Ciencias

Un detector de materia oscura basado en un carillón de viento parece lo suficientemente extraño como para funcionar

Ilustración para el artículo titulado Un detector de materia oscura basado en un carillón de viento parece lo suficientemente extraño como para funcionar

Ilustración: Jim Cooke

Los físicos de la materia oscura pueden tener uno de los trabajos más frustrantes de la ciencia. Su trabajo trata de algo que, según casi todos los modelos del universo, debe existir. Pero nunca hemos encontrado evidencia directa de materia oscura. Donde otros científicos pueden capturar a sus sujetos en un laboratorio y realizar experimentos en él, los estudiosos de la materia oscura se quedan con nada más que un tentador conjunto de pistas. Es como estudiar fantasmas, si los fantasmas fueran reales y también formaran una cuarta parte de la materia en el universo conocido.

Científicos que estudian la materia oscura también podría ser perdonado por sentirse un poco más ansioso últimamente. Una serie de experimentos costosos destinados a encontrar algunos de los principales candidatos para la materia oscura han apareció con las manos vacías.

«Ahora es una especie de temporada abierta», dijo Daniel Carney, físico teórico de la Universidad de Maryland, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y Fermilab. «Los físicos están realmente luchando por pensar en nuevas formas de buscar materia oscura y nuevos tipos de materia oscura que podrían existir».

Carney cree que podría tener una solución potencial. Lo único que sabemos sobre la materia oscura es que ejerce una atracción gravitacional. Entonces, ¿por qué no lo buscamos de esa manera?

Por simple que parezca, es un enfoque que nunca antes se había intentado, en gran parte porque diseñar un experimento de este tipo implica calibraciones tan exquisitas que parecen casi improbables. Pero Carney y un pequeño grupo de científicos han comenzado a trabajar en un prototipo que dicen que algún día podría conducir a un detector capaz de señalar la diminuta atracción gravitacional de una partícula que no podemos ver ni sentir.

El detector es de diseño simple (imagínese una caja llena de pequeñas cuentas colgando o suspendidas en el aire), pero la teoría detrás de su construcción equivale a un replanteamiento fundamental de la búsqueda de materia oscura.

Los astrónomos encontraron por primera vez indicios de materia oscura hace más de un siglo, a partir de observaciones de cómo las estrellas se movían alrededor de la Vía Láctea. Desde entonces, se han acumulado más pruebas. Gran parte de esto se reduce al hecho de que, a gran escala, las cosas en el universo se mueven de formas que las leyes de la gravedad no pueden explicar. Las galaxias giran tan rápido que deberían separarse; de manera similar, los cúmulos de galaxias no se mueven de acuerdo con nuestra comprensión actual de la gravedad. Otras líneas de evidencia provienen de la forma en que las galaxias doblan la luz a su alrededor y de cómo el fondo cósmico de microondas (luz sobrante del Big Bang) irradia energía.

Todo se suma al hecho de que el universo debería tener mucha más masa de la que podemos ver. La materia visible representa alrededor del 5% de la masa del universo; la materia oscura debería representar alrededor de cinco veces más.

Pero de dónde viene esa masa es una cuestión abierta. Los físicos han propuesto numerosas teorías para la materia oscura, como una clase de partícula nueva conocida como partículas masivas de interacción débil o WIMP. Durante años, los WIMP fueron uno de los principales candidatos para la materia oscura, y los físicos idearon experimentos elaborados para atraparlos. Estos incluían piscinas gigantes de xenón líquido, destinadas a emitir un destello de luz si pasaba un WIMP.

Pero, casi 15 años después, los físicos todavía están esperando ese destello. Y una serie de teorías alternativas para la materia oscura: que proviene de partículas teóricas llamadas axiones, o de los agujeros negros primordiales, o simplemente que nuestra comprensión de la gravedad es incorrecta, tampoco han logrado arrojar ninguna información concreta.

Esa es una gran parte de la razón por la que Carney propone reducir la búsqueda a la idea básica de que la materia oscura debe tener masa.

«Es el enfoque más simple, en realidad», dijo. “Literalmente, lo único que sabes al respecto es que gravita; atrae materia normal gravitacionalmente «.

Su diseño propuesto se parece a algo así como una campana de viento, según Carney. Mil millones de pequeños sensores colgarían inmóviles en un espacio cerrado, monitoreados por una red extremadamente precisa de láseres capaces de medir movimientos de menos de una fracción del diámetro de un protón.

Carney es parte de la colaboración Windchime, un grupo recién formado de 19 científicos de varias instituciones dedicadas a explorar el potencial de un detector gravitacional de materia oscura.

Los detalles del detector todavía están algo en el aire. Los sensores pueden colgar de cuerdas delgadas o ser levitados por imanes. O podrían usar acelerómetros, similares a los de nuestros teléfonos pero mucho más sensibles, para monitorear los cambios de posición.

