Por Andrew Tarantola, para Engadget Noviembre 29 de 2017
El espacio puede ser la frontera final, pero apenas hemos empezado a explorar su mecánica subyacente. Por todo lo que la humanidad ha descubierto desde que miramos por primera vez al cielo, solo hemos visto alrededor del cinco por ciento de la materia total en el universo. El otro 95 por ciento, la llamada "materia oscura", bueno, ni siquiera podemos descubrir cómo ver todavía. Pero eso no significa que los investigadores de todo el mundo no estén ideando formas de hacerlo.
La búsqueda de la materia oscura comenzó en serio en el siglo XVII, poco después de que Isaac Newton publicara su teoría de la gravedad universal, cuando los astrónomos plantearon que algunos objetos celestes podrían no emitir luz, pero aún podrían observarse en función de sus efectos gravitacionales (es decir, agujeros negros). ) En las últimas décadas, gracias a los avances en las tecnologías ópticas y de radioastronomía, la evidencia de la existencia de materia oscura ha seguido aumentando. En este punto, los astrónomos creen que la materia oscura constituye aproximadamente el 27 por ciento de la masa total del universo (y casi el 95 por ciento si se incluye la energía oscura también). Mientras que la comunidad científica ahora está segura de que la materia oscura existe, no hay consenso en cuanto a en qué está hecho realmente el material.
Hay dos teorías principales en este momento. Uno argumenta que la materia oscura está compuesta de Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP), teorizadas para tener una masa 100,000 veces mayor que un electrón (y por lo tanto se comportan como partículas convencionales). El otro especula que está hecho de axiones, partículas elementales con una masa cienmilmillonésima que la de un electrón (y que se comportan como ondas). Se cree que los axones ejercen la misma dualidad onda-partícula que los fotones, simplemente sin nuestra capacidad para observarlos directamente.
"Si la materia oscura era una nueva partícula, en realidad hay solo un par de formas en que puede interactuar con nosotros", dijo a Engadget el Dr. Philipp Schuster, profesor asociado del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC. "Una posibilidad es que podría ser una partícula que está cargada bajo fuerzas familiares (es decir, WIMP). Y la otra es que podría ser una partícula que no está cargada bajo las fuerzas del modelo estándar, pero que sin embargo tiene su propia fuerza.
"En ese caso, podría interactuar y a través de una nueva partícula vectorial, básicamente para algo parecido al electromagnetismo", continuó, "o podría interactuar con nosotros a través de algo que en realidad no tiene un análogo en la naturaleza".
Para determinar de qué están hechas estas partículas de materia oscura, los investigadores idearon una serie de experimentos . Estos estudios se pueden dividir en tres categorías generales: los detectores de partículas deberían estar hechos de WIMP, los detectores de efecto de onda si la materia oscura es realmente axiones (también conocidos como fotones oscuros) y los estudios astronómicos que estudian los efectos de la materia oscura en el universo observable. específicamente, lentes gravitacionales.
Si la materia oscura está compuesta de WIMP, probablemente la descubramos con enormes tinas de xenón líquido almacenadas en las profundidades de la superficie de la Tierra. Debido a que las WIMP, como su nombre lo indica, no interactúan fácilmente con la materia conocida, detectarlas es un proceso complicado. Cualquier cosa radiactiva, desde la radiación cósmica de fondo hasta las trazas de uranio en el suelo, puede devolver una lectura positiva falsa.
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El estudio XENON1T, por ejemplo, está enterrado en lo profundo de una montaña debajo del Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia. Cada equipo que usa ha sido hecho a mano con acero inoxidable súper radio-puro, dijo a Engadget Rafael Lang, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Purdue. Su tanque de una tonelada de xenón líquido se encuentra entre los más puros de la Tierra, con solo una parte por billón (PPT) de contaminación de criptón, órdenes de magnitud inferiores a las que se encuentran en la naturaleza. De hecho, el XENON1T es el detector WIMP más sensible (lea: menos radioactivo) construido hasta la fecha.
