Nueva investigación en Cartas de revisión física (PRL ) ha propuesto un método novedoso para detectar candidatos a materia oscura clara utilizando interferometría láser para medir los campos eléctricos oscilatorios generados por estos candidatos.
La materia oscura es uno de los desafíos más apremiantes de la física moderna, ya que las partículas de materia oscura son esquivas y difíciles de detectar. Esto ha llevado a los científicos a idear formas nuevas e innovadoras de buscar estas partículas.
Hay varios candidatos para partículas de materia oscura, como las WIMP, las partículas claras de materia oscura (axiones) y el hipotético gravitino. La materia oscura ligera, incluidas las partículas bosónicas como el axión QCD (cromodinámica cuántica), se ha convertido en un punto de interés en los últimos años.
Estas partículas normalmente han suprimido las interacciones con el modelo estándar, lo que hace que su detección sea difícil. Sin embargo, conocer sus características, incluido su comportamiento ondulatorio y su naturaleza coherente a escalas galácticas, ayuda a diseñar experimentos más eficientes.
En la nueva PRL En el estudio, investigadores de la Universidad de Maryland y la Universidad Johns Hopkins han propuesto el interferómetro láser de axiones galácticos que aprovecha la electroóptica o GALILEO, un nuevo enfoque para detectar materia oscura tanto de axiones como de fotones oscuros en un amplio rango de masas.
El investigador principal, Reza Ebadi, estudiante de posgrado en el Centro de Tecnología Cuántica (QTC) de la Universidad de Maryland, habló con Phys.org sobre la investigación y su motivación para desarrollar este nuevo enfoque:"Aunque el modelo estándar proporciona explicaciones exitosas de fenómenos que van desde desde distancias subnucleares hasta el tamaño del universo, no es una explicación completa de la naturaleza."
"No tiene en cuenta las observaciones cosmológicas de las que se infiere la existencia de materia oscura. Aspiramos a comprender mejor las teorías físicas que operan a escalas galácticas mediante experimentos de laboratorio a pequeña escala".
Los axiones y las partículas similares a axiones se propusieron inicialmente para resolver problemas de física de partículas, como el problema de la paridad de carga fuerte (CP). Este problema surge de la observación de que la fuerza fuerte no parece exhibir un tipo particular de violación de simetría, llamada violación CP, tanto como la teoría predice que debería hacerlo.
Este marco teórico da lugar naturalmente a partículas similares a axiones, que comparten propiedades similares a los axiones, siendo ambos bosones.
Se predice que los axiones y las partículas similares a axiones tendrán masas muy bajas, que generalmente oscilan entre microelectronvoltios y milielectronvoltios. Esto los convierte en candidatos adecuados para la materia oscura clara, ya que pueden exhibir un comportamiento ondulatorio a escalas galácticas.
Además de su baja masa, los axiones y las partículas similares a axiones interactúan muy débilmente con la materia ordinaria, lo que los hace difíciles de detectar con medios convencionales.
Estas son algunas de las razones por las que los investigadores han elegido detectar estas partículas en su configuración experimental. Sin embargo, el método depende de los campos eléctricos oscilatorios producidos por estas partículas.
En regiones con una densidad significativa de materia oscura, los axiones y las FA pueden sufrir oscilaciones coherentes. Estas oscilaciones coherentes pueden dar lugar a señales detectables, como campos eléctricos oscilatorios, que el experimento GALILEO propuesto pretende medir.
GALILEO
"Los candidatos a materia oscura ligera se comportan como ondas en el vecindario solar. Se predice que tales ondas de materia oscura inducen campos eléctricos oscilantes muy débiles con campos magnéticos debido a sus minúsculas interacciones con el electromagnetismo".
"Nos centramos en la detección del campo eléctrico en lugar del campo magnético, que es la señal objetivo en la mayoría de los experimentos actuales y propuestos", explicó Ebadi.
Los campos eléctricos claros inducidos por la materia oscura se pueden detectar utilizando materiales electroópticos, donde el campo eléctrico externo modifica las propiedades del material, como el índice de refracción.
GALILEO utiliza un interferómetro asimétrico de Michelson, un dispositivo que puede medir los cambios en el índice de refracción. Un brazo del interferómetro contiene el material electroóptico.
Cuando el haz láser de una sonda se divide y se envía a través de los dos brazos del interferómetro, el brazo que contiene el material electroóptico introduce un índice de refracción variable. Este cambio en el índice de refracción afecta la fase del rayo láser, lo que resulta en una señal oscilante cuando los rayos se vuelven a fusionar.
Midiendo la velocidad de fase diferencial entre los dos brazos del interferómetro, GALILEO puede detectar la frecuencia de oscilación inducida por la materia oscura clara. Esta señal oscilatoria sirve como firma de la presencia de partículas de materia oscura.
La sensibilidad del método se puede aumentar incorporando cavidades de Fabry-Perot (que aumentan la longitud del brazo del interferómetro, lo que permite una mayor precisión) y tomando mediciones independientes repetidas.
La investigación se basa en mediciones de precisión mediante interferometría láser.
Ebadi explicó:"Un excelente ejemplo de cómo se pueden utilizar los interferómetros láser para mediciones de precisión es LIGO, el detector de ondas gravitacionales terrestre".
"Nuestra propuesta utiliza avances tecnológicos similares a LIGO, como cavidades de Fabry-Perot o luz comprimida para suprimir el límite de ruido cuántico. Sin embargo, a diferencia de LIGO, el interferómetro GALILEO propuesto es un dispositivo a escala de mesa".
Aunque el trabajo es teórico, los investigadores ya tienen planes de implementar el programa experimental paso a paso.
Lo más importante es que quieren determinar los parámetros técnicos necesarios para una configuración experimental optimizada, que planean utilizar para realizar experimentos científicos para buscar materia oscura clara.
Además, Ebadi destaca la importancia de operar cavidades Fabry-Perot de alta delicadeza junto con material electroóptico dentro de la cavidad, así como caracterizar el presupuesto de ruido y la sistemática de configuración, que son aspectos cruciales del proceso experimental.
"GALILEO tiene el potencial de ser un componente importante de la misión más grande de explorar el vasto espacio teóricamente viable de candidatos a materia oscura", concluyó Ebadi.
Más información: Reza Ebadi et al, GALILEO:Interferómetro láser de axión galáctico aprovechando la electroóptica, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101001.
Información de la revista: Cartas de revisión física
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