Eksperimen XENON1T Telah Mengungkapkan Energi Gelap

Energi gelap, kekuatan misterius yang menyebabkan alam semesta berakselerasi, mungkin bertanggung jawab atas hasil tak terduga dari eksperimen XENON1T, di bawah Pegunungan Apennine Italia.

Sebuah studi baru yang dipimpin oleh para peneliti di University of Cambridge dan diterbitkan dalam jurnal tinjauan fisik d, menunjukkan bahwa beberapa hasil yang tidak dapat dijelaskan dari eksperimen XENON1T di Italia mungkin disebabkan oleh energi gelap, bukan materi gelap yang dirancang untuk dideteksi oleh eksperimen tersebut.

Mereka membangun model fisik untuk membantu menjelaskan hasil, yang mungkin berasal dari partikel energi gelap yang dihasilkan di wilayah Matahari dengan medan magnet yang kuat, meskipun percobaan di masa depan akan diperlukan untuk mengkonfirmasi interpretasi ini. Para peneliti mengatakan studi mereka bisa menjadi langkah penting menuju deteksi langsung energi gelap.

Segala sesuatu yang dapat dilihat mata kita di langit dan di dunia kita sehari-hari – dari bulan kecil hingga galaksi besar, dari semut hingga paus biru – membentuk kurang dari lima persen alam semesta. Sisanya gelap. Sekitar 27% adalah materi gelap – kekuatan tak terlihat yang menyatukan galaksi dan jaring kosmik – sementara 68% adalah energi gelap, menyebabkan alam semesta mengembang dengan kecepatan yang semakin cepat.

Dr Sunny Fagnozzi dari Kavli Institute of Cosmology di Cambridge mengatakan: ‘Meskipun kedua komponen tersebut tidak terlihat, kami tahu banyak tentang materi gelap, keberadaannya telah disarankan pada awal tahun 1920-an, sementara energi gelap tidak ditemukan sampai tahun 1998. ” . Penulis pertama makalah. “Eksperimen skala besar seperti XENON1T dirancang untuk mendeteksi materi gelap secara langsung, dengan mencari tanda-tanda materi gelap ‘bertabrakan’ dengan materi biasa, tetapi energi gelap lebih sulit.”

Untuk menemukan energi gelap, para ilmuwan umumnya mencari interaksi gravitasi: cara gravitasi menarik benda. Dan pada skala yang lebih besar, efek gravitasi energi gelap menjijikkan, memisahkan benda-benda dan membuat perluasan alam semesta semakin cepat.

Sekitar setahun yang lalu, uji coba XENON1T melaporkan sinyal yang tidak terduga, atau meningkat, di atas latar belakang yang diharapkan. “Jenis pelecehan ini sering berisiko, tetapi kadang-kadang juga dapat menyebabkan penemuan mendasar,” kata Dr. Luca Vecinelli, seorang peneliti di Frascati National Laboratories di Italia, yang merupakan rekan penulis studi tersebut. “Kami menemukan model di mana sinyal ini dapat dikaitkan dengan energi gelap, daripada materi gelap yang awalnya dirancang untuk dideteksi oleh eksperimen.”

Pada saat itu, penjelasan paling umum untuk peningkatan itu adalah axion — partikel hipotetis ultra-ringan — yang diproduksi di matahari. Namun, interpretasi ini tidak sesuai dengan pengamatan, karena jumlah sumbu yang diperlukan untuk menafsirkan sinyal XENON1T akan secara radikal mengubah evolusi bintang yang jauh lebih berat daripada Matahari, berbeda dengan apa yang kita amati.

Kita masih jauh dari sepenuhnya memahami apa itu energi gelap, tetapi sebagian besar model fisik energi gelap akan mengarah pada keberadaan apa yang disebut gaya kelima. Ada empat gaya fundamental di alam semesta, dan segala sesuatu yang tidak dapat dijelaskan oleh salah satu gaya ini kadang-kadang disebut sebagai hasil dari gaya kelima yang tidak diketahui.

Namun, kita tahu bahwa teori gravitasi Einstein bekerja sangat baik di alam semesta lokal. Oleh karena itu, gaya kelima apa pun yang terkait dengan energi gelap tidak diinginkan dan harus “disembunyikan” atau “diperiksa” dalam skala kecil, dan hanya dapat bekerja pada skala yang lebih besar di mana teori gravitasi Einstein gagal menjelaskan percepatan alam semesta. Untuk menyembunyikan kekuatan kelima, banyak model energi gelap dilengkapi dengan apa yang disebut mekanisme penyaringan, yang secara dinamis menyembunyikan kekuatan kelima.

Vagnozzi dan rekan membangun model fisik, yang menggunakan jenis mekanisme penyaringan yang dikenal sebagai alien bunglon, untuk menunjukkan bahwa partikel energi gelap yang dihasilkan di medan magnet kuat Matahari dapat menjelaskan kelebihan XENON1T.

“Menyaring bunglon kami menghentikan produksi partikel energi gelap di objek yang sangat padat, menghindari masalah yang dimiliki sumbu matahari,” kata Vagnozzi. “Ini juga memungkinkan kita untuk memisahkan apa yang terjadi di alam semesta lokal yang sangat padat dari apa yang terjadi pada skala yang lebih besar, di mana kepadatannya sangat rendah.”

Para peneliti menggunakan model mereka untuk menunjukkan apa yang akan terjadi di detektor jika energi gelap dihasilkan di wilayah tertentu matahari, yang disebut tachocline, di mana medan magnet sangat kuat.

“Sangat mengejutkan bahwa kelebihan ini pada prinsipnya disebabkan oleh energi gelap daripada materi gelap,” kata Fagnozzi. “Ketika Anda mengklik hal-hal seperti itu, itu benar-benar istimewa.”

Perhitungan mereka menunjukkan bahwa eksperimen seperti XENON1T, yang dirancang untuk mendeteksi materi gelap, juga dapat digunakan untuk mendeteksi energi gelap. Namun, peningkatan asli belum dikonfirmasi secara meyakinkan. “Pertama-tama kita perlu tahu bahwa ini bukan hanya kebetulan,” kata Vesinelli. “Jika XENON1T benar-benar melihat sesuatu, Anda akan berharap untuk melihat kelebihan serupa lagi di uji coba di masa mendatang, tetapi kali ini dengan sinyal yang jauh lebih kuat.”

Jika kelebihan tersebut disebabkan oleh energi gelap, peningkatan yang akan datang pada eksperimen XENON1T, serta eksperimen yang mengejar tujuan serupa seperti LUX-Zeplin dan PandaX-xT, berarti energi gelap dapat langsung dideteksi dalam dekade berikutnya.

Referensi: “Deteksi Langsung Energi Gelap: Kelebihan XENON1T dan Prospek Masa Depan” oleh Sunny Fagnozzi, Luca Vecinelli, Philip Brax, Ann Kristen Davis, dan Jeremy Sachstein, 15 Sep 2021, tinjauan fisik d.
DOI: 10.1103/ PhysRevD.104.063023