Desde la década de 1980, los investigadores han estado realizando experimentos en busca de partículas que componen la materia oscura, una sustancia invisible que impregna nuestra galaxia y universo. Materia oscura acuñada porque no emite luz, esta sustancia, que constituye más del 80 por cientode la materia en nuestro universo, se ha demostrado en varias ocasiones que influye en la materia ordinaria a través de su gravedad.
Entonces, los investigadores de Caltech, dirigidos por Kathryn Zurek, profesora de física teórica, han regresado a la mesa de dibujo para pensar en nuevas ideas. Han estado estudiando la posibilidad de que la materia oscura esté compuesta de partículas del "sector oculto", que son más livianos que las partículas propuestas anteriormente y que, en teoría, podrían encontrarse utilizando pequeños dispositivos de mesa subterráneos. En contraste, los científicos están buscando candidatos de materia oscura más pesados llamados WIMP partículas masivas que interactúan débilmente utilizando experimentos a gran escalacomo XENON, que se instala bajo tierra en un tanque de agua de 70,000 galones en Italia.
"La materia oscura siempre fluye a través de nosotros, incluso en esta sala", dice Zurek, quien propuso por primera vez partículas ocultas del sector hace más de una década. "A medida que nos movemos por el centro de la galaxia, este constante viento de materia oscura pasa desapercibido en su mayoría.. Pero aún podemos aprovechar esa fuente de materia oscura y diseñar nuevas formas de buscar interacciones raras entre el viento de materia oscura y el detector ".
En un nuevo artículo aceptado para publicación en la revista Cartas de revisión física , los físicos describen cómo las partículas de materia oscura más livianas podrían detectarse a través de un tipo de cuasipartícula conocida como magnón. Una cuasipartícula es un fenómeno emergente que ocurre cuando un sólido se comporta como si contuviera partículas que interactúan débilmente. Los magnones son untipo de cuasipartícula en la que los espines de electrones, que actúan como pequeños imanes, son excitados colectivamente. En la idea de los investigadores para un experimento de sobremesa, se usaría un material cristalizado magnético para buscar signos de magnones excitados generados por la materia oscura.
"Si las partículas de materia oscura son más livianas que el protón, se hace muy difícil detectar su señal por medios convencionales", dice el autor del estudio Zhengkang Kevin Zhang, un investigador postdoctoral en Caltech. "Pero, según muchos bien-modelos motivados, especialmente aquellos que involucran sectores ocultos, las partículas de materia oscura pueden acoplarse a los espines de los electrones, de modo que una vez que golpean el material, inducirán excitaciones de espín, o magnones. Si reducimos el ruido de fondo al enfriar el equipo ymoviéndolo bajo tierra, podríamos esperar detectar magnones generados únicamente por materia oscura y no materia ordinaria "
Tal experimento es solo teórico en este punto, pero eventualmente puede llevarse a cabo utilizando pequeños dispositivos alojados bajo tierra, probablemente en una mina, donde las influencias externas de otras partículas, como las de los rayos cósmicos, pueden minimizarse.
Un signo revelador de una detección de materia oscura en los experimentos de sobremesa serían los cambios en la señal que dependen de la hora del día. Esto se debe al hecho de que los cristales magnéticos que se usarían para detectar la materia oscura puedenser anisotrópico, lo que significa que los átomos están dispuestos naturalmente de tal manera que tienden a interactuar con la materia oscura con mayor fuerza cuando la materia oscura proviene de ciertas direcciones.
"A medida que la Tierra se mueve a través del halo de materia oscura galáctica, siente que el viento de materia oscura sopla desde la dirección en la que se mueve el planeta. Un detector fijo en un lugar determinado de la Tierra gira con el planeta, por lo que el viento de materia oscura golpeadesde diferentes direcciones en diferentes momentos del día, por ejemplo, a veces desde arriba, a veces desde un lado ", dice Zhang.
"Durante el día, por ejemplo, puede tener una tasa de detección más alta cuando la materia oscura proviene de arriba que de lado. Si lo viera, sería bastante espectacular y una indicación muy fuerte de que estaba viendo materia oscura"
Los investigadores tienen otras ideas sobre cómo puede revelarse la materia oscura, además de a través de los magnones. Han propuesto que las partículas de materia oscura más claras podrían detectarse a través de fotones, así como con otro tipo de cuasipartícula llamada fonón, que es causadapor vibraciones en una red cristalina. Los experimentos preliminares basados en fotones y fonones están en marcha en UC Berkeley, donde el equipo se basó antes de que Zurek se uniera a la facultad de Caltech en 2019. Los investigadores dicen que el uso de estas múltiples estrategias para buscar materia oscuraes crucial porque se complementan entre sí y ayudarían a confirmar los resultados de cada uno.
"Estamos buscando nuevas formas de buscar materia oscura porque, dado lo poco que sabemos sobre la materia oscura, vale la pena considerar todas las posibilidades", dice Zhang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Whitney Clavin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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