Hace unos 25 años, los astrofísicos notaron algo muy interesante sobre el Universo. El hecho de que se encontraba en un estado de expansión se conocía desde la década de 1920, gracias a la observación de Edwin Hubble. Pero gracias a las observaciones que estaban haciendo los astrónomos con el observatorio espacial que llevaba su nombre (el telescopio espacial Hubble ), ¡comenzaron a notar cómo la tasa de expansión cósmica se estaba acelerando!
Esto ha llevado a la teoría de que el Universo está lleno de una fuerza invisible y misteriosa, conocida como Energía oscura (DELAWARE). Décadas después de su propuesta, los científicos todavía están tratando de precisar esta fuerza elusiva que representa aproximadamente el 70% del presupuesto de energía del Universo. De acuerdo a una estudio reciente por un equipo internacional de investigadores, el experimento XENON1T puede haber detectado ya esta fuerza esquiva, abriendo nuevas posibilidades para la investigación futura de ED.
La investigación fue dirigida por el Dr. Sunny Vagnozzi, investigador de la Instituto Kavli de Cosmología (KICC) en la Universidad de Cambridge, y el Dr. Luca Visinelli, un Beca de Innovación (FELLINI) investigador (que se mantiene con el apoyo del 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 Hawai'i.
Tanto DM como DE son parte de la Materia Oscura Fría Lambda (LCDM) de cosmología, que postula que el Universo está lleno de partículas frías de movimiento lento (DM) que interactúan con la materia normal a través de la fuerza de la gravedad únicamente. La Lambda representa DE, que está acelerando la expansión del Universo. Dado que solo se disciernen al observar su efecto en la estructura a gran escala del Universo, el pensamiento convencional dice que ninguna fuerza interactúa con la materia normal a través del electromagnetismo o la fuerza nuclear débil o fuerte.
Sin embargo, algunas teorías de la DM postulan que existe 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 no tienen claro cómo encaja la DE con las leyes físicas que gobiernan el Universo. Hasta ahora, los candidatos incluyen una modificación de la Relatividad General (GR) de Einstein, la presencia de un nuevo campo o una Constante Cosmológica (CC). Como dijo el Dr. Visinelli a Universe Today por correo electrónico:
“Por esta razón, la energía oscura es posiblemente incluso más misteriosa que la materia oscura. Vemos los efectos de la energía oscura a través de una serie de observaciones, comenzando por el trabajo seminal en las supernovas 1A como velas estándar. Suponiendo que la energía oscura es de hecho un campo, los cuantos asociados con ella serían extremadamente ligeros y llevarían muy poca energía. Ésta 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 estándar de cosmología LCDM para considerar que la 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.
El detector XENON1T, mostrado desde abajo. Crédito: Colaboración XENOX.
Como explicó el Dr. Vagnozzi, la posible conexión entre la detección y la energía oscura se le ocurrió por primera vez cuando se estaba duchando un día:
“Recuerdo que era el 20 de junio y estaba duchándome y reflexionando sobre los axiones solares (no) para explicar XENON, y me di cuenta de que la salida obvia era la proyección, ya que pararía la producción en estrellas más densas. El cribado generalmente se asocia a modelos de energía oscura y / o gravedad modificada, y estaba el 'clic'.‘
“Inmediatamente envié 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 filtrada / gravedad modificada) '.
Por el bien de su estudio, el equipo dirigido por el Dr. Vagnozzi y el Dr. Visinelli consideró los datos publicados por el Colaboración XENON , un equipo de investigación de DM formado 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 libras) de xenón líquido ultraradio puro alojado en un tanque de agua de 10 m (32,8 pies). Ubicado en el INFN Laboratorios Nacionales Gran Sasso , XENON es también el experimento de materia oscura (DM) más sensible jamás realizado.
En 2020, la Colaboración publicó los resultados de su ejecución experimental (2016 a 2018), que mostró una tasa inesperada de eventos de retroceso de electrones. Según la colaboración, esto no constituyó una detección de DM, 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: Proyecto XENON Dark Matter
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 DE. Dijo Vagnozzi:
“En nuestro modelo, la energía oscura posee propiedades peculiares: su término de masa está relacionado con la densidad del ambiente, por lo que los materiales más densos protegerían los efectos de la energía oscura, mientras que los ambientes más claros como el espacio intergaláctico permitirían un largo alcance de la energía oscura.
“En este modelo llamado“ camaleón ”, los cuantos de energía oscura se producen en la región del Sol en la que el campo electromagnético es más fuerte, la tacoclina, que es la región en la que el transporte de la energía dentro del Sol pasa de radiactivo a convectivo. La alta densidad de energía de la radiación electromagnética en la región permite un fuerte acoplamiento con el campo del camaleón y 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 búsqueda de la energía oscura. Con este fin, el Dr. Vagnozzi y el Dr. Visinelli esperan que este estudio despierte interés en los modelos de partículas de DE y que la búsqueda de estas elusivas partículas se pueda llevar a cabo en paralelo con la búsqueda en curso de DM. Al menos, estos experimentos probarán teorías sobre DE 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 Dark Matter también pueden llevar información sobre estos camaleones, y esperamos que se prevea el diseño de configuraciones futuras para estas búsquedas. También se necesitaría una prueba independiente que utilice datos cosmológicos cruzados con las predicciones del modelo camaleón. 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 experimentadores para obtener actualizaciones '.
Illustris simulación, que muestra la distribución de 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 aplicaron 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 Ph.D. estudiante en Munich para ampliar este estudio y predecir las implicaciones que tendría la DE interactuando 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 las galaxias y los cúmulos de galaxias. Junto con los estudios a gran escala, que se beneficiarán de los telescopios de la 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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