Los científicos buscan una partícula esquiva para descubrir el misterio de la materia oscura

Científicos australianos están avanzando hacia la solución de uno de los mayores misterios del universo: la naturaleza de la materia oscura invisible.

El experimento ORGAN, el primer detector importante de materia oscura de Australia, completó recientemente una búsqueda de una partícula hipotética llamada axión, un candidato popular entre las teorías que intentan explicar la materia oscura.

ORGAN ha puesto nuevos límites a las posibles características de los axiones y, por lo tanto, ha ayudado a reducir su búsqueda. Pero antes de adelantarnos…

Comencemos con una historia

Hace unos 14 000 millones de años, todas las pequeñas piezas de materia, las partículas fundamentales que más tarde se convertirían en usted, el planeta y la galaxia, se comprimieron en una región muy densa y caliente.

Entonces ocurrió el Big Bang y todo se desmoronó. Las partículas se combinaron en átomos, que finalmente se agruparon para formar estrellas, que explotaron y crearon todo tipo de materia exótica.

Después de unos pocos miles de millones de años, llegó la Tierra, que finalmente se llenó de pequeñas cosas llamadas humanos. Genial historia, ¿verdad? Resulta que no es toda la historia; ni siquiera ha ayudado.

Las personas, los planetas, las estrellas y las galaxias están hechos de materia regular. Pero sabemos que la materia regular constituye solo una sexta parte de toda la materia del universo.

El resto está hecho de lo que llamamos materia oscura. Su nombre te dice casi todo lo que sabemos sobre él. No emite luz (así que la llamamos oscuridad), y tiene masa (así que la llamamos materia).

Si es invisible, ¿cómo sabemos que está ahí?

Cuando observamos la forma en que las cosas se mueven en el espacio, encontramos una y otra vez que no podemos explicar nuestras observaciones si consideramos solo lo que podemos ver.

Las galaxias giratorias son un gran ejemplo. La mayoría de las galaxias giran a velocidades que no pueden explicarse únicamente por la atracción gravitacional de la materia visible.

Por lo tanto, debe haber materia oscura en estas galaxias, lo que proporciona gravedad adicional y les permite girar más rápido, sin que las partes se arrojen al espacio. Creemos que la materia oscura literalmente mantiene unidas a las galaxias.

Cúmulo de galaxias que se muestra en tonos de rosa y púrpura sobre un fondo cósmico negro.
El ‘Bullet Cluster’ es un cúmulo masivo de galaxias que se ha interpretado como una fuerte evidencia de la existencia de materia oscura. Crédito: NASA

Entonces debe haber una enorme cantidad de materia oscura en el universo, atrayendo todas las cosas que podemos ver. También está pasando a través de ti, como una especie de fantasma cósmico. Simplemente no puedes sentirlo.

¿Cómo podríamos detectarlo?

Muchos científicos creen que la materia oscura podría estar compuesta de partículas hipotéticas llamadas axiones. Los axiones se propusieron originalmente como parte de una solución a otro problema importante en la física de partículas llamado el problema CP fuerte (sobre el cual podríamos escribir un artículo completo).

De todos modos, después de que se propuso el axión, los científicos se dieron cuenta de que la partícula también podría formar materia oscura bajo ciertas condiciones. Esto se debe a que se espera que los axiones tengan interacciones muy débiles con la materia regular, pero aún tengan algo de masa: las dos condiciones necesarias para la materia oscura.

Entonces, ¿cómo haces para buscar axiones?

Bueno, dado que se cree que la materia oscura está a nuestro alrededor, podemos construir detectores aquí mismo en la Tierra. Y, afortunadamente, la teoría que predice los axiones también predice que los axiones pueden convertirse en fotones (partículas de luz) en las condiciones adecuadas.

Esta es una buena noticia, porque somos muy buenos detectando fotones. Y esto es exactamente lo que hace ORGAN. Diseña las condiciones correctas para la conversión de axión-fotón y busca señales de fotones débiles: pequeños destellos de luz generados por la materia oscura que pasa a través del detector.

Este tipo de experimento se denomina haloscopio de axión y se propuso por primera vez en el 1980. Hay unos pocos en el mundo hoy en día, cada uno ligeramente diferente en aspectos importantes.

El detector principal del experimento ORGAN. Un pequeño cilindro de cobre llamado “cavidad resonante” atrapa los fotones generados durante la conversión de materia oscura. El cilindro está atornillado a un ‘refrigerador de dilución’ que enfría el experimento a temperaturas muy bajas. Crédito de la imagen: proporcionado por el autor

Brillando una luz sobre la materia oscura

Se cree que un axión se convierte en un fotón en presencia de un fuerte campo magnético. En un haloscopio típico, generamos este campo magnético utilizando un gran electroimán llamado solenoide superconductor.

Dentro del campo magnético colocamos una o varias cámaras huecas de metal, que están destinadas a atrapar los fotones y hacer que reboten en el interior, haciéndolos más fáciles de detectar.

Sin embargo, hay un contratiempo. Todo lo que tiene temperatura emite constantemente pequeños destellos de luz aleatorios (por eso funcionan las cámaras termográficas). Estas emisiones aleatorias, o ruido, dificultan la detección de las débiles señales de materia oscura que estamos buscando.

Para evitar esto, hemos colocado nuestro resonador en un refrigerador de dilución. Este elegante refrigerador enfría el experimento a temperaturas criogénicas, alrededor de -273 °C, lo que reduce en gran medida el ruido.

Cuanto más frío es el experimento, mejor podemos “escuchar” los fotones débiles producidos durante la conversión de materia oscura.

Regiones de masa objetivo

Un axión de cierta masa se convertirá en un fotón de cierta frecuencia o color. Pero dado que se desconoce la masa de los axiones, los experimentos deben orientar su búsqueda a diferentes regiones, centrándose en aquellas donde se considera que es más probable que exista materia oscura.

Si no se encuentra ninguna señal de materia oscura, entonces el experimento no es lo suficientemente sensible para escuchar la señal por encima del ruido, o no hay materia oscura en la región de masa del axión correspondiente.

Cuando esto sucede, establecemos un “límite de exclusión”, que es solo una forma de decir “no encontramos ninguna materia oscura en este rango de masa, con este nivel de sensibilidad”. Esto le dice al resto de la comunidad de investigación de la materia oscura que dirija sus búsquedas a otra parte.

ORGAN es el experimento más sensible en su rango de frecuencia específico. Su ejecución reciente no detectó señales de materia oscura. Este resultado ha fijado un importante límite de exclusión sobre las posibles características de axiones.

Esta es la primera fase de un plan de varios años para buscar axiones. Actualmente estamos preparando el próximo experimento, que será más sensible y apuntará a un nuevo rango de masas aún no explorado.

Pero, ¿por qué importa la materia oscura?

Bueno, por un lado, sabemos por la historia que cuando invertimos en física fundamental, terminamos desarrollando tecnologías importantes. Por ejemplo, toda la informática moderna se basa en nuestra comprensión de la mecánica cuántica.

Nunca habríamos descubierto la electricidad o las ondas de radio si no hubiésemos investigado cosas que, en ese momento, parecían ser fenómenos físicos extraños más allá de nuestra comprensión. La materia oscura es lo mismo.

Considere todo lo que los humanos han logrado al comprender solo una sexta parte de la materia en el universo, e imagine lo que podríamos hacer si desbloqueamos el resto.La conversación

Este artículo se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.

Crédito: Colaboración de Ilustris

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