En lugar de buscar partículas de materia oscura, un nuevo dispositivo buscará las ondas de materia oscura.
Crédito de la imagen: Artwork by Colleen Ehrhart
Por Manuel Gnida, para Symmetry Magazine Octubre 05 de 2017
Los investigadores están probando un prototipo de "radio" que podría permitirles escuchar la melodía de misteriosas partículas de materia oscura.
La materia oscura es una sustancia invisible pensada para ser cinco veces más frecuente en el universo que la materia regular. Según la teoría, miles de millones de partículas de materia oscura pasan a través de la Tierra cada segundo. No los notamos porque interactúan con la materia regular sólo muy débilmente, a través de la gravedad.
Hasta ahora, los investigadores han estado buscando partículas de materia oscura. Pero con la radio de materia oscura, quieren buscar ondas de materia oscura.
Los experimentos de detección directa de partículas de materia oscura utilizan detectores subterráneos grandes. Los investigadores esperan ver señales de partículas de materia oscura que chocan con el material del detector. Sin embargo, esto sólo funciona si las partículas de materia oscura son lo suficientemente pesadas como para depositar una cantidad detectable de energía en la colisión.
"Si las partículas de materia oscura son muy ligeras, podríamos tener una mejor oportunidad de detectarlas como ondas en lugar de partículas", dice Peter Graham, un físico teórico del Instituto Kavli para la Astrofísica y Cosmología de Partículas, un instituto conjunto de la Universidad de Stanford y la Universidad de Stanford. Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía. "Nuestro dispositivo tomará la búsqueda en esa dirección."
La radio de materia oscura utiliza un extraño concepto de mecánica cuántica conocido como dualidad onda-partícula: Cada partícula también puede comportarse como una onda.
Tomemos, por ejemplo, el fotón: la partícula fundamental sin masa que lleva la fuerza electromagnética. Las corrientes de ellos constituyen radiación electromagnética, o luz, que normalmente describimos como ondas, incluyendo ondas de radio.
La radio de materia oscura buscará las ondas de materia oscura asociadas con dos candidatos de materia oscura. Podría encontrar fotones ocultos-hipotéticos primos de fotones con una pequeña masa. O podría encontrar axiones, que los científicos creen que pueden ser producidos a partir de la luz y transformar de nuevo en ella en presencia de un campo magnético.
"La búsqueda de fotones ocultos será un territorio completamente inexplorado", dice Saptarshi Chaudhuri, un estudiante graduado de Stanford en el proyecto. "En cuanto a axiones, la radio de materia oscura cerrará lagunas en las búsquedas de experimentos existentes."
Interceptar vibraciones de materia oscura
Una radio regular intercepta ondas de radio con una antena y las convierte en sonido. El sonido depende de la estación. Un oyente elige una estación ajustando un circuito eléctrico, en el cual la electricidad puede oscilar con una cierta frecuencia resonante. Si la frecuencia de resonancia del circuito coincide con la frecuencia de la emisora, la radio se sintoniza y el oyente puede escuchar la emisión.
La radio de materia oscura funciona de la misma manera. En su corazón está un circuito eléctrico con una frecuencia de resonancia ajustable. Si el dispositivo estaba sintonizado a una frecuencia que coincidía con la frecuencia de una onda de partículas de materia oscura, el circuito resonaría. Los científicos podían medir la frecuencia de la resonancia, que revelaría la masa de la partícula de materia oscura.
La idea es hacer un barrido de frecuencia moviéndose lentamente a través de las diferentes frecuencias, como si sintonizar una radio desde un extremo del dial al otro.
Se espera que la señal eléctrica de las ondas de materia oscura sea muy débil. Por lo tanto, Graham se ha asociado con un equipo dirigido por otro investigador de KIPAC, Kent Irwin. El grupo de Irwin está desarrollando magnetómetros altamente sensibles conocidos como dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o SQUIDs, que emparejarán con amplificadores de muy bajo ruido para buscar señales potenciales.
En su diseño final, la radio de materia oscura buscará partículas en un rango de masa de trillonesimas a millonésimas de un electrónvoltio. (Un electrónvoltio es aproximadamente una billonésima parte de la masa de un protón.) Esto es algo problemático porque este rango incluye frecuencias de kilohertz a gigahertz, frecuencias usadas para la radiodifusión por aire.
"Proteger la radio de la radiación no deseada es muy importante y también bastante desafiante", dice Irwin. "De hecho, necesitaríamos una capa de cobre de varias yardas de espesor para hacerlo. Afortunadamente podemos lograr el mismo efecto con una fina capa de metal superconductor ".
Una ventaja de la radio de materia oscura es que no necesita ser protegida de los rayos cósmicos. Mientras que las búsquedas directas de la detección de partículas de la materia oscura deben funcionar profundamente subterráneo para bloquear hacia fuera las partículas que caen del espacio, la radio de la materia oscura puede funcionar en un sótano de la universidad.
Los investigadores ahora están probando un prototipo a pequeña escala en Stanford que explorará un rango de frecuencia relativamente estrecho. Planean operar dos instrumentos independientes de tamaño completo en Stanford y SLAC.
"Esta es una nueva ciencia emocionante", dice Arran Phipps, un postdoc de KIPAC en el proyecto. "Es genial que tengamos que probar un nuevo concepto de detección con un dispositivo que es relativamente de bajo presupuesto y bajo riesgo".
Los disc jockeys de materia oscura están dando los primeros pasos ahora y planean conducir sus búsquedas de materia oscura durante los próximos años. Estén atentos a los resultados futuros.
Los disc jockeys de radio de materia oscura. Primera fila, desde la izquierda: Carl Dawson, Hsiao-Mei "Sherry" Cho y Saptarshi Chaudhuri. Fila trasera, desde la izquierda: Arran Phipps, Stephen Kuenstner y Kent Irwin. No aparece: Dale Li y Peter Graham. Crédito de la imagen: Dawn Harmer / SLAC
La radio de materia oscura se coloca dentro de un escudo de niobio superconductor de 2 milímetros de espesor. Cuando se baja en el dewar azul y se enfría con helio líquido, el escudo bloquea la interferencia de fuentes externas, tales como estaciones de radio, pero es fácilmente penetrado por la materia oscura. Crédito de la imagen: Dawn Harmer / SLAC
Las capas de barreras térmicas (top) se utilizan para bloquear el calor del laboratorio y mantener la radio fría. Un cable dentro de la barra central trae señales desde el interior del escudo hacia el mundo exterior. Crédito de la imagen: Dawn Harmer / SLAC
Las ondas de materia oscura deben oscilar a una frecuencia específica correspondiente a la masa de la partícula de materia oscura. Se producirá un aumento de potencia si la radio se sintoniza para que coincida con esa frecuencia. Crédito de la imagen: Dawn Harmer / SLAC
Se tarda aproximadamente un día en enfriar la sonda desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de funcionamiento de 450 grados Fahrenheit negativos. Crédito de la imagen: Dawn Harmer / SLAC
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