Publicado 14/10/2020 16:31CET

Detectar materia oscura con mil millones de diminutos péndulos

Detectar materia oscura con mil millones de diminutos péndulos
Detectar materia oscura con mil millones de diminutos péndulos - NIST

   MADRID, 14 Oct. (EUROPA PRESS) -

   Un experimento, con mil millones de péndulos milimétricos como sensores, sería el primero en buscar materia oscura únicamente a través de su interacción gravitacional con la materia visible.

   Es la novedosa propuesta de un equipo liderado por investigadores del NIST (National Institute of Standards and Technology) para encontrar la materia oscura, el material misterioso del cosmos que ha eludido la detección durante décadas.

   La materia oscura constituye aproximadamente el 27% del universo; la materia ordinaria, como la que construye estrellas y planetas, representa solo el 5% del cosmos. (Una entidad misteriosa llamada energía oscura representa el otro 68%).

   Según los cosmólogos, todo el material visible en el universo está simplemente flotando en un vasto mar de materia oscura: partículas que son invisibles pero que, sin embargo, tienen masa y ejercen una fuerza gravitacional. La gravedad de la materia oscura proporcionaría el pegamento faltante que evita que las galaxias se desmoronen y explica cómo la materia se agrupa para formar el rico tapiz galáctico del universo.

   El nuevo experimento sería uno de los pocos en buscar partículas de materia oscura con una masa tan grande como la de un grano de sal, una escala raramente explorada y nunca estudiada por sensores capaces de registrar pequeñas fuerzas gravitacionales.

   Ensayos anteriores han buscado la materia oscura buscando signos no gravitacionales de interacciones entre las partículas invisibles y ciertos tipos de materia ordinaria. Ese ha sido el caso de las búsquedas de un tipo hipotético de materia oscura llamado WIMP (partículas masivas de interacción débil), que fue un candidato principal para el material invisible durante más de dos décadas. Los físicos buscaron evidencia de que cuando los WIMP ocasionalmente chocan con sustancias químicas en un detector, emiten luz o provocan una carga eléctrica.

   Los investigadores que buscan WIMP de esta manera han llegado con las manos vacías o han obtenido resultados no concluyentes; las partículas son demasiado ligeras (teorizadas para oscilar en masa entre la de un electrón y un protón) para detectar a través de su tirón gravitacional.

   Con la búsqueda de WIMP aparentemente en sus últimas etapas, los investigadores del NIST y sus colegas ahora están considerando un método más directo para buscar partículas de materia oscura que tienen una masa más pesada y, por lo tanto, ejercen una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para ser detectadas.

   "Nuestra propuesta se basa exclusivamente en el acoplamiento gravitacional, el único acoplamiento que sabemos con certeza que existe entre la materia oscura y la materia luminosa ordinaria", dijo en un comunicado el coautor del estudio Daniel Carney, físico teórico afiliado conjuntamente con NIST, el Joint Quantum Institute (JQI ) y el Centro Conjunto de Información Cuántica y Ciencias de la Computación (QuICS) de la Universidad de Maryland en College Park, y el Laboratorio Fermi.

   Los investigadores calculan que su método puede buscar partículas de materia oscura con una masa mínima de aproximadamente la mitad de la de un grano de sal, o aproximadamente mil millones de veces la masa de un protón. Los científicos informan hoy sobre sus hallazgos en Physical Review D.

   Debido a que la única incógnita en el experimento es la masa de la partícula de materia oscura, no cómo se acopla a la materia ordinaria, "si alguien construye el experimento que sugerimos, o encuentra materia oscura o descarta todos los candidatos a materia oscura en una amplia gama de posibles masas ", dijo Carney. El experimento sería sensible a partículas que van desde aproximadamente 1 / 5.000 de miligramo hasta unos pocos miligramos.

   Esa escala de masa es particularmente interesante porque cubre la llamada masa de Planck, una cantidad de masa determinada únicamente por tres constantes fundamentales de la naturaleza y equivalente a aproximadamente 1 / 5.000 de gramo.

   Carney, Taylor y sus colegas proponen dos esquemas para su experimento gravitacional de materia oscura. Ambos involucran pequeños dispositivos mecánicos de tamaño milimétrico que actúan como detectores gravitacionales exquisitamente sensibles. Los sensores se enfriarían a temperaturas justo por encima del cero absoluto para minimizar el ruido eléctrico relacionado con el calor y se protegerían de los rayos cósmicos y otras fuentes de radioactividad. En un escenario, una gran cantidad de péndulos altamente sensibles se desviarían ligeramente en respuesta al tirón de una partícula de materia oscura que pasa.

   Dispositivos similares (con dimensiones mucho más grandes) ya se han empleado en la reciente detección de ondas gravitacionales, ganadora del premio Nobel, ondas en el tejido del espacio-tiempo predichas por la teoría de la gravedad de Einstein. Los espejos cuidadosamente suspendidos, que actúan como péndulos, se mueven menos que la longitud de un átomo en respuesta a una onda gravitacional que pasa.

   En otra estrategia, los investigadores proponen el uso de esferas levitadas por un campo magnético o perlas levitadas por luz láser. En este esquema, la levitación se apaga cuando comienza el experimento, de modo que las esferas o perlas están en caída libre.

   La gravedad de una partícula de materia oscura que pasara perturbaría levemente la trayectoria de los objetos en caída libre.

   "Estamos utilizando el movimiento de los objetos como nuestra señal", dijo Taylor. "Esto es diferente de prácticamente todos los detectores de física de partículas que existen".

   Los investigadores calculan que se requiere una matriz de alrededor de mil millones de pequeños sensores mecánicos distribuidos en un metro cúbico para diferenciar una verdadera partícula de materia oscura de una partícula ordinaria o señales eléctricas aleatorias espúreas o "ruido" que desencadenan una falsa alarma en los sensores.

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