La búsqueda de materia oscura está a punto de volverse cada vez más fría. Los científicos están desarrollando tecnología cuántica ultrafría para rastrear la materia más esquiva y misteriosa del universo, actualmente uno de los mayores misterios de la ciencia.
Aunque la cantidad de materia oscura en nuestro universo es aproximadamente seis veces mayor que la de materia ordinaria, los científicos no saben qué es. Esto se debe en parte a que ningún experimento diseñado por la humanidad ha podido detectarlo.
Para solucionar este problema, científicos de varias universidades del Reino Unido se han unido para construir dos de los detectores de materia oscura más sensibles jamás imaginados. Cada experimento tendrá como objetivo buscar una partícula hipotética diferente que podría formar la materia oscura. Aunque tienen algunas cualidades similares, estas partículas también tienen características radicalmente diferentes, lo que requiere diferentes técnicas de detección.
El equipo utilizado en ambos experimentos es tan sensible que los componentes deben enfriarse a una milésima de grado por encima del cero absoluto, la temperatura teórica e inalcanzable a la que cesaría todo movimiento atómico. Este enfriamiento debe tener lugar para evitar que interferencias o «ruidos» del mundo exterior corrompan las mediciones.
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«Estamos utilizando tecnologías cuánticas a temperaturas ultrabajas para construir los detectores más sensibles hasta la fecha», dijo el miembro del equipo Samuli Autti de la Universidad de Lancaster. dijo en un comunicado“El objetivo es observar esta misteriosa materia directamente en el laboratorio y resolver uno de los mayores enigmas de la ciencia. »
Cómo la materia oscura dejó a los científicos en la oscuridad
La materia oscura plantea un problema importante para los científicos porque, aunque constituye entre el 80 y el 85 por ciento del universo, sigue siendo prácticamente invisible a nuestros ojos. De hecho, la materia oscura no interactúa con la luz ni con la materia “ordinaria” y, si lo hace, estas interacciones son raras o muy débiles. O tal vez ambas cosas. Simplemente no lo sabemos.
Sin embargo, gracias a estas características, los científicos saben que la materia oscura no puede estar compuesta por electrones, protones y neutrones, todos ellos parte de la familia de los bariones, partículas que forman la materia cotidiana, como las estrellas, los planetas, las lunas, nuestra cuerpos, helado y el gato del vecino. Todas estas cosas «normales» las podemos ver.
La única razón por la que pensamos que existe la materia oscura es porque esta misteriosa sustancia tiene masa. Por tanto, interactúa con la gravedad. La materia oscura puede influir en la dinámica de la materia ordinaria y la luz a través de esta interacción, lo que nos permite inferir su presencia.
La astrónoma Vera Rubin descubrió la presencia de materia oscura, ya teorizada por el científico Fritz Zwicky, porque observó galaxias girando tan rápido que si su única influencia gravitacional proviniera de materia bariónica visible, se romperían. Pero lo que realmente quieren los científicos no es una deducción, sino una detección positiva de partículas de materia oscura.
Una de las partículas hipotéticas consideradas actualmente como las principales sospechosas de la materia oscura es el «axión», una partícula muy ligera. Los científicos también plantean la hipótesis de que la materia oscura podría estar compuesta de partículas nuevas y más masivas (aún desconocidas) cuyas interacciones son tan débiles que aún no las hemos observado.
Los axiones y estas partículas desconocidas presentarían interacciones ultradébiles con la materia, que en teoría podrían detectarse con equipos suficientemente sensibles. Pero dos sospechosos principales implican dos investigaciones y dos experimentos. Esto es necesario porque la investigación actual sobre la materia oscura normalmente se centra en partículas con masas entre 5 y 1.000 veces la de un átomo de hidrógeno. Esto significa que si las partículas de materia oscura son más claras, pueden pasar desapercibidas.
El experimento QUEST-DMC (Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology) fue diseñado para detectar materia ordinaria que colisiona con partículas de materia oscura en forma de partículas nuevas, desconocidas, que interactúan débilmente y con masas entre el 1% y, a veces, la de un átomo de hidrógeno. . QUEST-DMC utiliza helio-3 superfluido, un isótopo de helio ligero y estable con un núcleo de dos protones y un neutrón, enfriado a un estado cuántico macroscópico para lograr una sensibilidad récord en la detección de interacciones ultradébiles.
Sin embargo, QUEST-DMC no podría detectar axiones extremadamente ligeros, cuya masa teórica sería miles de millones de veces más ligera que la de un átomo de hidrógeno. Esto también significa que tales axiones no serían detectables por su interacción con partículas de materia ordinaria.
Pero lo que les falta en masa, los axiones deberían compensarlo en número, y se predice que estas partículas hipotéticas serán extremadamente abundantes. Por lo tanto, es mejor buscar estos sospechosos de materia oscura utilizando otra firma: la pequeña señal eléctrica resultante de la desintegración de los axiones en un campo magnético.
Si tal señal existe, su detección requeriría estirar los detectores al nivel máximo de sensibilidad permitido por las reglas de la física cuántica. El equipo espera sus sensores cuánticos para el sector oculto El amplificador cuántico (QSHS) podría hacer precisamente eso.
Si se encuentra en el Reino Unido, el público puede ver los experimentos QSHS y QUEST-DMC en Exposición científica de verano de la Universidad de LancasterLos visitantes también podrán ver cómo los científicos infieren la presencia de materia oscura en las galaxias utilizando un giroscopio en una caja que se mueve de manera extraña debido al momento angular invisible.
Además, la exhibición presenta un refrigerador de dilución brillante para demostrar las temperaturas ultrabajas requeridas por la tecnología cuántica, mientras que su modelo de detector de colisión de partículas de materia oscura muestra cómo se comportaría nuestro universo si la materia oscura interactuara con la materia y la luz como lo hace la materia cotidiana.
Los artículos del equipo que detallan los experimentos QSHS y QUEST-DMC se han publicado en The European Physical Journal C y en el sitio web del repositorio de artículos. arXiv.
