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    Mil millones de péndulos diminutos podrían detectar los universos sin masa

    La materia visible constituye solo una pequeña cantidad de la composición del universo. Energía oscura, una entidad misteriosa que está acelerando la expansión del universo, domina, seguido de materia oscura, material invisible que ejerce un tirón gravitacional. Crédito:NIST

    Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han propuesto un método novedoso para encontrar materia oscura. material misterioso del cosmos que ha eludido la detección durante décadas. La materia oscura constituye aproximadamente el 27% del universo; materia ordinaria, como el material que construye estrellas y planetas, representa solo el 5% del cosmos. (Una entidad misteriosa llamada energía oscura representa el otro 68%).

    Según los cosmólogos, todo el material visible en el universo está simplemente flotando en un vasto mar de materia oscura, partículas que son invisibles pero que, sin embargo, tienen masa y ejercen una fuerza gravitacional. La gravedad de la materia oscura proporcionaría el pegamento faltante que evita que las galaxias se desmoronen y explica cómo la materia se agrupa para formar el rico tapiz galáctico del universo.

    El experimento propuesto, en el que péndulos de mil millones de milímetros actuarían como sensores de materia oscura, sería el primero en buscar materia oscura únicamente a través de su interacción gravitacional con la materia visible. El experimento sería uno de los pocos en buscar partículas de materia oscura con una masa tan grande como la de un grano de sal. una escala raramente explorada y nunca estudiada por sensores capaces de registrar pequeñas fuerzas gravitacionales.

    Experimentos anteriores han buscado la materia oscura buscando signos no gravitacionales de interacciones entre las partículas invisibles y ciertos tipos de materia ordinaria. Ese ha sido el caso de las búsquedas de un tipo hipotético de materia oscura llamado WIMP (partículas masivas de interacción débil), que fue un candidato principal para el material invisible durante más de dos décadas. Los físicos buscaron evidencia de que cuando los WIMP chocan ocasionalmente con sustancias químicas en un detector, emiten luz o patean carga eléctrica.

    Los investigadores que buscan WIMP de esta manera han llegado con las manos vacías o han obtenido resultados no concluyentes; las partículas son demasiado ligeras (teorizadas para oscilar en masa entre la de un electrón y un protón) para detectar a través de su tirón gravitacional.

    Con la búsqueda de WIMP aparentemente en sus últimas etapas, Los investigadores del NIST y sus colegas ahora están considerando un método más directo para buscar partículas de materia oscura que tengan una masa más pesada y, por lo tanto, ejerzan una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para ser detectadas.

    "Nuestra propuesta se basa exclusivamente en el acoplamiento gravitacional, el único acoplamiento que sabemos con certeza que existe entre la materia oscura y la materia luminosa ordinaria, "dijo el coautor del estudio, Daniel Carney, un físico teórico afiliado conjuntamente al NIST, el Joint Quantum Institute (JQI) y el Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) de la Universidad de Maryland en College Park, y el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi.

    Los investigadores, que también incluyen a Jacob Taylor de NIST, JQI y QuICS; Sohitri Ghosh de JQI y QuICS; y Gordan Krnjaic del Fermi National Accelerator Laboratory, calcular que su método puede buscar partículas de materia oscura con una masa mínima de aproximadamente la mitad de la de un grano de sal, o alrededor de mil millones de billones de veces la masa de un protón. Los científicos informan hoy de sus hallazgos en Revisión física D .

    Debido a que la única incógnita en el experimento es la masa de la partícula de materia oscura, no cómo se acopla a la materia ordinaria, "si alguien crea el experimento que sugerimos, o encuentran materia oscura o descartan todos los candidatos a materia oscura en una amplia gama de masas posibles, "dijo Carney. El experimento sería sensible a partículas que van desde aproximadamente 1/5, 000 de un miligramo a unos pocos miligramos.

