Convirtiendo materia oscura invisible en luz visible

Cúmulo de galaxias, izquierda, con un anillo de materia oscura visible, derecha. Crédito de la imagen: NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford (Universidad Johns Hopkins)

Las exploraciones de la materia oscura avanzan utilizando nuevas técnicas experimentales diseñadas para detectar ejes y aprovechando la tecnología avanzada y la colaboración interdisciplinaria para descubrir los secretos de este componente esquivo del universo.

Un fantasma ronda nuestro mundo. Esto se sabe desde hace décadas en astronomía y cosmología. Notas lo sugiero alrededor del 85% Toda la materia del universo es misteriosa e invisible. Estas dos cualidades se reflejan en su nombre: materia oscura.

Varios experimentos Su objetivo es descubrir sus ingredientes, pero a pesar de décadas de investigación, los científicos no han logrado hacerlo. ahora Nuestra nueva experienciaen construcción en Universidad de Yale En Estados Unidos, ofrece una nueva táctica.

La materia oscura ha estado presente en el universo desde el principio de los tiempos. Juntar estrellas y galaxias. Invisible y sutil, no parece interactuar con la luz ni con ningún otro tipo de materia. De hecho, debería ser algo completamente nuevo.

El modelo estándar de física de partículas está incompleto y eso es un problema. Tenemos que buscar lo nuevo. Partículas fundamentales. Sorprendentemente, los mismos defectos del modelo estándar dan pistas valiosas sobre dónde podrían estar escondidos.

El problema del neutrón

Tomemos el neutrón, por ejemplo. Forma el núcleo atómico con el protón. Aunque generalmente es neutral, la teoría afirma que está formado por tres partículas cargadas llamadas quarks. Por esta razón, esperamos que algunas partes del neutrón estén cargadas positivamente y otras negativamente, es decir, que tenga lo que los físicos llaman un momento dipolar eléctrico.

hasta ahora, Muchos intentos Medirlo llevó a la misma conclusión: es demasiado pequeño para ser descubierto. Otro fantasma. No estamos hablando de deficiencias en los instrumentos, sino de un factor que debe ser inferior a una parte entre diez mil millones. Es tan pequeño que la gente se pregunta si podría ser completamente cero.

Pero en física, el cero matemático es siempre una afirmación contundente. A finales de la década de 1970, los físicos de partículas Roberto Picci y Helen Coyne (y más tarde Frank Wilczek y Steven Weinberg) intentaron descubrir Comprender la teoría y la evidencia.

Sugirieron que el parámetro probablemente no sea cero. Más bien, es una cantidad dinámica que pierde lentamente su carga y luego evoluciona hasta cero. la gran explosión. Los cálculos teóricos muestran que si tal evento ocurrió, debe haber dejado una gran cantidad de partículas de luz ilusorias.

Se les llama “axiones” por una marca de detergente porque pueden “resolver” el problema de los neutrones. Y aún más. Si los axiones se crearon al principio del universo, han existido desde entonces. Lo más importante es que sus propiedades definen todos los elementos esperados de la materia oscura. Por estas razones, los centros se han convertido en uno de Partículas candidatas preferidas Para la materia oscura.

Los axiones interactuarán con otras partículas sólo débilmente. Sin embargo, esto significa que seguirán interactuando bastante. Los ejes invisibles pueden transformarse en partículas ordinarias, incluidos (irónicamente) fotones, la esencia de la luz. Esto puede ocurrir bajo ciertas condiciones, como la presencia de un campo magnético. Esta es una bendición para los físicos experimentales.

Diseño experimental

Muchos experimentos Intentan conjurar el fantasma de Axion en un entorno de laboratorio controlado. Algunos de ellos pretenden convertir la luz en eje, por ejemplo, y luego convertir el eje en luz al otro lado de la pared.

En la actualidad, el enfoque más sensible se centra en el halo de materia oscura que impregna la galaxia (y, por tanto, la Tierra) mediante un dispositivo llamado corona. Es una cavidad conductora sumergida en un fuerte campo magnético. El primero recoge la materia oscura que nos rodea (suponiendo que sean axones), mientras que el segundo la impulsa a convertirse en luz. El resultado es una señal electromagnética que aparece dentro de la cavidad, oscilando a una frecuencia característica dependiendo de la masa del axión.

El sistema funciona como un receptor de radio. Debe ajustarse adecuadamente para interceptar la frecuencia de interés. En la práctica, las dimensiones de la cavidad se cambian para adaptarse a diferentes frecuencias características. Si las frecuencias del axión y de la cavidad no coinciden, es como sintonizar la radio en el canal equivocado.

El potente imán es transportado al laboratorio de la Universidad de Yale. Crédito: Universidad de Yale

Lamentablemente, el canal que buscamos no se puede predecir de antemano. No tenemos más remedio que escanear todas las frecuencias posibles. Es como seleccionar una emisora ​​de radio en un mar de ruido blanco (una aguja en un pajar) con una radio vieja que hay que agrandar o reducir cada vez que giramos el mando de frecuencia.

Sin embargo, estos no son los únicos desafíos. La cosmología se refiere a Decenas de gigahercios Como última frontera prometedora de la búsqueda de axiones. Dado que las frecuencias más altas requieren cavidades más pequeñas, explorar esa región requeriría cavidades que son demasiado pequeñas para capturar una cantidad significativa de señal.

Nuevos experimentos intentan encontrar caminos alternativos. nuestro Experimento de plasmascopio longitudinal (Alfa). Utiliza un nuevo concepto de cavitación basado en metamateriales.

Los metamateriales son materiales compuestos con propiedades universales que difieren de sus componentes: son más que la suma de sus partes. Una cavidad llena de varillas conductoras tiene una frecuencia característica como si fuera un millón de veces más pequeña, mientras que su tamaño apenas cambia. Esto es exactamente lo que necesitamos. Además, las barras ofrecen un sistema de ajuste incorporado fácil de ajustar.

Actualmente estamos construyendo la configuración, que estará lista para recibir datos en unos años. La tecnología es prometedora. Su desarrollo fue el resultado de la colaboración entre físicos del estado sólido, ingenieros eléctricos, físicos de partículas e incluso matemáticos.

Aunque sean inverosímiles, los axiones están impulsando un progreso que ningún espectro podrá eliminar jamás.

Escrito por Andrea Gallo Russo, becaria postdoctoral en Física, Universidad de Estocolmo.

Adaptado de un artículo publicado originalmente en Conversación.