La búsqueda de materia oscura se está expandiendo. Y haciéndose pequeño.

Si bien la materia oscura abunda en el universo, es, con mucho, la forma más común de materia, constituye aproximadamente el 85 por ciento del total del universo; también se esconde a plena vista. Todavía no sabemos de qué está hecho aunque podemos presenciar su atracción gravitacional sobre la materia conocida.

Partículas masivas teorizadas que interactúan débilmente, o WIMP, han estado entre el elenco de posibles sospechosos que comprenden materia oscura, pero aún no han aparecido donde los científicos los esperaban.

Lanzando muchas redes pequeñas

Así que los científicos ahora están redoblando sus esfuerzos diseñando experimentos nuevos y ágiles que pueden buscar materia oscura en rangos previamente inexplorados de masa y energía de partículas. y utilizando métodos no probados previamente. El nuevo enfoque en lugar de depender de algunas "redes" de grandes experimentos para intentar atrapar un tipo de materia oscura, es similar a lanzar muchas redes más pequeñas con una malla mucho más fina.

La materia oscura podría ser mucho "más ligera, "o menor en masa y menor en energía, de lo que se pensaba anteriormente. Podría estar compuesto de teóricos, partículas ultraligeras en forma de ondas conocidas como axiones. Podría estar poblado por un reino salvaje lleno de muchas especies de partículas aún no descubiertas. Y puede que no esté compuesto de partículas en absoluto.

El impulso se ha estado construyendo para los experimentos de materia oscura de baja masa, lo que podría ampliar nuestra comprensión actual de la composición de la materia incorporada en el Modelo Estándar de física de partículas, señaló Kathryn Zurek, científico senior y físico teórico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab).

Zurek, quien también está afiliado a UC Berkeley, ha sido pionera en proponer teorías de materia oscura de baja masa y posibles formas de detectarla.

"¿Qué evidencia experimental tenemos para la física más allá del Modelo Estándar? La materia oscura es una de las mejores, ", dijo." Hay estas ideas teóricas que han existido durante una década más o menos, "Agregó Zurek, y los nuevos desarrollos en tecnología, como los nuevos avances en sensores cuánticos y materiales detectores, también han contribuido a impulsar el impulso de nuevos experimentos.

"El campo ha madurado y florecido durante la última década. Se ha convertido en la corriente principal, esto ya no es el margen, ", dijo. Las discusiones sobre materia oscura de baja masa se han trasladado de pequeñas conferencias y talleres a un componente de la estrategia general en la búsqueda de materia oscura.

Señaló que Berkeley Lab y UC Berkeley, con su especial experiencia en las teorías de la materia oscura, experimentos y detector de vanguardia e I + D objetivo, están preparados para tener un gran impacto en esta área emergente de la búsqueda de materia oscura.

Informe destaca la necesidad de buscar materia oscura "clara" de masa baja

La investigación relacionada con la materia oscura realizada por Zurek y otros investigadores de Berkeley Lab se destaca en un informe del DOE, "Necesidades de investigación básica para nuevas iniciativas de proyectos pequeños de materia oscura", basado en un taller de física de altas energías de octubre de 2018 sobre materia oscura. Zurek y Dan McKinsey, un científico senior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de física de UC Berkeley, se desempeñó como codirectores en un panel de taller centrado en técnicas de detección directa de materia oscura, y este panel contribuyó al informe.

El informe propone un enfoque en experimentos a pequeña escala, con costos de proyecto que oscilan entre $ 2 millones y $ 15 millones, para buscar partículas de materia oscura que tengan una masa más pequeña que un protón. Los protones son partículas subatómicas dentro de cada núcleo atómico y cada una pesa alrededor de 1, 850 veces más que un electrón.

Esta nueva El esfuerzo de búsqueda de menor masa tendrá "el objetivo general de comprender finalmente la naturaleza de la materia oscura del universo, "dice el informe.

En un esfuerzo relacionado, El Departamento de Energía de EE. UU. solicitó este año propuestas para nuevos experimentos de materia oscura, con una fecha límite del 30 de mayo, y Berkeley Lab participaron en el proceso de propuesta, Dijo McKinsey.

"Berkeley es una meca de la materia oscura" que está preparada para participar en esta búsqueda ampliada, él dijo. McKinsey ha participado en grandes experimentos de materia oscura de detección directa, incluidos LUX y LUX-ZEPLIN, y también está trabajando en técnicas de detección de materia oscura de baja masa.

3 prioridades en la búsqueda ampliada

El informe destaca tres direcciones de investigación prioritarias importantes en la búsqueda de materia oscura de baja masa que "son necesarias para lograr una amplia sensibilidad y ... para alcanzar diferentes hitos clave":

1. Crear y detectar partículas de materia oscura por debajo de la masa del protón y las fuerzas asociadas. aprovechando los aceleradores DOE que producen haces de partículas energéticas. Estos experimentos podrían ayudarnos a comprender los orígenes de la materia oscura y explorar sus interacciones con la materia ordinaria. dice el informe.

