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Si vivimos en un mar de materia oscura, este pequeño espejo podría detectarla

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Un resonador mecánico de membrana que actuó como masa de prueba para un acelerómetro de fotón oscuro propuesto.
Un resonador mecánico de membrana que actuó como masa de prueba para un acelerómetro de fotón oscuro propuesto.
Imagen: Aman Agrawal

A pesar del vasto y costoso esfuerzo por descubrir la identidad de las cosas invisibles que parecen formar gran parte del universo, ningún experimento científico ha detectado ningún candidato de materia oscura propuesto. Ahora, un equipo de investigadores ha sugerido un diseño para un nuevo experimento de materia oscura, uno que se basa en un espejo superdelgado y que tendría como objetivo detectar algo llamado fotones oscuros.

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La investigación, publicada a principios de este año en la revista Physical Review Letters, describe un acelerómetro del tamaño de una moneda que, en teoría, podría medir la presencia de partículas demasiado pequeñas para ser vistas por experimentos más antiguos. El trabajo es una continuación de un artículo anterior del mismo equipo publicado el verano pasado.

Las partículas teóricas que esperan encontrar se llaman fotones oscuros. No se deben confundir con los fotones de luz. “Al igual que los fotones, están representados por un equivalente del” campo electromagnético”, dijo Jack Manley, autor principal del nuevo artículo e investigador de óptica cuántica en el laboratorio de Swati Singh en la Universidad de Delaware. “Sin embargo, a diferencia de los fotones, los fotones oscuros tienen masa. Esta propiedad los convierte en candidatos para la materia oscura”.

Es posible que haya mucha materia oscura al acecho en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Es posible que haya mucha materia oscura al acecho en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Imagen: NASA/JPL-Caltech (Other)

Los dos artículos exploraron diferentes tipos de señales de materia oscura; básicamente, diferentes avenidas que los físicos creen que podrían ofrecer un olfato a las cosas reales. “Ambos artículos consideran la posibilidad de que nuestra galaxia esté nadando en un mar de partículas que son billones de veces más livianas que un electrón, y estas partículas aún por detectar componen toda la materia oscura”, dijo la coautora Swati Singh, teórico de la óptica cuántica de la Universidad de Delaware. “Sin embargo, existen diferencias clave entre qué son esas partículas y cómo interactúan con la materia normal”.

Los físicos están buscando algo que han llamado “materia oscura” porque cuando miran hacia el cosmos, ven efectos gravitacionales que sugieren que hay mucha más masa presente que la materia regular que podemos detectar. Por lo tanto, creen que debe haber algunas cosas “oscuras” —invisibles para nuestras tecnologías actuales— que expliquen toda esa gravedad adicional. Una teoría de la materia oscura es que las cosas llamadas axiones son responsables de los efectos gravitacionales observables de la materia invisible. (Una sugerencia reciente sostenía que tales axiones pueden aparecer y desaparecer en los misteriosos núcleos de las estrellas de neutrones). Algunos contendientes de larga data son conocidos como partículas masivas de interacción débil o WIMP. Otra idea más es que la materia oscura podría explicarse por pequeños agujeros negros del universo primordial. Todas estas ideas diversas sobre cómo se manifiesta la materia oscura y dónde reside normalmente vienen con ideas sobre cómo podríamos detectarla.

Singh explicó que existe una gran incertidumbre sobre la densidad de la materia oscura. Hay aproximadamente el valor de una ardilla de materia oscura por cada masa del tamaño de la Tierra, dijo; la pregunta no es cuánta materia oscura hay, sino si esa materia oscura está realmente concentrada en una masa del tamaño de una ardilla distribuida uniformemente por toda la masa del tamaño de la Tierra en una neblina ultrafina de partículas.

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La propuesta del equipo es una tarjeta del tamaño de una moneda, de 100 nanómetros de espesor, hecha de una membrana de nitruro de silicio y un espejo de berilio. Los materiales son extremadamente sensibles, y cuando la luz rebota entre las superficies, el detector podría medir si la distancia entre el espejo y la membrana cambió; eso indicaría que algo los separó, un indicio de nueva física. Como un diapasón, el dispositivo del equipo se puede configurar para “escuchar” la materia oscura en una frecuencia determinada. Si se construyeran muchos de estos detectores, cada uno podría configurarse en diferentes canales (frecuencias) para vigilar la materia oscura; si no se obtienen resultados en un período de tiempo determinado, podrían seguir navegando por el canal.

La materia oscura podría simplemente impregnar todo el universo, incluso aquí en la galaxia M101.
La materia oscura podría simplemente impregnar todo el universo, incluso aquí en la galaxia M101.
Imagen: NASA/JPL/Caltech (Other)
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El dispositivo es escalable y asequible, muy lejos de los diseños de detectores de materia oscura más tradicionales que requieren cosas como una tonelada de xenón enterrada bajo una montaña. De hecho, el diseño del equipo sería de sobremesa, aunque no de la forma que pueda comprender de inmediato.

“Nos referimos a una mesa óptica, que generalmente se asienta sobre patas neumáticas que la aíslan de la Tierra, como el sistema de suspensión de un automóvil de lujo”, dijo el coautor Dalziel Wilson, un experimentalista de óptica cuántica de la Universidad de Arizona. “Si eso no es lo suficientemente bueno, lo cual no será así, entonces tendremos que construir otro sistema de suspensión en la parte superior de la mesa. Y luego otro, etc”. Cuanto mejor suspendido esté el detector (cuanto más cerca esté de la caída libre), mejores serán sus resultados para cortar el ruido de la actividad terrestre. Wilson señaló que los artículos tampoco son necesariamente sobre el diseño experimental específico que se le ocurrió al equipo, sino más bien un llamado a las armas a grupos similares que trabajan en dispositivos de medición de precisión para tareas tan difíciles.

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Singh estimó que las pruebas experimentales con el detector podrían estar operativas en unos cinco años. ¿Encontrarán estos sensores del tamaño de una pinta alguna materia oscura? Bueno, nadie lo ha hecho todavía. Pero incluso un resultado nulo les dice a los físicos qué no es la materia oscura, lo que ayudará a refinar las búsquedas futuras.