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Un nuevo estudio, dirigido por investigadores de la Universidad de Cambridge y publicado en la revista Physical Review D, sugiere que algunos resultados inexplicables del experimento XENON1T en Italia pueden haber sido causados por la energía oscura, y no por la materia oscura que el experimento fue diseñado para detectar.
Construyeron un modelo físico para ayudar a explicar los resultados, que podrían haberse originado a partir de partículas de energía oscura producidas en una región del Sol con fuertes campos magnéticos, aunque se necesitarán futuros experimentos para confirmar esta explicación. Los investigadores afirman que su estudio podría ser un paso importante hacia la detección directa de la energía oscura.
Todo lo que nuestros ojos pueden ver en los cielos y en nuestro mundo cotidiano -desde lunas diminutas hasta galaxias masivas, desde hormigas hasta ballenas azules- constituye menos del cinco por ciento del universo. El resto es oscuro. Alrededor del 27% es materia oscura -la fuerza invisible que mantiene unidas las galaxias y el entramado cósmico-, mientras que el 68% es energía oscura, que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.
"A pesar de que ambos componentes son invisibles, sabemos mucho más sobre la materia oscura, ya que su existencia se sugirió en la década de 1920, mientras que la energía oscura no se descubrió hasta 1998", afirma el Dr. Sunny Vagnozzi, del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge, primer autor del artículo. "Los experimentos a gran escala como XENON1T se han diseñado para detectar directamente la materia oscura, buscando señales de materia oscura que "golpee" la materia ordinaria, pero la energía oscura es aún más esquiva".
Para detectar la energía oscura, los científicos suelen buscar las interacciones gravitatorias: la forma en que la gravedad atrae a los objetos. Y en las escalas más grandes, el efecto gravitacional de la energía oscura es repulsivo, alejando las cosas unas de otras y haciendo que la expansión del Universo se acelere.
Hace aproximadamente un año, el experimento XENON1T informó de una señal inesperada, o exceso, sobre el fondo esperado. "Este tipo de excesos suelen ser casualidades, pero de vez en cuando también pueden dar lugar a descubrimientos fundamentales", afirma el Dr. Luca Visinelli, investigador de los Laboratorios Nacionales de Frascati (Italia), coautor del estudio. "Exploramos un modelo en el que esta señal podría ser atribuible a la energía oscura, en lugar de a la materia oscura que el experimento fue concebido originalmente para detectar".
En su momento, la explicación más popular para el exceso eran los axiones -partículas hipotéticas y extremadamente ligeras- producidos en el Sol. Sin embargo, esta explicación no se sostiene ante las observaciones, ya que la cantidad de axiones que se requeriría para explicar la señal de XENON1T alteraría drásticamente la evolución de estrellas mucho más pesadas que el Sol, en conflicto con lo que observamos.
Estamos lejos de comprender plenamente qué es la energía oscura, pero la mayoría de los modelos físicos de energía oscura llevarían a la existencia de una supuesta quinta fuerza. Hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo, y todo lo que no puede explicarse por una de estas fuerzas se denomina a veces resultado de una quinta fuerza desconocida.
Sin embargo, sabemos que la teoría de la gravedad de Einstein funciona extremadamente bien en el universo local. Por lo tanto, cualquier quinta fuerza asociada a la energía oscura no es deseada y debe estar "escondida" o "apantallada" cuando se trata de escalas pequeñas, y sólo puede operar en las escalas más grandes donde la teoría de la gravedad de Einstein no logra explicar la aceleración del Universo. Para ocultar la quinta fuerza, muchos modelos de energía oscura están equipados con los llamados mecanismos de cribado, que ocultan dinámicamente la quinta fuerza.
Vagnozzi y sus coautores construyeron un modelo físico, que utilizaba un tipo de mecanismo de cribado conocido como cribado camaleón, para demostrar que las partículas de energía oscura producidas en los fuertes campos magnéticos del Sol podrían explicar el exceso de XENON1T.
"Nuestro cribado camaleónico cierra la producción de partículas de energía oscura en objetos muy densos, evitando los problemas a los que se enfrentan los axiones solares", dijo Vagnozzi. "También nos permite desacoplar lo que ocurre en el Universo local muy denso de lo que sucede en las escalas más grandes, donde la densidad es extremadamente baja".
Los investigadores utilizaron su modelo para mostrar lo que sucedería en el detector si la energía oscura se produjera en una región particular del Sol, llamada taquiclina, donde los campos magnéticos son particularmente fuertes.
"Fue realmente sorprendente que este exceso pudiera, en principio, haber sido causado por la energía oscura y no por la materia oscura", dijo Vagnozzi. "Cuando las cosas encajan así, es realmente especial".
Sus cálculos sugieren que experimentos como XENON1T, diseñados para detectar la materia oscura, podrían utilizarse también para detectar la energía oscura. Sin embargo, el exceso original aún debe ser confirmado de forma convincente. "Primero tenemos que saber que esto no fue simplemente una casualidad", dijo Visinelli. "Si XENON1T realmente vio algo, se esperaría ver un exceso similar de nuevo en futuros experimentos, pero esta vez con una señal mucho más fuerte".
Si el exceso fuera el resultado de la energía oscura, las próximas actualizaciones del experimento XENON1T, así como los experimentos que persiguen objetivos similares como LUX-Zeplin y PandaX-xT, significan que podría ser posible detectar directamente la energía oscura en la próxima década.
Fuentes, créditos y referencias:
Sunny Vagnozzi et al, Direct detection of dark energy: The XENON1T excess and future prospects, Physical Review D (2021). DOI: 10.1103/PhysRevD.104.063023