Los físicos de la Universidad de Brown han ideado una nueva estrategia para detectar directamente la materia oscura, el material escurridizo que se cree que explica la mayor parte de la materia del universo.

La nueva estrategia, que está diseñado para detectar interacciones entre partículas de materia oscura y una tina de helio superfluido, sería sensible a partículas en un rango de masa mucho más bajo de lo que es posible con cualquiera de los experimentos a gran escala realizados hasta ahora, dicen los investigadores.

"La mayoría de las búsquedas de materia oscura a gran escala hasta ahora han estado buscando partículas con una masa entre 10 y 10, 000 veces la masa de un protón, "dijo Derek Stein, un físico que fue coautor del trabajo con dos de sus colegas de la Universidad de Brown, Humphrey Maris y George Seidel. "Por debajo de 10 masas de protones, estos experimentos comienzan a perder su sensibilidad. Lo que queremos hacer es extender la sensibilidad hacia abajo en masa en tres o cuatro órdenes de magnitud y explorar la posibilidad de partículas de materia oscura que sean mucho más ligeras ".

Un artículo que describe el nuevo detector se publica en Cartas de revisión física .

Materia perdida

Aunque todavía no se ha detectado directamente, Los físicos están bastante seguros de que la materia oscura debe existir de alguna forma. La forma en que giran las galaxias y el grado en que la luz se dobla a medida que viaja a través del universo sugiere que hay algún tipo de material invisible que lanza su gravedad.

La idea principal de la naturaleza de la materia oscura es que es algún tipo de partícula, aunque uno que interactúa muy raramente con la materia ordinaria. Pero nadie está muy seguro de cuáles podrían ser las propiedades de una partícula de materia oscura porque nadie ha registrado todavía una de esas raras interacciones.

Ha habido una buena razón Stein dice:para buscar en el rango de masas donde la mayoría de los experimentos de materia oscura se han centrado hasta ahora. Una partícula en ese rango de masas ataría muchos cabos teóricos sueltos. Por ejemplo, la teoría de la supersimetría, la idea de que todas las partículas comunes que conocemos y amamos tienen partículas asociadas ocultas, predice candidatos a materia oscura del orden de cientos de masas de protones.

Pero la ausencia de esas partículas en los experimentos hasta ahora tiene a algunos físicos pensando en cómo buscar en otra parte. Esto ha llevado a los teóricos a proponer modelos en los que la materia oscura tendría una masa mucho menor.

Un nuevo enfoque

La estrategia de detección que han ideado los investigadores de Brown implica una tina de helio superfluido. La idea es que las partículas de materia oscura que pasan a través de la tina deberían, en muy raras ocasiones, chocar contra el núcleo de un átomo de helio. Esa colisión produciría fonones y rotones —excitaciones minúsculas aproximadamente similares a las ondas sonoras— que se propagan sin pérdida de energía cinética dentro del superfluido. Cuando esas excitaciones llegan a la superficie del fluido, harán que los átomos de helio se liberen en un espacio de vacío sobre la superficie. La detección de esos átomos liberados sería la señal de que se ha producido una interacción de materia oscura en la tina.

"La última parte es la más complicada, "dijo Maris, quien ha trabajado en esquemas similares de detección basados ​​en helio para otras partículas como los neutrinos solares. La colisión de una partícula de materia oscura de baja masa podría resultar en la liberación de un solo átomo de la superficie. Ese único átomo llevaría solo alrededor de un milielectronvoltio de energía, lo que hace que sea prácticamente imposible de detectar a través de cualquier medio tradicional. La novedad de este nuevo esquema de detección es un medio para amplificar ese pequeño, firma de energía de un solo átomo.

Funciona generando un campo eléctrico en el espacio de vacío sobre el líquido utilizando una matriz de pequeños, pasadores de metal con carga positiva. Cuando un átomo liberado de la superficie del helio se acerca a un alfiler, la punta cargada positivamente le robará un electrón, creando un ion de helio cargado positivamente. Ese ion positivo recién creado estaría muy cerca del pin cargado positivamente, y porque cargas iguales se repelen, el ion volará con suficiente energía para ser fácilmente detectable por un calorímetro estándar, un dispositivo que detecta un cambio de temperatura cuando una partícula choca contra él.

"Si ponemos 10, 000 voltios en esos pequeños pines, entonces ese ion va a volar con 10, 000 voltios en él, "Dijo Maris." Así que es esta característica de ionización la que nos da una nueva forma de detectar solo el átomo de helio que podría estar asociado con una interacción de materia oscura ".

Sensible a masa baja

Este nuevo tipo de detector no sería el primero en utilizar la idea de la tina de gas líquido. El experimento Large Underground Xenon (LUX) recientemente completado y su sucesor, LUX-ZEPLIN, ambos usan tinas de gas xenón. El uso de helio en su lugar proporciona una ventaja importante en la búsqueda de partículas con menor masa, dicen los investigadores.

Para que una colisión sea detectable, la partícula entrante y los núcleos atómicos objetivo deben tener una masa compatible. Si la partícula entrante es mucho más pequeña en masa que los núcleos objetivo, cualquier colisión resultaría en que la partícula simplemente rebotara sin dejar rastro. Dado que LUX y L-Z están destinados a la detección de partículas con una masa superior a cinco veces la de un protón, usaron xenón, que tiene un núcleo de alrededor de 100 masas de protones. El helio tiene una masa nuclear solo cuatro veces la de un protón, haciendo un objetivo más compatible para partículas con mucha menos masa.

Pero incluso más importante que el objetivo ligero, los investigadores dicen, es la capacidad del nuevo esquema de detectar solo un átomo evaporado de la superficie del helio. Ese tipo de sensibilidad permitiría al dispositivo detectar las pequeñas cantidades de energía depositadas en el detector por partículas con masas muy pequeñas. El equipo de Brown cree que su dispositivo sería sensible a masas de hasta aproximadamente el doble de la masa de un electrón, aproximadamente 1, 000 a 10, 000 veces más ligero que las partículas detectables en experimentos de materia oscura a gran escala hasta ahora.

Stein dice que los primeros pasos para hacer realidad un detector de este tipo serán experimentos fundamentales para comprender mejor los aspectos de lo que está sucediendo en el helio superfluido y la dinámica precisa del esquema de ionización.

"De esos experimentos fundamentales, "Stein dice, "Elaboraríamos diseños para un experimento de materia oscura más grande y completo".