden sein könnte.“ sagte Vagnozzi . „Wenn die Dinge so zusammenpassen, ist das etwas ganz Besonderes.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Körperliche Untersuchung D .