    Esa escala de masa es particularmente interesante porque cubre la llamada masa de Planck, una cantidad de masa determinada únicamente por tres constantes fundamentales de la naturaleza y equivalente a aproximadamente 1/5, 000 de un gramo.

    Carney, Taylor y sus colegas proponen dos esquemas para su experimento gravitacional de materia oscura. Ambos involucran diminutos, dispositivos mecánicos de tamaño milimétrico que actúan como detectores gravitacionales exquisitamente sensibles. Los sensores se enfriarían a temperaturas justo por encima del cero absoluto para minimizar el ruido eléctrico relacionado con el calor y se protegerían de los rayos cósmicos y otras fuentes de radiactividad. En un escenario, una miríada de péndulos altamente sensibles se desviarían ligeramente en respuesta al tirón de una partícula de materia oscura que pasara.

    Dispositivos similares (con dimensiones mucho mayores) ya se han empleado en la reciente detección de ondas gravitacionales, ganadora del premio Nobel. ondas en el tejido del espacio-tiempo predichas por la teoría de la gravedad de Einstein. Espejos cuidadosamente suspendidos, que actúan como péndulos, moverse menos que la longitud de un átomo en respuesta a una onda gravitacional que pasa.

    En otra estrategia, los investigadores proponen utilizar esferas levitadas por un campo magnético o perlas levitadas por luz láser. En este esquema, la levitación se apaga cuando comienza el experimento, de modo que las esferas o perlas estén en caída libre. La gravedad de una partícula de materia oscura que pasaba perturbaría ligeramente la trayectoria de los objetos en caída libre.

    "Estamos usando el movimiento de los objetos como nuestra señal, ", dijo Taylor." Esto es esencialmente diferente de todos los detectores de física de partículas que existen ".

    Los investigadores calculan que se requiere una matriz de alrededor de mil millones de pequeños sensores mecánicos distribuidos en un metro cúbico para diferenciar una verdadera partícula de materia oscura de una partícula ordinaria o señales eléctricas aleatorias espúreas o "ruido" que desencadenan una falsa alarma en los sensores. Las partículas subatómicas ordinarias como los neutrones (que interactúan a través de una fuerza no gravitacional) se detendrían en un solo detector. A diferencia de, los científicos esperan una partícula de materia oscura, zumbando más allá de la matriz como un asteroide en miniatura, sacudiría gravitacionalmente cada detector en su camino, uno después del otro.

    El ruido haría que los detectores individuales se movieran de forma aleatoria e independiente en lugar de secuencialmente, como lo haría una partícula de materia oscura. Como bonificación, el movimiento coordinado de los mil millones de detectores revelaría la dirección en la que se dirigía la partícula de materia oscura mientras se desplazaba a través de la matriz.

    Para fabricar tantos sensores diminutos, el equipo sugiere que los investigadores pueden querer tomar prestadas técnicas que las industrias automotriz y de teléfonos inteligentes ya utilizan para producir una gran cantidad de detectores mecánicos.

    Gracias a la sensibilidad de los detectores individuales, los investigadores que emplean la tecnología no necesitan limitarse al lado oscuro. Una versión a menor escala del mismo experimento podría detectar las fuerzas débiles de ondas sísmicas distantes, así como las del paso de partículas subatómicas ordinarias. como neutrinos y single, fotones de baja energía (partículas de luz).

    El experimento a menor escala podría incluso buscar partículas de materia oscura, si imparten una patada lo suficientemente grande a los detectores a través de una fuerza no gravitacional, como predicen algunos modelos, Dijo Carney.

    "Estamos estableciendo el ambicioso objetivo de construir un detector gravitacional de materia oscura, pero la I + D necesaria para lograrlo abriría la puerta a muchas otras mediciones de detección y metrología, "dijo Carney.

    Los investigadores de otras instituciones ya han comenzado a realizar experimentos preliminares utilizando el plan del equipo del NIST.


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