Desde la década de 1980, Los investigadores han estado realizando experimentos en busca de partículas que componen la materia oscura, una sustancia invisible que impregna nuestra galaxia y nuestro universo. Materia oscura acuñada porque no emite luz, esta sustancia, que constituye más del 80 por ciento de la materia en nuestro universo, Se ha demostrado repetidamente que influye en la materia ordinaria a través de su gravedad. Los científicos saben que está ahí fuera, pero no saben qué es.

Entonces, los investigadores de Caltech, dirigido por Kathryn Zurek, profesor de física teórica, He vuelto a la mesa de dibujo para pensar en nuevas ideas. Han estado investigando la posibilidad de que la materia oscura esté formada por partículas de "sector oculto", que son más ligeras que las partículas propuestas anteriormente, y podría, En teoria, ser encontrado usando pequeño, dispositivos de mesa subterráneos. A diferencia de, Los científicos están buscando candidatos de materia oscura más pesados ​​llamados WIMP (partículas masivas de interacción débil) utilizando experimentos a gran escala como XENON, que se instala bajo tierra en un 70, Tanque de agua de 000 galones en Italia.

"La materia oscura siempre fluye a través de nosotros, incluso en esta sala ", dice Zurek, quien propuso por primera vez las partículas del sector oculto hace más de una década. "A medida que nos movemos por el centro de la galaxia, este viento constante de materia oscura pasa mayormente desapercibido. Pero aún podemos aprovechar esa fuente de materia oscura, y diseñar nuevas formas de buscar interacciones raras entre el viento de materia oscura y el detector ".

En un nuevo artículo aceptado para su publicación en la revista Cartas de revisión física , los físicos describen cómo las partículas de materia oscura de peso más ligero podrían detectarse a través de un tipo de cuasipartícula conocida como magnón. Una cuasipartícula es un fenómeno emergente que ocurre cuando un sólido se comporta como si contuviera partículas que interactúan débilmente. Los magnones son un tipo de cuasipartícula en la que los giros de los electrones, que actúan como pequeños imanes, son excitados colectivamente. En la idea de los investigadores para un experimento de mesa, Se utilizaría un material cristalizado magnético para buscar signos de magnones excitados generados por materia oscura.

"Si las partículas de materia oscura son más ligeras que el protón, se vuelve muy difícil detectar su señal por medios convencionales, "dice el autor del estudio Zhengkang (Kevin) Zhang, becario postdoctoral en Caltech. "Pero, según muchos modelos bien motivados, especialmente aquellos que involucran sectores ocultos, las partículas de materia oscura pueden acoplarse a los espines de los electrones, de tal manera que una vez que golpean el material, inducirán excitaciones de espín, o magnones. Si reducimos el ruido de fondo enfriando el equipo y moviéndolo bajo tierra, podríamos esperar detectar magnones generados únicamente por materia oscura y no por materia ordinaria ".

Tal experimento es solo teórico en este punto, pero eventualmente puede tener lugar utilizando pequeños dispositivos alojados bajo tierra, probablemente en una mina, donde influencias externas de otras partículas, como los de los rayos cósmicos, puede minimizarse.

Un signo revelador de la detección de materia oscura en los experimentos de sobremesa serían los cambios en la señal que dependen de la hora del día. Esto se debe al hecho de que los cristales magnéticos que se utilizarían para detectar la materia oscura pueden ser anisotrópicos, lo que significa que los átomos están naturalmente dispuestos de tal manera que tienden a interactuar con la materia oscura con más fuerza cuando la materia oscura proviene de ciertas direcciones.

"A medida que la Tierra se mueve a través del halo de materia oscura galáctica, siente el viento de materia oscura que sopla desde la dirección en la que se mueve el planeta. Un detector fijo en un lugar determinado de la Tierra gira con el planeta, por lo que el viento de materia oscura lo golpea desde diferentes direcciones en diferentes momentos del día, decir, a veces desde arriba, a veces desde el costado, "dice Zhang.

"Durante el día, por ejemplo, es posible que tenga una mayor tasa de detección cuando la materia oscura proviene de arriba que de los lados. Si vieras eso, sería bastante espectacular y una indicación muy fuerte de que estás viendo materia oscura ".

Los investigadores tienen otras ideas sobre cómo puede revelarse la materia oscura, además de a través de magnones. Han propuesto que las partículas de materia oscura más ligeras podrían detectarse a través de fotones, así como con otro tipo de cuasipartícula llamada fonón. que es causado por vibraciones en una red cristalina. Se están realizando experimentos preliminares basados ​​en fotones y fonones en UC Berkeley, donde se encontraba el equipo antes de que Zurek se uniera a la facultad de Caltech en 2019. Los investigadores dicen que el uso de estas múltiples estrategias para buscar materia oscura es crucial porque se complementan entre sí y ayudarían a confirmar los resultados de cada uno.

"Estamos buscando nuevas formas de buscar la materia oscura porque, dado lo poco que sabemos sobre la materia oscura, vale la pena considerar todas las posibilidades, "dice Zhang.