L’expérience XENON1T a révélé l’énergie noire

L’énergie noire, la force mystérieuse provoquant l’accélération de l’univers, peut être responsable des résultats inattendus de l’expérience XENON1T, sous les Apennins italiens.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Cambridge et publiée dans la revue examen physique d, suggère que certains des résultats inexpliqués de l’expérience XENON1T en Italie peuvent être causés par l’énergie noire, et non par la matière noire que l’expérience a été conçue pour détecter.

Ils ont construit un modèle physique pour aider à expliquer les résultats, qui pourraient provenir de particules d’énergie noire produites dans une région du Soleil avec de forts champs magnétiques, bien que de futures expériences soient nécessaires pour confirmer cette interprétation. Les chercheurs affirment que leur étude pourrait être une étape importante vers la détection directe de l’énergie noire.

Tout ce que nos yeux peuvent voir dans le ciel et dans notre monde de tous les jours – des minuscules lunes aux immenses galaxies, des fourmis aux baleines bleues – représente moins de cinq pour cent de l’univers. Le reste est sombre. Environ 27% sont de la matière noire – la force invisible qui maintient ensemble les galaxies et la toile cosmique – tandis que 68% sont de l’énergie noire, provoquant l’expansion de l’univers à un rythme accéléré.

Le Dr Sunny Fagnozzi de l’Institut de cosmologie Kavli de Cambridge a déclaré :  » Bien que les deux composants soient invisibles, nous en savons beaucoup sur la matière noire, son existence ayant été suggérée dès les années 1920, tandis que l’énergie noire n’a été découverte qu’en 1998.  » . Le premier auteur de l’article. « Des expériences à grande échelle comme XENON1T sont conçues pour détecter directement la matière noire, en recherchant des signes de « collision » de matière noire avec de la matière ordinaire, mais l’énergie noire est plus difficile. »

Pour découvrir l’énergie noire, les scientifiques recherchent généralement des interactions gravitationnelles : la façon dont la gravité tire sur les objets. Et à plus grande échelle, l’effet gravitationnel de l’énergie noire est dégoûtant, écartant les choses et accélérant l’expansion de l’univers.

Il y a environ un an, l’essai XENON1T a signalé un signal inattendu ou accru par rapport au bruit de fond attendu. « Ces types d’abus sont souvent risqués, mais ils peuvent aussi parfois conduire à des découvertes fondamentales », a déclaré le Dr Luca Vecinelli, chercheur aux Laboratoires nationaux de Frascati en Italie, co-auteur de l’étude. « Nous avons découvert un modèle dans lequel ce signal pourrait être attribué à l’énergie noire, plutôt qu’à la matière noire que l’expérience a été conçue à l’origine pour détecter. »

À l’époque, l’explication la plus courante de l’augmentation était les axions – des particules hypothétiques ultralégères – produites dans le soleil. Cependant, cette interprétation ne tient pas aux observations, car le nombre d’axes nécessaires pour interpréter le signal XENON1T modifierait radicalement l’évolution d’étoiles beaucoup plus lourdes que le Soleil, contrairement à ce que nous observons.

Nous sommes loin de comprendre pleinement ce qu’est l’énergie noire, mais la plupart des modèles physiques de l’énergie noire conduiront à l’existence de la cinquième force. Il existe quatre forces fondamentales dans l’univers, et tout ce qui ne peut être expliqué par l’une de ces forces est parfois appelé le résultat d’une cinquième force inconnue.

Cependant, nous savons que la théorie de la gravité d’Einstein fonctionne très bien dans l’univers local. Par conséquent, toute cinquième force associée à l’énergie noire est indésirable et doit être « cachée » ou « examinée » lorsqu’il s’agit de petites échelles, et ne peut fonctionner qu’à des échelles plus grandes où la théorie de la gravité d’Einstein n’explique pas l’accélération de l’univers. Pour masquer la cinquième force, de nombreux modèles d’énergie noire sont équipés de mécanismes dits de filtrage, qui masquent dynamiquement la cinquième force.

Vagnozzi et ses collègues ont construit un modèle physique, qui a utilisé un type de mécanisme de filtrage connu sous le nom d’extraterrestres caméléons, pour montrer que les particules d’énergie noire produites dans les champs magnétiques puissants du Soleil pourraient expliquer l’excès de XENON1T.

« Le tamisage de notre caméléon arrête la production de particules d’énergie noire dans des objets très denses, évitant ainsi les problèmes des axes solaires », a déclaré Vagnozzi. « Cela nous permet également de séparer ce qui se passe dans l’univers local très dense de ce qui se passe à plus grande échelle, où la densité est très faible. »

Les chercheurs ont utilisé leur modèle pour montrer ce qui se passerait dans le détecteur si de l’énergie noire était produite dans une région particulière du soleil, appelée la tachocline, où les champs magnétiques sont particulièrement puissants.

« C’était vraiment surprenant que cet excès soit causé en principe par l’énergie noire plutôt que par la matière noire », a déclaré Fagnozzi. « Quand vous assemblez les choses comme ça, c’est vraiment spécial. »

Leurs calculs suggèrent que des expériences comme XENON1T, conçues pour détecter la matière noire, pourraient également être utilisées pour détecter l’énergie noire. Cependant, l’augmentation initiale n’a pas encore été confirmée de manière convaincante. « Nous devons d’abord savoir que ce n’était pas une simple coïncidence », a déclaré Vesinelli. « Si XENON1T voit réellement quelque chose, vous vous attendriez à voir à nouveau un excès similaire dans les futurs essais, mais cette fois avec un signal beaucoup plus fort. »

Si l’excès est causé par l’énergie noire, les mises à niveau à venir de l’expérience XENON1T, ainsi que des expériences poursuivant des objectifs similaires telles que LUX-Zeplin et PandaX-xT, signifient que l’énergie noire pourrait être directement détectée au cours de la prochaine décennie.

Référence : « Détection directe de l’énergie noire : excès de XENON1T et perspectives d’avenir » par Sunny Fagnozzi, Luca Vecinelli, Philip Brax, Ann Kristen Davis et Jeremy Sachstein, 15 septembre 2021, examen physique d.
DOI : 10.1103/PhysRevD.104.063023