La materia oscura ha desafiado hasta ahora todo tipo de detector diseñado para encontrarla. Debido a su enorme huella gravitacional en el espacio, sabemos que la materia oscura debe constituir alrededor del 85 por ciento de la masa total del universo, pero aún no sabemos de qué está hecho.

Varios experimentos grandes que buscan materia oscura han buscado signos de partículas de materia oscura que golpean los núcleos atómicos a través de un proceso conocido como dispersión. que pueden producir pequeños destellos de luz y otras señales en estas interacciones.

Ahora un nuevo estudio, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley, sugiere nuevos caminos para captar las señales de las partículas de materia oscura que tienen su energía absorbida por estos núcleos.

El proceso de absorción podría darle a un átomo afectado una patada que haga que expulse un encendedor, partícula energizada como un electrón, y podría producir otros tipos de señales, también, dependiendo de la naturaleza de la partícula de materia oscura.

El estudio se centra principalmente en aquellos casos en los que se expulsa un electrón o un neutrino cuando la partícula de materia oscura golpea el núcleo de un átomo.

Publicado el 4 de mayo en Cartas de revisión física , el estudio propone que algunos experimentos existentes, incluidos los que buscan partículas de materia oscura y procesos relacionados con los neutrinos, fantasmales, Las partículas detectables que pueden atravesar la mayor parte de la materia y tienen la capacidad de cambiar a diferentes formas, pueden ampliarse fácilmente para buscar también estos tipos de señales reveladoras de materia oscura relacionadas con la absorción.

También, los investigadores proponen que las nuevas búsquedas en los datos de detectores de partículas recopilados previamente podrían dar lugar a estas señales de materia oscura que se pasan por alto.

"En este campo, teníamos una cierta idea en mente sobre candidatos bien motivados para la materia oscura, como el WIMP, "o partícula masiva de interacción débil, dijo Jeff Dror, el autor principal del estudio, quien es investigador postdoctoral en el Grupo Teórico de Berkeley Lab y en el Centro Berkeley de Física Teórica de UC Berkeley.

La materia oscura empuja los límites de las leyes fundamentales conocidas de la física, encapsulado en el modelo estándar de física de partículas, y "El paradigma WIMP es muy fácil de integrar en el modelo estándar, pero no lo hemos encontrado en mucho tiempo, "Señaló Dror.

Entonces, Los físicos ahora están considerando otros lugares donde las partículas de materia oscura pueden estar escondidas, y otras posibilidades de partículas, como los "neutrinos estériles" teorizados que también podrían incluirse en la familia de partículas conocidas como fermiones, que incluye electrones, protones, y neutrinos.

"Es fácil, con pequeñas modificaciones al paradigma WIMP, para adaptarse a un tipo de señal completamente diferente, "Dijo Dror." Puedes hacer una gran cantidad de progreso con muy poco costo si retrocedes un poco en la forma en que hemos estado pensando sobre la materia oscura ".

Robert McGehee, un estudiante graduado de UC Berkeley, y Gilly Elor de la Universidad de Washington fueron coautores del estudio.

Los investigadores señalan que el rango de nuevas señales en las que se están enfocando abre un "océano" de posibilidades de partículas de materia oscura:a saber, fermiones aún no descubiertos con masas más ligeras que el rango típico considerado para los WIMP. Podrían ser primos cercanos de los neutrinos estériles, por ejemplo.

El equipo del estudio consideró los procesos de absorción conocidos como "corriente neutra, "en qué núcleos del material del detector retroceden, o ser sacudido por su colisión con partículas de materia oscura, producir firmas de energía distintas que pueden ser captadas por el detector; y también los conocidos como "corriente cargada, "que puede producir múltiples señales cuando una partícula de materia oscura golpea un núcleo, provocando un retroceso y la expulsión de un electrón.

El proceso de la corriente de carga también puede implicar la desintegración nuclear, en el que otras partículas son expulsadas de un núcleo como una especie de efecto dominó desencadenado por la absorción de materia oscura.

Buscar las firmas sugeridas por el estudio de los procesos de corriente neutra y corriente de carga podría abrir "órdenes de magnitud de espacio de parámetros inexplorados, ", señalan los investigadores. Se centran en las señales de energía en el MeV, lo que significa millones de electronvoltios. Un electrón voltio es una medida de energía que los físicos utilizan para describir las masas de las partículas. Mientras tanto, Las búsquedas típicas de WIMP ahora son sensibles a las interacciones de las partículas con energías en el rango de keV, o miles de electronvoltios.

Para las diversas interacciones de partículas que los investigadores exploraron en el estudio, "Puede predecir cuál es el espectro de energía de la partícula que sale o el nucleón que está recibiendo el impulso, '", Dijo Dror. Nucleón se refiere al protón cargado positivamente o neutrón sin carga que reside en el núcleo de un átomo y que podría absorber energía cuando es golpeado por una partícula de materia oscura. Estas señales de absorción posiblemente podrían ser más comunes que los otros tipos de señales que oscurecen Los detectores de materia suelen estar diseñados para encontrar, añadió, simplemente no lo sabemos todavía.

Experimentos que tienen grandes volúmenes de material detector, con alta sensibilidad y ruido de fondo muy bajo, "o interferencias no deseadas de otros tipos de señales de partículas, son particularmente adecuados para esta búsqueda ampliada de diferentes tipos de señales de materia oscura, Dijo Dror.

LUX-ZEPLIN (LZ), por ejemplo, un proyecto de búsqueda de materia oscura ultrasensible dirigido por Berkeley Lab en construcción en una antigua mina de Dakota del Sur, es un posible candidato, ya que utilizará aproximadamente 10 toneladas métricas de xenón líquido como medio detector y está diseñado para protegerse fuertemente de otros tipos de ruido de partículas.

Ya, el equipo de investigadores que participa en el estudio ha trabajado con el equipo que opera el Observatorio Enriquecido de Xenón (EXO), un experimento subterráneo que busca un proceso teorizado conocido como desintegración beta doble sin neutrinos utilizando xenón líquido, para abrir su búsqueda a estos otros tipos de señales de materia oscura.

Y para tipos similares de experimentos que están en marcha, "Básicamente, los datos ya están ahí. Es solo cuestión de mirarlos, "Dijo Dror.

Los investigadores nombran una larga lista de experimentos candidatos en todo el mundo que podrían tener datos relevantes y capacidades de búsqueda que podrían usarse para encontrar sus señales objetivo. incluyendo:CUORE, LZ predecesor LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50, y Borexino entre ellos.

Como siguiente paso, el equipo de investigación espera trabajar con colaboraciones experimentales para analizar los datos existentes, y para averiguar si los parámetros de búsqueda de experimentos activos se pueden ajustar para buscar otras señales.

"Creo que la comunidad está empezando a ser bastante consciente de esto, "Dror dijo, agregando, "Una de las preguntas más importantes en el campo es la naturaleza de la materia oscura. No sabemos de qué está hecha, pero responder a estas preguntas podría estar a nuestro alcance en un futuro próximo. Para mi, esa es una gran motivación para seguir presionando, hay nueva física por ahí ".