2. Detectar partículas de materia oscura galáctica individuales, hasta una masa que mide aproximadamente 1 billón de veces más pequeña que la de un protón, a través de interacciones con avanzados, detectores ultrasensibles. El informe señala que ya existen áreas y equipos experimentales subterráneos que podrían usarse en apoyo de estos nuevos experimentos.

3. Detecta ondas galácticas de materia oscura con tecnología avanzada detectores ultrasensibles con énfasis en el llamado axión QCD (cromodinámica cuántica). Los avances en la teoría y la tecnología ahora permiten a los científicos investigar la existencia de este tipo de materia oscura basada en axiones en todo el espectro de su rango de masa ultraligero esperado. proporcionando "un vistazo a los primeros momentos del origen del universo y las leyes de la naturaleza a energías y temperaturas ultraaltas, "dice el informe.

Este axion, si existiera, también podría ayudar a explicar las propiedades asociadas con la fuerza fuerte del universo, que es responsable de mantener unida la mayor parte de la materia:une las partículas en el núcleo de un átomo, por ejemplo.

Las búsquedas de la forma tradicional WIMP de materia oscura han aumentado en sensibilidad alrededor de 1, 000 veces en la última década.

Los científicos de Berkeley están construyendo prototipos de experimentos

Los investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley se centrarán al principio en los cristales de arseniuro de galio y helio líquido en la búsqueda de interacciones de partículas de materia oscura de baja masa en experimentos de laboratorio prototipo ahora en desarrollo en UC Berkeley.

"El desarrollo de materiales también es parte de la historia, y también pensar en diferentes tipos de excitaciones "en materiales detectores, Dijo Zurek.

Además de helio líquido y arseniuro de galio, los materiales que podrían usarse para detectar partículas de materia oscura son diversos, "y las estructuras en ellos te permitirán acoplarte a diferentes candidatos de materia oscura, ", dijo." Creo que la diversidad de objetivos es extremadamente importante ".

El objetivo de estos experimentos, que se espera que comiencen en los próximos meses, es desarrollar la tecnología y las técnicas para que puedan ampliarse para experimentos subterráneos en otros sitios que proporcionarán protección adicional contra la lluvia natural de "ruido" de partículas que caen del sol y otras fuentes.

McKinsey, que está trabajando en los experimentos de prototipos en UC Berkeley, dijo que el experimento de helio líquido buscará cualquier signo de partículas de materia oscura que causen retroceso nuclear, un proceso a través del cual la interacción de una partícula le da al núcleo de un átomo una ligera sacudida que los investigadores esperan que pueda ser amplificada y detectada.

Uno de los experimentos busca medir las excitaciones de las interacciones de la materia oscura que conducen a la evaporación mensurable de un solo átomo de helio.

"Si una partícula de materia oscura se dispersa (sobre helio líquido), obtienes una gota de excitación, ", Dijo McKinsey." Podrías tener millones de excitaciones en la superficie, obtienes una gran señal de calor ".

Señaló que los átomos en el helio líquido y los cristales de arseniuro de galio tienen propiedades que les permiten iluminarse o "centellear" en interacciones de partículas. Los investigadores utilizarán al principio detectores de luz más convencionales, conocidos como tubos fotomultiplicadores, y luego pasar a más sensible, detectores de próxima generación.

"Básicamente, durante el próximo año estudiaremos señales de luz y señales de calor, ", Dijo McKinsey." La relación entre el calor y la luz nos dará una idea de lo que es cada evento ".

Estas primeras investigaciones determinarán si las técnicas probadas pueden ser efectivas en la detección de materia oscura de baja masa en otros sitios que proporcionan un entorno con menos ruido. "Creemos que esto nos permitirá sondear umbrales de energía mucho más bajos, " él dijo.

Nuevas ideas habilitadas por la nueva tecnología

El informe también señala una amplia variedad de otros enfoques para la búsqueda de materia oscura de baja masa.

"Hay toneladas de diferentes tecnologías geniales que existen "incluso más allá de las cubiertas en el informe que utilizan o proponen diferentes formas de encontrar materia oscura de baja masa, Dijo McKinsey. Algunos de ellos se basan en la medición de una sola partícula de luz, llamado fotón, mientras que otros se basan en señales de un solo núcleo atómico o un electrón, o una vibración colectiva muy leve en los átomos conocida como fonón.

En lugar de clasificar las propuestas existentes, el informe tiene como objetivo "casar la justificación científica con las posibilidades y los aspectos prácticos. Tenemos motivación porque tenemos ideas y tenemos la tecnología. Eso es lo emocionante".

Él agregó, "La física es el arte de lo posible".