Un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford tiene la misión de identificar la materia oscura de una vez por todas. Pero primero, necesitarán construir la radio más sensible del mundo.

"La materia oscura es la mayor parte de la materia en nuestro universo. No sabemos qué es, pero sabemos que está ahí porque podemos ver sus efectos gravitacionales, "explicó Peter Graham, profesor asociado de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford y uno de los líderes de esta búsqueda de materia oscura. "También sabemos que tiene que estar hecho de una partícula totalmente diferente con propiedades diferentes a cualquier cosa que hayamos encontrado".

Graham y Savas Dimopoulos, el profesor de física de la familia Hamamoto en Stanford, han desarrollado teorías sobre la materia oscura que abogan por experimentos de alta precisión enfocados en encontrar axiones, partículas teorizadas que se encuentran entre los candidatos más probables para la materia oscura. Sus teorías, alguna vez consideradas "interesantes pero por ahí, Según Graham, están ganando popularidad a medida que se descartan otros candidatos para la materia oscura y las nuevas tecnologías hacen posibles sus exigentes experimentos. Ahora, la Fundación Gordon y Betty Moore ha otorgado a los investigadores de Stanford aproximadamente $ 2.5 millones para crear un prototipo de un nuevo tipo de sensor de materia oscura. .

Guiado por las teorías de Graham y Dimopoulos, Kent Irwin, un profesor de física, de física de partículas y astrofísica y de ciencia de fotones en Stanford y SLAC National Accelerator Laboratory, está construyendo la Dark Matter Radio, que buscará la señal de axiones de la misma manera que una radio AM estándar capta una transmisión. Como una emisora ​​de radio AM La materia oscura del axión tiene una frecuencia precisa, pero esta frecuencia se desconoce. Debido a los avances en los sensores cuánticos, la radio será mucho más sensible que los experimentos de materia oscura anteriores, y capaz de escanear una gran franja de las frecuencias que tienen más probabilidades de revelar axiones.

"Este proyecto es un ejemplo realmente hermoso de personas con conocimientos muy diferentes que se unen para resolver un problema difícil, "dijo Risa Wechsler, director del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC) y profesor de física y de física de partículas y astrofísica. "La materia oscura es el 85 por ciento de la masa del universo y creo que es muy poco probable que existamos sin ella. Lo emocionante de este experimento es que abre tanto espacio de descubrimiento que antes era inaccesible".

Incluso si los investigadores no encuentran el axión, su trabajo tendría la distinción de buscar una fracción significativa de su posible rango de frecuencia. Los investigadores también están emocionados de ver cómo el desarrollo de sus sensores contribuirá a las aplicaciones derivadas en varios campos.

La radio de la materia oscura

La materia oscura constituye la mayor parte de la masa del universo, pero se teoriza que cada axión tiene una masa tan baja, que cae en la categoría de materia oscura ultraligera, que podría extenderse a lo largo de kilómetros. Mecánica cuántica, que es el estudio del comportamiento de partículas extremadamente pequeñas, sostiene que cada partícula también se comporta como una onda. Entonces, si existen axiones, están ondeando a nuestro alrededor como una señal de radio. El equipo de Dark Matter Radio buscará la frecuencia que transporta la señal de las ondulaciones en forma de onda de este océano de axiones superpuestos.

El primer truco consiste en convertir ondas de axiones en ondas de radio, realizadas por un fuerte campo magnético dentro de la Radio de Materia Oscura. La Dark Matter Radio también está rodeada por un escudo superconductor de niobio que bloquea las señales de radio regulares. pero dejará pasar los axiones.

Incluso con todas estas mejoras, los axiones emitirán una señal muy débil. Entonces, La sintonización de la radio tiene que ser increíblemente nítida, el equivalente a la radio de un automóvil que puede detectar estaciones separadas por una millonésima parte de un decimal. Como parte de lograr este nivel de sensibilidad y precisión, Irwin está trabajando con un nuevo tipo de sensor cuántico que es capaz de captar señales magnéticas cien millones de billones de veces más pequeñas que las producidas por un imán de refrigerador típico.

"Ha habido un gran avance en la capacidad de controlar, crear y manipular estados cuánticos de manera que nos permitan aprovechar la teoría que ha existido durante muchas décadas, ", dijo Irwin." Estas son algunas de las mismas técnicas que se están utilizando para desarrollar computadoras cuánticas. En lugar de usarlos para calcular, podemos medir las cosas con mucha más sensibilidad y precisión que antes, y las técnicas que estamos usando tendrán amplias aplicaciones ".

Los mismos sensores cuánticos que los investigadores están incorporando en la radio también podrían mejorar la precisión de las técnicas de escaneo médico que miden las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos en el cuerpo humano.

Más allá de la pizarra

Hasta aquí, Los investigadores han construido con éxito un prototipo del tamaño de una lata de refresco de la radio de materia oscura que funciona como una radio AM extrasensible. Actualmente están trabajando en una versión más grande que podrá escanear todas las frecuencias de interés con suficiente sensibilidad para medir la materia oscura de los axiones.

"La mayoría de las ideas que tenemos los teóricos fracasan antes de que lleguen a ninguna parte, así que fue un gran problema ver esta loca idea que teníamos en una pizarra blanca convertirse en algo físico, "dijo Graham." Los experimentales, como Kent, todavía tienen mucho trabajo por delante, pero para mí, se siente como la culminación de tantos años de trabajo. The Dark Matter Radio va a ser real. Va a suceder ".