¿Ha causado la Energía Oscura los extraños resultados del experimento XENON1T?

XENON1T fue diseñado para resolver otro misterio diferente, el de la materia oscura, ese 'otro tipo' de materia que los físicos llevan décadas tratando de encontrar. Sabemos que 'está ahí fuera', porque ejerce gravedad sobre los objetos visibles, como estrellas o galaxias, pero nadie ha conseguido aún detectarla. En su estudio, los investigadores de Cambridge sugieren que, de alguna manera, la Energía Oscura podría haberse 'colado' en el experimento XENON1T, y que eso explicaría lo extraño de los resultados.

Según se explica en el estudio, al toparse con datos que no esperaban los científicos elaboraron un modelo para tratar de explicarlos. Y el resultado fue que esos resultados podrían haberse originado a partir de partículas de energía oscura producidas en una región del Sol con fuertes campos magnéticos, aunque se requerirán experimentos futuros para confirmar la explicación. Los investigadores creen que su estudio podría ser un paso importante hacia la detección directa de Energía Oscura.

Todo lo que nuestros ojos pueden ver en los cielos y en nuestro mundo cotidiano, desde pequeñas lunas hasta galaxias masivas, desde hormigas hasta ballenas, es decir, toda la 'materia ordinaria', constituye menos del cinco por ciento del Universo. El resto pertenece a lo que se ha dado en llamar 'Universo oscuro'. Aproximadamente el 27% del Universo en que vivimos, en efecto, consiste en materia oscura, la sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias y que hace posible la red cósmica, mientras que el 68% restante es Energía Oscura, la supuesta responsable de que el Universo se expanda a un ritmo acelerado.

"A pesar de que ambos componentes son invisibles, -explica Sunny Vagnozzi del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge y primer autor del artículo-, sabemos mucho más sobre la materia oscura, ya que se sugirió su existencia en la década de 1920, que de la Energía Oscura, que no se descubrió hasta 1998. Los experimentos a gran escala como XENON1T han sido diseñados para detectar directamente materia oscura, mediante la búsqueda de signos de que la materia oscura 'golpea' la materia ordinaria, pero la Energía Oscura es mucho más esquiva".

Con tratan de detectar la Energía Oscura, los científicos generalmente buscan interacciones gravitacionales: la forma en que la gravedad arrastra los objetos. Y en las escalas más grandes, el efecto gravitacional de la Energía Oscura sería repulsivo, es decir, que haría que las cosas se alejen unas de otras y aceleraría, por tanto, la expansión del Universo.

Hace aproximadamente un año, el experimento XENON1T informó de una señal inesperada, o un exceso, sobre el fondo esperado. "Este tipo de excesos a menudo son casualidades -dice por su parte Luca Visinelli, investigador de los Laboratorios Nacionales de Frascati, en Italia, y coautor del estudio-, pero de vez en cuando también pueden conducir a descubrimientos fundamentales. Exploramos un modelo en el que esta señal podría atribuirse a la Energía Oscura, en lugar de a la materia oscura para la que se diseñó originalmente el experimento".

En aquél momento, en 2020, la explicación más popular para el exceso detectado eran los axiones, partículas hipotéticas extremadamente ligeras, producidas en el Sol y que podrían ser los tan buscados componentes de la materia oscura. Sin embargo, esa explicación no resiste las observaciones, ya que la cantidad de axiones que se requerirían para explicar la extraña señal XENON1T alteraría drásticamente la evolución de estrellas mucho más pesadas que el Sol, en conflicto directo con lo que podemos ver.

Estamos, pues, lejos de comprender completamente qué es la Energía Oscura, pero la mayoría de los modelos físicos parecen apuntar a la existencia de la llamada quinta fuerza. Hay cuatro fuerzas fundamentales en el Universo (electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil), y cualquier cosa que no pueda ser explicada por una de esas fuerzas a veces se atribuye a la acción de una quinta fuerza desconocida.

Sin embargo, sabemos que la teoría de la gravedad de Einstein funciona muy bien en el universo local. Por lo tanto, cualquier quinta fuerza asociada a la Energía Oscura debería de permanecer 'oculta' o ser 'filtrada' cuando se trata de escalas pequeñas, y solo podría operar en las escalas más grandes, donde la teoría de la gravedad de Einstein falla a la hora de explicar la aceleración del Universo. Para evitar esa hipotética quinta fuerza , muchos modelos de Energía Oscura están equipados con una serie de "mecanismos de filtrado".

Vagnozzi y sus colegas construyeron un modelo físico que utilizó un tipo de mecanismo de detección conocido como 'detección de camaleón', para mostrar que las partículas de Energía Oscura producidas en los fuertes campos magnéticos del Sol podrían explicar el exceso detectado por XENON1T.

“Nuestro cribado de camaleones -asegura Vagnozzi- impide la producción de partículas de Energía Oscura en objetos muy densos, evitando así los problemas que plantean los axiones solares. También nos permite desacoplar lo que sucede en el Universo muy denso local de lo que sucede en las escalas más grandes, donde la densidad es extremadamente baja".

Los investigadores usaron su modelo para mostrar lo que sucedería en el detector si la Energía Oscura realmente se estuviera generando en una región particular del Sol, llamada tacoclina, donde los campos magnéticos son particularmente fuertes.

“Fue realmente sorprendente -prosigue el investigador- que este exceso pudiera, en principio, haber sido causado por Energía Oscura en lugar de por materia oscura. Cuando las cosas encajan así, es algo realmente especial".

Sus cálculos sugieren que experimentos como XENON1T, que están diseñados para detectar materia oscura, también podrían usarse a partir de ahora para detectar Energía Oscura. Sin embargo, el exceso original aún debe ser explicado de manera convincente. "Primero debemos saber que esto no fue simplemente una casualidad -dice por su parte Visinelli-. Si XENON1T vio realmente algo, esperaríamos ver de nuevo un exceso similar en experimentos futuros, pero esta vez con una señal mucho más fuerte".

Si el exceso fue realmente el resultado de la Energía Oscura, las próximas actualizaciones del experimento XENON1T, así como otros experimentos con objetivos similares, como LUX-Zeplin y PandaX-xT, también podrían detectar directamente la Energía Oscura en el transcurso de la próxima década.