L’énergie noire, la force mystérieuse qui provoque l’accélération de l’univers, peut avoir été responsable des résultats inattendus de l’expérience XENON1T, profondément sous les montagnes des Apennins en Italie.
Un nouveau étudier, dirigé par des chercheurs de l’Université de Cambridge et rapporté dans la revue Examen physique D, suggère que certains résultats inexpliqués de l’expérience XENON1T en Italie peuvent avoir été 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 explication. Les chercheurs affirment que leur étude pourrait être une étape importante vers la détection directe de l’énergie noire.
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Tout ce que nos yeux peuvent voir dans le ciel et dans notre monde de tous les jours – des minuscules lunes aux galaxies massives, 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, qui provoque l’expansion de l’univers à un rythme accéléré.
« Bien que les deux composants soient invisibles, nous en savons beaucoup plus sur la matière noire, puisque son existence a été suggérée dès les années 1920, tandis que l’énergie noire n’a été découverte qu’en 1998 », a déclaré Dr Sunny Vagnozzi de Cambridge Institut Kavli de cosmologie, le premier auteur de l’article. « Des expériences à grande échelle comme XENON1T ont été conçues pour détecter directement la matière noire, en recherchant des signes de matière noire » frappant » la matière ordinaire, mais l’énergie noire est encore plus insaisissable. «
Pour détecter l’énergie noire, les scientifiques recherchent généralement des interactions gravitationnelles : la façon dont la gravité entraîne les objets. Et sur les plus grandes échelles, l’effet gravitationnel de l’énergie noire est répulsif, éloignant les choses les unes des autres et accélérant l’expansion de l’univers.
Il y a environ un an, l’expérience XENON1T a signalé un signal inattendu, ou un excès, par rapport au bruit de fond attendu. « Ces types d’excès sont souvent des coups de chance, mais de temps en temps, ils peuvent également conduire à des découvertes fondamentales », a déclaré le co-auteur. Dr Luca Visinelli, des Laboratoires nationaux de Frascati en Italie. « Nous avons exploré un modèle dans lequel ce signal pourrait être attribuable 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 populaire de l’excès était les axions – des particules hypothétiques extrêmement légères – produites dans le Soleil. Cependant, cette explication ne résiste pas aux observations, puisque la quantité d’axions qui seraient nécessaires pour expliquer le signal XENON1T modifierait drastiquement l’évolution d’étoiles bien plus lourdes que le Soleil, en contradiction avec 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 conduiraient à l’existence d’une soi-disant 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 extrêmement bien dans l’univers local. Par conséquent, toute cinquième force associée à l’énergie noire est indésirable et doit être cachée, ou masquée, lorsqu’il s’agit de petites échelles, et ne peut fonctionner qu’aux plus grandes échelles 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 co-auteurs ont construit un modèle physique, qui a utilisé un type de mécanisme de filtrage connu sous le nom de filtrage caméléon, pour montrer que les particules d’énergie noire produites dans les champs magnétiques puissants du Soleil pourraient expliquer l’excès de XENON1T.
« Notre criblage caméléon arrête la production de particules d’énergie noire dans des objets très denses, évitant les problèmes rencontrés par les axions solaires », a déclaré Vagnozzi. « Cela nous permet également de découpler ce qui se passe dans l’Univers local très dense de ce qui se passe aux plus grandes échelles, où la densité est extrêmement faible. »
Les chercheurs ont utilisé leur modèle pour montrer ce qui se passerait dans le détecteur si l’énergie noire était produite dans une région du Soleil appelée tachocline, où les champs magnétiques sont particulièrement forts.
« C’était vraiment surprenant que cet excès puisse en principe être causé par l’énergie noire plutôt que par la matière noire », a déclaré Vagnozzi. « Quand les choses s’emboîtent comme ça, c’est vraiment spécial. »
Leurs calculs suggèrent que des expériences comme XENON1T, qui sont conçues pour détecter la matière noire, pourraient également être utilisées pour détecter l’énergie noire. Cependant, l’excès initial doit encore être confirmé de manière convaincante. « Nous devons d’abord savoir que ce n’était pas simplement un coup de chance », a déclaré Visinelli. « Si XENON1T voyait réellement quelque chose, vous vous attendriez à voir un excès similaire à nouveau dans les expériences futures, mais cette fois avec un signal beaucoup plus fort. »
Si l’excès était le résultat de 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 qu’il pourrait être possible de détecter directement l’énergie noire au cours de la prochaine décennie.
La source: Université de Cambridge
