Il y a environ 25 ans, les astrophysiciens ont remarqué quelque chose de très intéressant à propos de l’Univers. Son état d’expansion était connu depuis les années 1920, grâce à l’observation d’Edwin Hubble. Mais grâce aux observations que faisaient les astronomes avec l’observatoire spatial qui portait son nom (le Le télescope spatial Hubble), ils ont commencé à remarquer à quel point le taux d’expansion cosmique s’accélérait !
Cela a conduit à la théorie selon laquelle l’Univers est rempli d’une force invisible et mystérieuse, connue sous le nom de Énergie noire (DE). Des décennies après sa proposition, les scientifiques tentent toujours de cerner cette force insaisissable qui représente environ 70 % du budget énergétique de l’Univers. Selon un étude récente par une équipe internationale de chercheurs, l’expérience XENON1T a peut-être déjà détecté cette force insaisissable, ouvrant de nouvelles possibilités pour de futures recherches sur l’ED.
La recherche a été dirigée par le Dr Sunny Vagnozzi, un chercheur du Institut Kavli de cosmologie (KICC) à l’Université de Cambridge, et le Dr Luca Visinelli, un Bourse pour l’innovation (FELLINI) chercheur (qui est maintenu avec le soutien du Bourse Marie Sklodowska-Curie) au Institut national de physique nucléaire (INFN) à Frascati, Italie. Ils ont été rejoints par des chercheurs de l’Institut de Physique Théorique (IPhT), de l’Université de Cambridge et de l’Université d’Hawai’i.
DM et DE font tous deux partie du Matière Noire Froide Lambda (LCDM) modèle de cosmologie, qui postule que l’Univers est rempli de particules froides et lentes (DM) qui interagissent avec la matière normale via la seule force de gravité. Le Lambda représente DE, qui accélère l’expansion de l’Univers. Puisqu’ils ne sont discernés qu’en observant leur effet sur la structure à grande échelle de l’Univers, la pensée conventionnelle veut qu’aucune des deux forces n’interagisse avec la matière normale via l’électromagnétisme ou la force nucléaire faible ou forte.
Cependant, certaines théories DM postulent qu’il existe un certain niveau d’interaction avec la matière visible, que les chercheurs testent activement. Cependant, au lieu de plus de résultats de tests, les astrophysiciens et les cosmologues ne savent toujours pas comment l’ED s’intègre aux lois physiques qui régissent l’Univers. Jusqu’à présent, les candidats incluent une modification de la relativité générale d’Einstein (GR), la présence d’un nouveau champ ou une constante cosmologique (CC). Comme le Dr Visinelli l’a dit à Universe Today par e-mail :
« Pour cette raison, l’énergie noire est peut-être encore plus mystérieuse que la matière noire. Nous voyons les effets de l’énergie noire à travers un certain nombre d’observations, à commencer par les travaux fondateurs sur les supernovae 1A en tant que bougies standard. En supposant que l’énergie noire soit bien un champ, les quanta qui lui sont associés seraient extrêmement légers et transporteraient très peu d’énergie. C’est la raison pour laquelle très peu de travaux ont été consacrés à ce type de recherches.
Leur travail est basé sur de nouvelles recherches qui vont au-delà du modèle standard de cosmologie LCDM pour considérer que l’ED interagit avec la lumière en affectant ses propriétés (c’est-à-dire la polarisation, la couleur, la direction). Cependant, ces interactions pourraient faire l’objet de mécanismes de criblage qui empêchent les expérimentations locales de les détecter. Dans ce modèle, il est prédit que des quanta d’énergie noire peuvent être produits dans le Soleil.
Le détecteur XENON1T, illustré ci-dessous. Crédit : Collaboration XENOX
Comme l’a expliqué le Dr Vagnozzi, le lien possible entre le dépistage et l’énergie noire lui est apparu pour la première fois alors qu’il prenait une douche un jour :
«Je me souviens que c’était le 20 juin et que je prenais une douche et que je réfléchissais aux axions solaires (pas) expliquant le XÉNON, et j’ai réalisé que la solution évidente était le dépistage, car cela arrêterait la production dans les étoiles plus denses. Le dépistage est généralement associé à des modèles d’énergie noire et/ou de gravité modifiée, et il y a eu le « clic ».
“J’ai immédiatement Whatsapped Luca et nous avons commencé à travailler dessus tout de suite (et avons contacté nos autres co-auteurs qui sont des experts en modèles d’énergie noire/gravité modifiée).”