"Lo que hacemos es tomar un cubo, lo llenamos con xenón líquido y nos sentamos y esperamos hasta que una partícula golpee el xenón líquido", explicó Lang. El detector principal del dispositivo, la Cámara de proyección de tiempo líquida de xenón (LXeTPC), se encuentra en el xenón refrigerado criogénicamente, rodeado por una bañera grande de agua purificada para protegerlo aún más de la radiación.
La idea es que, con todo este blindaje, lo único que logre pasar será WIMPs. Y, si un WIMP logra golpear uno de los núcleos de xenón, el impacto hará que el líquido escintile, es decir, cree un destello de luz visible, que el LXeTPC detectará.
El experimento LUX-ZEPLIN llevado a cabo en Dakota del Sur por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley también está buscando WIMPS. "La idea básica es que estamos construyendo un súper elegante contador Geiger para tratar de detectar este tipo particular de evento", dijo a Engadget el Dr. Daniel Akerib, profesor de física de partículas y astrofísica en la Universidad de Stanford.
Los experimentos XENON1T y LUX-ZEPLIN no son los únicos dispositivos subterráneos que buscan WIMP. Como parte de su Búsqueda de Materia Oscura Criogénica (CDMS), el Departamento de Energía de EE. UU. Está trabajando con SLAC para construir el SNOLAB, un detector de materia oscura ubicado a dos kilómetros bajo tierra en la mina de níquel Vale's Creighton en Ontario. Una vez que SNOLAB se conecte en 2018, se espera que sea diez veces más sensible que el experimento CDMS actual que se realiza a 2.340 pies bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo Soudan de la Universidad de Minnesota.
"No solo podremos ver partículas de menor masa, sino que también vamos a ser mucho más sensibles que nunca", dijo en un comunicado el científico senior de SLAC Richard Partridge. "Este es un gran desafío, que requiere mucho I + D, fabricación muy cuidadosa y pruebas de alta precisión. SLAC tiene un papel importante en todo esto, pero también estamos trabajando estrechamente con muchas otras instituciones". Lang, por su parte, da la bienvenida a la competencia. "Ayuda, ayuda mucho", exclamó. "Hay una gran necesidad de probar todo tipo de ideas locas diferentes que se te ocurran".
La falla actual de estos experimentos para identificar positivamente una interacción entre WIMPs y núcleos de xenón puede deberse a la naturaleza de interacción débil de la partícula teórica, o puede deberse a que los investigadores simplemente están buscando algo equivocado. Si la materia oscura no está hecha de partículas masivas, sino ligeras como los axiones, detectores como LUX-ZEPLIN o XENON1T no los verán. Pero la Radio de Materia Oscura, el ADMX de Fermilab o los experimentos APEX pueden serlo.
"Si la materia oscura se construye a partir de una partícula sin espinas que es suficientemente ligera, entonces en realidad se comporta más como algo así como una onda electromagnética que una partícula", explicó Schuster. Y con la suficiente luz, quiere decir "una billonésima parte de la masa de un electrón".
"Lo que eso significa es que hay mucho más. Hay muchas más partículas para compensar la materia oscura de la galaxia", dijo a Engadget el Dr. Peter Graham, profesor asociado de física en Stanford. "Y lo que eso también significa es que, por ejemplo, no puedes ver un ping individual de un axión individual en tus experimentos . Es solo que es muy poca energía".
Así como una sola gota de agua no puede atravesar el lecho rocoso mientras un río puede hacerlo, los investigadores deben buscar axiones que se comporten en masa. Para hacerlo, solo tenemos que encontrar su frecuencia resonante. El experimento de la Radio Materia Oscura de la Universidad de Stanford, por ejemplo, opera de manera muy parecida a una radio terrestre, solo a escala cósmica. La radio es similar a un circuito básico de LC (léase: un oscilador electrónico) "mirando a los cientos de megahercios o megahercios, incluso hasta kilohercios, estamos viendo un amplio rango", dijo Graham.
