Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus colegas han propuesto un método novedoso 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 materia 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 mantiene a las galaxiasde desmoronarse y dar cuenta de cómo la materia se agrupó para formar el rico tapiz galáctico del universo.
El experimento propuesto, en el que péndulos de mil millones de milímetros actuarían como sensores de materia oscura, sería el primero en buscar materia oscura únicamente a través de su interacción gravitacional con la materia visible. El experimento sería uno de los pocos en buscarpartículas de materia oscura con una masa tan grande como la de un grano de sal, una escala rara vez explorada y nunca estudiada por sensores capaces de registrar pequeñas fuerzas gravitacionales.
Experimentos previos 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, quefue un candidato líder para el material invisible durante más de dos décadas. Los físicos buscaron evidencia de que cuando los WIMP chocan ocasionalmente 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 variar 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 el coautor del estudio Daniel Carney, físico teórico afiliado conjuntamente con NIST, el Joint Quantum InstituteJQI y el Centro Conjunto de Información Cuántica y Ciencias de la Computación QuICS de la Universidad de Maryland en College Park, y el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi.
Los investigadores, que también incluyen a Jacob Taylor de NIST, JQI y QuICS; Sohitri Ghosh de JQI y QuICS; y Gordan Krnjaic del Fermi National Accelerator Laboratory, calculan que su método puede buscar partículas de materia oscura con una masa mínima de aproximadamente la mitadel de un grano de sal, o aproximadamente mil millones de billones de veces la masa de un protón. Los científicos informan sus hallazgos hoy en Revisión física 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 ampliarango de masas posibles ", dijo Carney. El experimento sería sensible a partículas que van desde aproximadamente 1 / 5,000 de miligramo a 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 1/5000 de un 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 enfrían a temperaturas justo por encima del cero absoluto para minimizar el calor relacionado con el calor.ruido eléctrico y protegido de los rayos cósmicos y otras fuentes de radiactividad. En un escenario, una miríada de péndulos altamente sensibles se desviarían ligeramente en respuesta al tirón de una partícula de materia oscura que pasa.
Ya se han empleado dispositivos similares con dimensiones mucho más grandes 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. 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 usar 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 gravedadde una partícula de materia oscura que pasa, perturbaría ligeramente el camino de los objetos en caída libre.
"Estamos usando el movimiento de los objetos como nuestra señal", dijo Taylor. "Esto es esencialmente diferente de todos los detectores de física de partículas que existen".
Los investigadores calculan que se requiere una matriz de aproximadamente 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.Las partículas subatómicas ordinarias, como los neutrones que interactúan a través de una fuerza no gravitacional se detendrían en un solo detector. Por el contrario, los científicos esperan que una partícula de materia oscura, que pasa zumbando por la matriz como un asteroide en miniatura, agite gravitacionalmente todos los detectores en su camino, unodespués del otro.
El ruido haría que los detectores individuales se movieran de forma aleatoria e independiente en lugar de secuencialmente, como lo haría una partícula de materia oscura. Como beneficio adicional, el movimiento coordinado de los mil millones de detectores revelaría la dirección en la que se dirigía la partícula de materia oscura mientras se desplazaba a través de la matriz..
Para fabricar tantos sensores diminutos, el equipo sugiere que los investigadores pueden querer tomar prestadas técnicas que las industrias automotriz y de teléfonos inteligentes ya usan para producir una gran cantidad de detectores mecánicos.
Gracias a la sensibilidad de los detectores individuales, los investigadores que emplean la tecnología no necesitan limitarse al lado oscuro. Una versión a menor escala del mismo experimento podría detectar las fuerzas débiles de ondas sísmicas distantes, así como las del pasajede partículas subatómicas ordinarias, como neutrinos y fotones individuales de baja energía partículas de luz.
El experimento a menor escala podría incluso buscar partículas de materia oscura, si imparten una patada lo suficientemente grande a los detectores a través de una fuerza no gravitacional, como predicen algunos modelos, dijo Carney.
"Estamos estableciendo el ambicioso objetivo de construir un detector gravitacional de materia oscura, pero la I + D necesaria para lograrlo abriría la puerta a muchas otras mediciones de detección y metrología", dijo Carney.
Los investigadores de otras instituciones ya han comenzado a realizar experimentos preliminares utilizando el modelo del equipo del NIST.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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