Un experimento de física de partículas puede haber observado directamente la energía oscura

Hace unos 25 años, los astrofísicos notaron algo muy interesante sobre el Universo. El hecho de que se encontraba en estado de expansión se conocía desde la década de 1920, gracias a la observación de Edwin Hubble. Pero gracias a las observaciones que los astrónomos estaban haciendo con el observatorio espacial que llevaba su nombre (el Telescopio Espacial Hubble),¡comenzaron a notar cómo la tasa de expansión cósmica se estaba volviendo más rápida!

Esto ha llevado a la teoría de que el Universo está lleno de una fuerza invisible y misteriosa, conocida como Energía Oscura (EO).

Décadas después de que se propusiera, los científicos todavía están tratando de precisar esta fuerza elusiva que constituye aproximadamente el 70% del presupuesto de energía del Universo.

Según un estudio reciente realizado por un equipo internacional de investigadores, el experimento XENON1T ya puede haber detectado esta fuerza elusiva, abriendo nuevas posibilidades para futuras investigaciones de EO.

La investigación fue dirigida por el Dr. Sunny Vagnozzi, investigador del Instituto Kavli de Cosmología (KICC) de la Universidad de Cambridge, y el Dr. Luca Visinelli, investigador de la Beca para la Innovación (FELLINI) (que se mantiene con el apoyo de la Beca Marie Sklodowska-Curie) en el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Frascati, Italia. A ellos se unieron investigadores del Institute de Physique Theórique (IPhT), la Universidad de Cambridge y la Universidad de Hawaii.

Tanto Materia Oscura (MO) como EO son parte del modelo de cosmología Lambda Cold Dark Matter (LCDM), que postula que el Universo está lleno de partículas frías y de movimiento lento (MO) que interactúan con la materia normal solo a través de la fuerza de la gravedad.

La EO está acelerando la expansión del Universo. Dado que solo se distinguen observando su efecto en la estructura a gran escala del Universo, el pensamiento convencional entiende que ninguna fuerza interactúa con la materia normal a través del electromagnetismo o la fuerza nuclear débil o fuerte.

Sin embargo, algunas teorías de MO postulan que hay cierto nivel de interacción con la materia visible, que los investigadores están probando activamente.

Sin embargo, en lugar de más resultados de pruebas, los astrofísicos y cosmólogos siguen sin tener claro cómo encaja con las leyes físicas que gobiernan el Universo.

Hasta ahora, los candidatos incluyen una modificación de la Relatividad General (RG) de Einstein, la presencia de un nuevo campo o una Constante Cosmológica (CC). Como el Dr. Visinelli le dijo a Universe Today por correo electrónico:

Por esta razón, la energía oscura es posiblemente aún más misteriosa que la materia oscura. Vemos los efectos de la energía oscura a través de una serie de observaciones, a partir del trabajo seminal en las supernovas 1A como velas estándares. Suponiendo que la energía oscura es de hecho un campo, los cuantos asociados con ella serían extremadamente ligeros y llevarían muy poca energía. Esta es la razón por la que se ha dedicado muy poco trabajo a este tipo de búsquedas.

Su trabajo se basa en una nueva investigación que mira más allá del modelo LCDM estándar de cosmología para considerar que de interactúa con la luz al afectar sus propiedades (es decir, polarización, color, dirección).

Sin embargo, estas interacciones podrían estar sujetas a mecanismos de detección que impidan que los experimentos locales las detecten.

En este modelo, se predice que se pueden producir cuantos de energía oscura en el Sol.

Como explicó el Dr. Vagnozzi, la posible conexión entre la detección y la energía oscura le llegó por primera vez cuando se estaba duchando un día:

“Recuerdo que era el 20 de junio y me estaba duchando y reflexionando sobre los axiones solares, y me di cuenta de que la salida obvia era la proyección, ya que cerraría la producción de estrellas más densas. La detección generalmente se asocia con modelos de energía oscura y/o gravedad modificada, y hubo el ‘clic’.

“Inmediatamente le puse un Whatsapp a Luca y comenzamos a trabajar en esto de inmediato (y contactamos a nuestros otros coautores que son expertos en modelos de energía oscura / gravedad modificada)”.

Por el bien de su estudio, el equipo dirigido por el Dr. Vagnozzi y el Dr. Visinelli consideró los datos publicados por la colaboración XENON,un equipo de investigación de MO compuesto por 135 investigadores de 22 instituciones de todo el mundo.