Como sabemos que la materia oscura gravita, cualquier partícula de materia oscura que atraviese ejercería una pequeña atracción gravitacional sobre los sensores, sacudiéndolos de una manera reconocible. Carney compara la materia oscura con el viento que agita las barras de una campanilla de viento y las hace vibrar.

Pero si la materia oscura es el viento, captarla sería como detectar un suspiro en medio de un huracán. Pasar coches, pisadas, ráfagas de viento reales; todos ellos también harían oscilar los sensores, haciendo que detectar el paso de una partícula diminuta fuera extremadamente difícil.

Por esta razón, la gravedad no sería la primera opción de nadie cuando se trata de encontrar materia oscura, dijo Rafael Lang, físico de Purdue y otro miembro de la colaboración.

«Oh, es una forma horrible, porque la gravedad es muy débil», dijo. “Es increíblemente difícil. Es muy, muy malo. Cualquier otra cosa es mejor que la gravedad «.

Aún así, dijo Lang, el detector gravitacional lo intrigó más que casi cualquier otro proyecto de materia oscura que haya visto, lo suficiente como para superar sus reservas sobre los defectos fundamentales de usar la gravedad para buscarlo.

«Es pensar en grande», dijo Lang. «Va a ser muy difícil, pero creo que es muy, muy emocionante».

Los científicos están siguiendo, en parte, un camino abierto por otro experimento, la colaboración LIGO que ondas gravitacionales detectadas por primera vez en 2015. Ese detector también se basa en mediciones muy precisas de objetos para sus observaciones. Los láseres que rebotan de un lado a otro entre los espejos rastrean su posición con una precisión extraordinaria, suficiente para detectar el diminuto estiramiento y contracción del espacio-tiempo que se produce cuando una onda gravitacional se propaga.

Lang explicó que LIGO demostró que es posible realizar el tipo de mediciones ultraprecisas necesarias para que funcione el detector propuesto. Ese experimento también debe tener en cuenta todo tipo de ruido potencialmente perturbador, incluidas las olas del océano, la actividad sísmica e incluso las moléculas de gas que rebotan en los espejos. A pesar de todo eso, LIGO es capaz de mantener los espejos lo suficientemente estables como para detectar movimientos menores a 1 / 10,000th del diámetro de un protón.

El detector de la colaboración Windchime debería ser aún más preciso. El detector tendría que ser tan preciso que incluso las fluctuaciones cuánticas, las causadas a escalas muy pequeñas por la incertidumbre fundamental en la posición de una partícula subatómica, podrían alterar la sensibilidad del detector, como detalla Carney en un artículo reciente en Physical Review D. El ruido cuántico también es un factor en LIGO, y el experimento ha ideado algunas formas de lidiar con él, incluido el uso de una forma de luz que ha sido manipulada para sofocar las fluctuaciones cuánticas. Pero para ser aún más preciso, dijo Carney, se necesitarán años o incluso décadas de trabajo adicional.

Por el momento, la colaboración de Windchime se encuentra en las primeras etapas de construcción de un prototipo simple del detector. Esta primera prueba de concepto debería ser lo suficientemente sensible, piensa Carney, para tal vez sentir una bola de boliche que pasa. Las versiones posteriores del detector aumentarán la sensibilidad de forma espectacular, pasando del ámbito del ocio humano a las partículas subatómicas y más allá.

Incluso si el detector se construye, su búsqueda puede no arrojar nada en absoluto. Los candidatos potenciales para la materia oscura tienen masas que abarcan alrededor de 90 órdenes de magnitud, una gran franja que cubre todo, desde partículas subatómicas hasta estrellas. Su detector podrá buscar partículas con masas que cubran solo dos o tres órdenes de magnitud centradas alrededor de una cienmilésima de gramo.

Aún así, ese rango cubre algunas explicaciones propuestas diferentes para la materia oscura, incluido el caprichosamente nombrado pepitas de quark oscuro o el restos de agujeros negros primordiales pasando por el detector.

Con pepitas de quark o no, una campanilla de viento que detecte la materia oscura sería un tipo de experimento completamente nuevo para los científicos, que ofrece la tentadora promesa de nuevos descubrimientos.

«Hasta el año pasado, nadie había soñado con un dispositivo así», dijo Lang. «Y ahora estamos empezando a construirlo».


Nathaniel Scharping es un escritor científico de Milwaukee. Síguelo en Twitter @NathanielScharp.

READ  3 pinos de la sierra se han añadido a la lista de los más grandes del mundo

Rocío Penalver

"Amante de la música. Alborotador malvado. Jugador. Experto en tocino. Solucionador apasionado de problemas. Nerd zombi"

Publicaciones relacionadas

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Botón volver arriba
Cerrar
Cerrar