Esta configuración ofrece desafíos únicos en comparación con los detectores de partículas. Por un lado, la radio no tiene que ser enterrada bajo tierra para evitar la interferencia de los rayos cósmicos. Sin embargo, tiene que estar encerrado en una caja conductora para eliminar efectivamente el ruido de fondo del radio. Además, mientras los detectores de partículas se encienden y dejan funcionar durante un año a la vez, estas radios pueden recorrer sus diversas frecuencias cada 10 a 15 minutos. Una vez que los investigadores encuentren la frecuencia resonante, podrán calcular inmediatamente la masa del axión individual. "Como sabemos que es básicamente no relativista, sabemos que la frecuencia es igual a la masa del axión", explicó Graham.
Si la materia oscura está compuesta de WIMP o axiones, hace una gran diferencia en nuestra comprensión de la mecánica del universo. "La materia oscura podría construirse con fotones ocultos (también conocidos como axiones)", dijo Schuster. "Eso básicamente significa que no solo hay una nueva fuerza, sino que los restos de esa fuerza, los portadores de partículas, tienen una densidad lo suficientemente alta en el universo como para producir materia oscura. sorprender al campo bastante considerablemente ".
Si este fuera el caso, los investigadores habrán descubierto una nueva fuerza fundamental: el equivalente del siglo XXI al electromagnetismo.
"La otra posibilidad, por supuesto, es que la materia oscura podría construirse a partir de una partícula existente, pero podría cargarse bajo una nueva fuerza, que sus fotones son la partícula mediadora", continuó Schuster. "Esa posibilidad es muy similar a la idea de WIMP, pero es diferente en que la partícula no se carga bajo la fuerza (conocida), se cargan bajo una nueva fuerza, el fotón oculto es el mediador".
Algunos astrónomos están tomando un enfoque más directo y buscando evidencia de materia oscura usando el cosmos. Los astrónomos con el Gran Telescopio de Levantamiento Sinóptico, que estará en línea en 2021, y el Encuesta de Energía Oscura, que ha estado recolectando datos en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile desde 2013, esperan que las lentes gravitacionales puedan ser la clave para observando la materia oscura directamente. Bueno, tan directamente como se puede observar una partícula fundamental que interactúa débilmente.
Estas encuestas esperan observar la materia oscura de la misma manera que buscamos agujeros negros: buscando la luz que deforman. "Si pones una concentración de masa frente a un objeto distante que estás mirando, entonces la luz que proviene de ese objeto distante vendrá alrededor de esa masa, los rayos se desviarán y obtendrás una imagen distorsionada", Dr. Steve Kahn, profesor de física en SLAC y director del proyecto LSST, le dijo a Engadget.
Tanto el DES como el LSST pueden y explotarán este efecto para potencialmente encontrar grupos de materia oscura en el espacio. "Las correlaciones en la distorsión de las galaxias que están cerca unas de otras en el cielo aparecerán distorsionadas de manera similar ...", dijo Kahn. "Así que este efecto de lente es una forma de ver literalmente la materia oscura. La materia oscura es invisible, pero podemos inferir su existencia y su distribución de lentes en las imágenes de fondo de la galaxia".
Esta técnica también nos ayudará a calcular qué tan lejos estas concentraciones masivas se deben a su desplazamiento al rojo Doppler. Así como las sirenas de una ambulancia aumentan de frecuencia a medida que el vehículo se acerca a ti y luego caen al pasar, la frecuencia fotónica aparece más azul si la fuente de luz se acerca y cambia a rojo si la fuente se aleja.
En este punto, sin embargo, el viaje de la humanidad para descubrir los secretos del universo apenas ha comenzado. "Sería muy, muy sorprendente si el grueso de lo que queda es, ya sabes, una simple partícula simple sin interacciones interesantes", concluyó Schuster. "Creo que una posibilidad mucho más probable es que haya muchas más fuerzas, muchas más interacciones nuevas, que estén relacionadas con la materia oscura. Solo tenemos que descubrir de qué se trata".
Este artículo apareció originalmente en Engadget.
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