Pour le bien de leur étude, l’équipe dirigée par le Dr Vagnozzi et le Dr Visinelli a examiné les données publiées par le Collaboration XENON, une équipe de recherche DM composée de 135 chercheurs de 22 institutions à travers le monde. Au cœur de leur expérience se trouve un détecteur de 3 500 kg (7 715 livres) de xénon liquide ultra radio-pur logé dans un réservoir d’eau de 10 m (32,8 pieds). Situé à l’INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, XENON est également l’expérience la plus sensible sur la matière noire (DM) jamais réalisée.
En 2020, la Collaboration a publié les résultats de leur campagne expérimentale (2016 à 2018), qui a montré un taux inattendu d’événements de recul d’électrons. Selon la collaboration, cela ne constituait pas une détection de DM mais pourrait s’expliquer par une infime quantité résiduelle de tritium dans l’expérience, l’existence d’une nouvelle particule (comme l’axion solaire), ou une propriété inexpliquée des neutrinos.
Le meilleur réseau PMT avec tous les câbles électriques. Crédit : Projet XENON Dark Matter
Pour le bien de leur étude, cependant, l’équipe dirigée par Vagnozzi et Visinelli a émis l’hypothèse qu’il pourrait s’agir de la première détection directe de DE. Dit Vagnozzi :
« Dans notre modèle, l’énergie noire possède des propriétés particulières : son terme de masse est lié à la densité de l’environnement, de sorte que les matériaux les plus denses protégeraient les effets de l’énergie noire, tandis que les environnements plus légers tels que l’espace intergalactique permettraient une longue portée. de l’énergie noire.
« Dans ce modèle appelé « caméléon », des quanta d’énergie noire sont produits dans la région du Soleil où le champ électromagnétique est le plus fort, la tachocline, qui est la région dans laquelle le transport de l’énergie à l’intérieur du Soleil passe du rayonnement radiatif. à la convection. La forte densité énergétique du rayonnement électromagnétique dans la région permet un couplage fort avec le champ caméléon et sa production.
Si cela est vrai, cela signifierait que les expériences dans le monde entier qui sont actuellement orientées vers la recherche sur la matière noire pourraient également être consacrées à la chasse à l’énergie noire. À cette fin, le Dr Vagnozzi et le Dr Visinelli espèrent que cette étude suscitera l’intérêt pour les modèles particulaires de la DE et que la recherche de ces particules insaisissables pourra être effectuée parallèlement à la recherche en cours de la DM. À tout le moins, ces expériences testeront des théories sur l’ED qui vont au-delà du modèle LCDM, aidant les scientifiques à réduire la liste des candidats. Le Dr Visinelli a déclaré :
« De nombreuses autres expériences conçues pour la matière noire peuvent également contenir des informations sur ces caméléons, et nous espérons que la conception de futures configurations pour ces recherches sera envisagée. Un test indépendant utilisant des données cosmologiques croisées avec les prédictions du modèle caméléon serait également nécessaire. Quant à nous, nous prévoyons d’affiner les calculs de notre article en utilisant un modèle solaire, d’étudier la production de caméléons dans les étoiles massives et d’entrer en contact avec des expérimentateurs pour des mises à jour.
Simulation Illustris, montrant la répartition de la matière noire dans 350 millions par 300 000 années-lumière. Les galaxies sont représentées sous forme de points blancs à haute densité (à gauche) et de matière baryonique normale (à droite). Crédit : Markus Haider/Illustris
Dans un papier récent, le Dr Vagnozzi et le Dr Visinelli ont mené une étude pour examiner si la diffusion élastique pure entre l’énergie noire et la matière baryonique (alias normale) pouvait laisser une empreinte visible dans les observations cosmologiques. Ils ont déterminé que cela n’était pas probable, du moins lorsqu’il est appliqué à des observations sensibles à l’évolution linéaire de la structure cosmique, telles que le fond diffus cosmologique (CMB) et le regroupement de la structure à grande échelle au niveau linéaire.
Cependant, le Dr Vagnozzi travaille également avec un doctorat. étudiant à Munich pour étendre cette étude et prédire les implications qu’aurait l’interaction de l’ED avec la matière normale. Plus précisément, ils veulent examiner l’effet que cela aurait sur le regroupement non linéaire de la structure à grande échelle de l’Univers, ainsi que sur la structure des galaxies et des amas de galaxies. Couplés à des relevés à grande échelle, qui bénéficieront des télescopes de nouvelle génération dans les années à venir, les astronomes et les cosmologistes pourraient être sur le point de faire la lumière sur « l’univers sombre !
Publié à l’origine le Univers aujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez XENON1T Experiment May Have Detected Dark Energy.
Référence : « Détection directe de l’énergie noire : l’excès de XENON1T et les perspectives d’avenir » par Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli, Philippe Brax, Anne-Christine Davis et Jeremy Sakstein, 15 septembre 2021, Examen physique D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.104.063023
