Los físicos de la Universidad de Brown han ideado una nueva estrategia para detectar directamente la materia oscura, el material esquivo que se cree que representa la mayoría de la materia en el universo.
La nueva estrategia, que está diseñada para detectar interacciones entre partículas de materia oscura y una tina de helio superfluido, sería sensible a partículas en un rango de masa mucho más bajo de lo que es posible con cualquiera de los experimentos a gran escala realizados hasta ahora, eldicen los investigadores
"La mayoría de las búsquedas de materia oscura a gran escala hasta ahora han estado buscando partículas con una masa entre 10 y 10,000 veces la masa de un protón", dijo Derek Stein, un físico que fue coautor del trabajo con dos desus colegas de la Universidad Brown, Humphrey Maris y George Seidel. "Por debajo de 10 masas de protones, estos experimentos comienzan a perder su sensibilidad. Lo que queremos hacer es extender la sensibilidad en masa en tres o cuatro órdenes de magnitud y explorar la posibilidad de materia oscurapartículas que son mucho más ligeras "
Se publica un documento que describe el nuevo detector Cartas de revisión física .
materia faltante
Aunque aún no se ha detectado directamente, los físicos están bastante seguros de que la materia oscura debe existir de alguna forma. La forma en que giran las galaxias y el grado en que la luz se dobla a medida que viaja por el universo sugiere que hay algún tipo de invisiblecosas arrojando su gravedad.
La idea principal de la naturaleza de la materia oscura es que es algún tipo de partícula, aunque una que interactúa muy raramente con la materia ordinaria. Pero nadie está muy seguro de cuáles podrían ser las propiedades de una partícula de materia oscura porque nadie ha registrado una de esasinteracciones raras.
Ha habido una buena razón, dice Stein, para buscar en el rango de masa donde la mayoría de los experimentos de materia oscura se han enfocado hasta ahora. Una partícula en ese rango de masa ataría muchos extremos teóricos sueltos. Por ejemplo, la teoría de la supersimetría -- La idea de que todas las partículas comunes que conocemos y amamos tienen partículas compañeras ocultas - predice candidatos de materia oscura del orden de cientos de masas de protones.
Pero la no presentación de esas partículas en los experimentos hasta ahora hace que algunos físicos piensen en cómo buscar en otro lado. Esto ha llevado a los teóricos a proponer modelos en los que la materia oscura tendría una masa mucho más baja.
Un nuevo enfoque
La estrategia de detección que los investigadores de Brown han ideado involucra una tina de helio superfluido. La idea es que las partículas de materia oscura que pasan a través de la tina deberían, en muy raras ocasiones, chocar contra el núcleo de un átomo de helio. Esa colisión podríaproducen fonones y rotones, pequeñas excitaciones más o menos similares a las ondas de sonido, que se propagan sin pérdida de energía cinética dentro del superfluido. Cuando esas excitaciones alcanzan la superficie del fluido, provocarán la liberación de átomos de helio en un espacio de vacío.sobre la superficie. La detección de esos átomos liberados sería la señal de que se ha producido una interacción de materia oscura en la bañera.
"La última parte es la parte difícil", dijo Maris, quien ha trabajado en esquemas de detección basados en helio similares para otras partículas como los neutrinos solares. La colisión de una partícula de materia oscura de baja masa podría resultar en un solo átomoliberado de la superficie. Ese átomo solo transportaría aproximadamente un voltio de energía de mili-electrones, por lo que es prácticamente imposible de detectar por cualquier medio tradicional. La novedad de este nuevo esquema de detección es un medio para amplificar esa pequeña energía de un solo átomofirma.
Funciona generando un campo eléctrico en el espacio de vacío sobre el líquido usando una matriz de pequeños pines metálicos cargados positivamente. A medida que un átomo liberado de la superficie del helio se acerca a un pin, la punta cargada positivamente robará un electrón decreando un ion de helio cargado positivamente. Ese ion positivo recién creado estaría muy cerca del pin cargado positivamente, y debido a que las cargas se repelen entre sí, el ión saldrá volando con suficiente energía para ser fácilmente detectable por un calorímetro estándar,un dispositivo que detecta un cambio de temperatura cuando una partícula se encuentra con él.
"Si ponemos 10,000 voltios en esos pequeños pines, entonces ese ion se irá volando con 10,000 voltios", dijo Maris. "Entonces, es esta característica de ionización la que nos brinda una nueva forma de detectar solo el helioátomo que podría estar asociado con una interacción de materia oscura "
Sensible a baja masa
Este nuevo tipo de detector no sería el primero en usar la idea de la tina de gas líquido. El experimento de Xenón subterráneo grande LUX recientemente completado y su sucesor, LUX-ZEPLIN, usan tinas de gas xenón.En cambio, el uso de helio proporciona una ventaja importante en la búsqueda de partículas con menor masa, dicen los investigadores
Para que una colisión sea detectable, la partícula entrante y los núcleos atómicos objetivo deben ser de masa compatible. Si la partícula entrante es mucho más pequeña en masa que los núcleos objetivo, cualquier colisión provocaría que la partícula simplemente rebotara sin dejar untraza. Dado que LUX y LZ están destinados a la detección de partículas con una masa superior a cinco veces la de un protón, utilizaron xenón, que tiene un núcleo de alrededor de 100 masas de protones. El helio tiene una masa nuclear solo cuatro veces mayor que la de un protón, haciendo un objetivo más compatible para partículas con mucha menos masa.
Pero aún más importante que el objetivo de luz, dicen los investigadores, es la capacidad del nuevo esquema para detectar solo un átomo evaporado de la superficie de helio. Ese tipo de sensibilidad permitiría al dispositivo detectar las pequeñas cantidades de energía depositadasen el detector por partículas con masas muy pequeñas. El equipo de Brown cree que su dispositivo sería sensible a masas de hasta el doble de la masa de un electrón, aproximadamente de 1,000 a 10,000 veces más liviano que las partículas detectables en experimentos de materia oscura a gran escala hasta ahora.
Stein dice que los primeros pasos para hacer realidad un detector de este tipo serán experimentos fundamentales para comprender mejor los aspectos de lo que sucede en el helio superfluido y la dinámica precisa del esquema de ionización.
"A partir de esos experimentos fundamentales", dice Stein, "crearíamos diseños para un experimento de materia oscura más grande y completo"
La investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation DMR-1505044.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :