Letztes Jahr berichteten Physiker, dass ein experimenteller Detektor für dunkle Materie ein seltsames Signal aufgefangen hatte, das auf neue Physik hinweisen könnte, und mehrere "Verdächtige" wurden identifiziert. Cambridge-Wissenschaftler boten eine Antwort, die damals nicht in Betracht gezogen wurde – das Experiment hat möglicherweise zum ersten Mal dunkle Energie entdeckt, eine mysteriöse Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt.
Obwohl angenommen wird, dass Dunkle Materie der gewöhnlichen Materie um den Faktor fünf überlegen ist, bleibt Dunkle Materie schwer fassbar. Es interagiert nicht mit Licht und scheint sich hauptsächlich durch Gravitationseinflüsse auf kosmischen Skalen wie Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen zu manifestieren.
Aber von Zeit zu Zeit kann ein Teilchen dunkler Materie auf eine Weise mit einem gewöhnlichen Materieteilchen zusammenstoßen, die wir mit der richtigen Ausrüstung erkennen können.
XENON1T war eine der Versionen dieser Ausrüstung. Das zwischen 2016 und 2018 in Italien durchgeführte Experiment bestand im Wesentlichen aus einem großen Tank voller flüssigem Xenon, das tief unter der Erde gelagert wurde. Die Idee war, dass, wenn ein Teilchen der Dunklen Materie durch das Reservoir fegt, es Xenonatome anregt, um einen Lichtstoß und freie Elektronen zu erzeugen, die eine Reihe von Sensoren erkennen kann.
Aber das ist nicht so einfach, wie es scheinen mag. Andere bekannte Partikel können den gleichen Effekt haben. Die Platzierung des Experiments unter der Erde hilft, dieses Hintergrundrauschen zu reduzieren, aber nicht alle. Wissenschaftler berechnen also das erwartete Hintergrundniveau von Ereignissen und prüfen dann, ob die tatsächliche Erkennung höher ist.
Tatsächlich war es so. Letztes Jahr berichteten Wissenschaftler von einer "erstaunlichen Zunahme der Anzahl von Ereignissen" - 53, um genau zu sein - gegenüber dem erwarteten Hintergrund von 232. Etwas Seltsames schien zu passieren, aber war es dunkle Materie?
Der erste Kandidat war damals ein hypothetisches Elementarteilchen namens Sonnenaxion. Wie der Name schon sagt, können sie von der Sonne produziert werden, und obwohl sie selbst nicht als Kandidaten für dunkle Materie gelten, sind es andere Arten von Axionen, daher wäre es ein wichtiger Schritt, Beweise für jeden von ihnen zu finden.
Aber nach weiteren Untersuchungen argumentiert das Cambridge-Team, dass es zu viele Sonnenaxionen braucht, um das beobachtete Signal zu empfangen.
Stattdessen schlagen sie einen anderen Schuldigen vor – ein Teilchen, das die Kraft für dunkle Energie trägt. Dies ist der Name der abstoßenden Kraft, die anscheinend die Expansion des Universums beschleunigt, und eines ihrer Modelle enthält sogenannte Chamäleon-Teilchen.
Im Wesentlichen wird vorhergesagt, dass diese Teilchen unterschiedliche Massen und Wirkungen haben, je nachdem, wie viel Materie sie umgibt. In Gebieten mit hoher Dichte wie der Erde ist ihre Masse also groß, aber ihre Kraft wirkt nur über eine winzige Distanz.
Im interstellaren Raum, wo es fast keine Materie gibt, haben Chamäleons jedoch weniger Masse, aber ihr Einfluss reicht viel weiter. Ein solcher Wechsel könnte die bizarre Beobachtung erklären, dass dunkle Energie lokal keine Wirkung zu haben scheint, sie aber auf galaktischem Maßstab stark beeinflusst.
Diese Hypothese mag zu bequem klingen, um wahr zu sein, aber sie sind genau dafür gedacht - Ideen, die getestet werden können, um Beweise dafür oder dagegen zu finden. Und laut dem Cambridge-Physikteam haben wir möglicherweise Beweise dafür gefunden, dass Chamäleons dunkle Energie über die Ereignisse in XENON1T hinaus tragen.
Die Forscher modellierten, was passieren würde, wenn Chamäleon-Partikel, die von der Sonne in einer hochmagnetischen Region namens Tachocline erzeugt werden, den XENON1T-Detektor passieren. Tatsächlich sah das Signal dem beobachteten sehr ähnlich.
„Es war wirklich überraschend, dass dieser Überschuss im Prinzip durch dunkle Energie und nicht durch dunkle Materie verursacht werden könnte“, sagt Sunny Vagnozzi, Erstautorin der Studie. "Wenn es so läuft, ist es wirklich etwas Besonderes."
Der Fall ist natürlich noch lange nicht abgeschlossen. Weitere Ereignisse wurden noch nicht richtig bestätigt, aber erweiterte Versionen des Experiments können die Ergebnisse verdeutlichen.
„Zunächst müssen wir wissen, dass dies kein Zufall war“, sagt Luca Vizinelli, Co-Autor der Studie. "Wenn XENON1T wirklich etwas gesehen hat, würde man in zukünftigen Experimenten einen ähnlichen Überschuss erwarten, diesmal jedoch mit einem viel stärkeren Signal."
Die Studie wurde in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
2021-09-21 04:13:23
Autor: Vitalii Babkin