En el corazón de su experimento se encuentra un detector de 3,500 kg (7,715 lbs) de xenón líquido ultra puro de radio alojado dentro de un tanque de agua de 10 m (32.8 pies).

Ubicado en el Laboratorio Nazionali del Gran Sasso del INFN, XENON es también el experimento de Materia Oscura (MO) más sensible jamás realizado.

En 2020, la Colaboración publicó los resultados de su ejecución experimental (2016 a 2018), que mostraron una tasa inesperada de eventos de retroceso de electrones.

Según la colaboración, esto no constituyó una detección de MO, pero podría explicarse por una pequeña cantidad residual de tritio en el experimento, la existencia de una nueva partícula (como el axión solar) o una propiedad inexplicable en los neutrinos.

La matriz PMT superior con todos los cables eléctricos. Crédito: XENON Dark Matter Project

Sin embargo, por el bien de su estudio, el equipo dirigido por Vagnozzi y Visinelli teorizó que podría haber sido la primera detección directa de EO. Dijo Vagnozzi:

“En nuestro modelo, la energía oscura posee propiedades peculiares: su término de masa está relacionado con la densidad del medio ambiente, de modo que los materiales más densos protegerían los efectos de la energía oscura, mientras que los entornos más claros como el espacio intergaláctico permitirían un largo alcance de la energía oscura.

En este modelo llamado “camaleón”, se producen cuantos de energía oscura en la región del Sol en la que el campo electromagnético es el más fuerte, la tacolina, que es la región en la que el transporte de la energía dentro del Sol pasa de radiativo a convectivo. La alta densidad de energía en la radiación electromagnética en la región permite un fuerte acoplamiento con el campo camaleónico y para su producción”.

De ser cierto, esto significaría que los experimentos en todo el mundo que actualmente están orientados a la investigación de la Materia Oscura también podrían dedicarse a la caza de la Energía Oscura.

Con este fin, el Dr. Vagnozzi y el Dr. Visinelli esperan que este estudio despierte el interés en los modelos de partículas de EO y que la búsqueda de estas partículas elusivas se pueda llevar a cabo en paralelo con la búsqueda en curso de MO.

Por lo menos, estos experimentos pondrán a prueba las teorías sobre la EO que van más allá del modelo LCDM, ayudando a los científicos a reducir la lista de candidatos. Dijo el Dr. Visinelli:

“Muchos otros experimentos diseñados para la materia oscura también pueden transportar información sobre estos camaleones, y esperamos que se visualice el diseño de futuras configuraciones para estas búsquedas. También se necesitaría una prueba independiente utilizando datos cosmológicos cruzados con las predicciones del modelo camaleónico. En cuanto a nosotros, planeamos refinar los cálculos en nuestro artículo mediante el uso de un modelo solar, estudiar la producción de camaleones en estrellas masivas y ponernos en contacto con experimentalistas para obtener actualizaciones”.

Simulación de Illustris, que muestra la distribución de la materia oscura en 350 millones por 300.000 años luz. Las galaxias se muestran como puntos blancos de alta densidad (izquierda) y materia bariónica normal (derecha). Crédito: Markus Haider/Illustris

En un artículo reciente, el Dr. Vagnozzi y el Dr. Visinelli realizaron un estudio para examinar si la dispersión elástica pura entre la energía oscura y la materia bariónica (también conocida como normal) podría dejar una huella visible en las observaciones cosmológicas.

Determinaron que esto no era probable, al menos cuando se aplica a observaciones que son sensibles a la evolución lineal de la estructura cósmica, como el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y la agrupación de la estructura a gran escala a nivel lineal.

Sin embargo, el Dr. Vagnozzi también está trabajando con un estudiante de doctorado en Munich para extender este estudio y predecir las implicaciones que tendría la interacción de EO con la materia normal.

Específicamente, quieren examinar el efecto que esto tendría en el agrupamiento no lineal de la estructura a gran escala del Universo, así como en la estructura de galaxias y cúmulos de galaxias.

Junto con los estudios a gran escala, que se beneficiarán de los telescopios de próxima generación en los próximos años, los astrónomos y cosmólogos podrían estar a punto de arrojar luz sobre el “Universo Oscuro”.

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