No puedes verlo. No puedes sentirlo. Pero la sustancia a la que los científicos se refieren como materia oscura podría representar cinco veces más "material" en el universo que la materia regular que forma todo a partir de los árboles. trenes y el aire que respiras, a las estrellas, planetas y nubes de polvo interestelares.

Aunque los científicos ven la firma de la materia oscura indirectamente en la forma en que los objetos grandes orbitan entre sí, en particular cómo las estrellas giran alrededor de los centros de las galaxias espirales, nadie sabe todavía qué comprende esta sustancia. Uno de los candidatos es un bosón Z ', una partícula fundamental que se ha teorizado que existe pero que nunca se detectó.

Un nuevo experimento propuesto podría ayudar a los científicos a determinar si los bosones Z 'son reales, de esa manera identificando un posible candidato para la materia oscura. Para realizar esta tarea, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Universidad de Groningen en los Países Bajos, el centro canadiense de aceleración de partículas TRIUMF y otros colaboradores están trabajando para realizar las mediciones más precisas hasta la fecha de una propiedad nuclear que es extremadamente difícil de medir, llamada violación de paridad dependiente de espín nuclear (NSD-PV).

El experimento físico, que aún no se ha construido, tendría un diseño de fuente similar a las fuentes atómicas que los científicos utilizan actualmente como estándar para el cronometraje. Sin embargo, en lugar de átomos solitarios, el experimento utilizaría moléculas compuestas por tres átomos cada una. Actualmente nadie ha construido una fuente molecular con moléculas que incluyan más de dos átomos cada una. Además, a diferencia del anterior, enfoques similares, el método propuesto se centraría en átomos más ligeros, como el carbono, que son más fáciles de modelar que los más pesados, como el cesio utilizado en los relojes fuente del NIST.

El papel del equipo, publicado esta semana en Revisión física A , contiene una propuesta para el experimento, así como los mejores cálculos hasta la fecha de las mediciones que los investigadores podrían esperar reunir. En sus nuevos cálculos, Los investigadores pudieron predecir cuál debería ser la señal NSD-PV con una incertidumbre de solo el 10%, una precisión mucho mayor que nunca antes, dijeron los investigadores. Si la señal que los científicos obtienen finalmente es significativamente mayor de lo que predicen sus cálculos, potencialmente sería una firma de la nueva física, una física que va más allá del marco de nuestra comprensión del universo.

"En este trabajo, combinamos nuestras novedosas técnicas experimentales con los cálculos nucleares y moleculares de última generación de nuestros colaboradores, lo que abre un camino hacia la medición de algunas de las propiedades menos conocidas de las partículas fundamentales que podemos medir, ", dijo el investigador del NIST Eric Norrgard.

¿Cúal es la gran idea?

El efecto NSD-PV que es el foco de este trabajo está relacionado con la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. La fuerza débil es responsable de la desintegración y fusión radiactiva, que transforman un tipo de átomo en otro. También juega un papel en las fuerzas que mantienen a los electrones en órbita alrededor de los núcleos atómicos.

A diferencia de las otras fuerzas fundamentales, la fuerza débil experimenta algo llamado violación de paridad, que en realidad fue descubierto en la Oficina Nacional de Estándares (NBS), la organización que finalmente se convirtió en NIST. La violación de la paridad es cuando, hablando en general, invertir las coordenadas espaciales de un objeto no invierte su comportamiento. (Si levanta cinco dedos en un espejo, y tu reflejo sostiene cuatro, ¡Eso es una violación de la paridad!)

En el caso del NSD-PV, los investigadores esperan algún tipo de violación de la paridad. Lo que buscan específicamente son aberraciones en la señal de violación de paridad, una medida de la violación que es diferente de lo que esperan.

Si sus mejores modelos matemáticos les dicen que la señal NSD-PV debería ser x, pero sus mejores medidas les muestran que la señal es en realidad y, entonces eso puede ser una señal de que la base de los modelos es incorrecta, lo que puede indicar que el universo funciona de manera diferente a como pensamos. Esa es la importancia de medir la violación de la paridad NSD.

La mayoría de los grupos que miden el NSD-PV observan los sistemas donde el efecto debería ser mayor, en átomos relativamente pesados:átomos con un mayor número de protones y neutrones. Algunos ejemplos son los metales cesio (55 protones) y bario (56 protones).

Pero incluso usando átomos pesados, el efecto sigue siendo tan pequeño que solo un equipo en la década de 1990 pudo ver alguna señal.

El holandés, Los investigadores y colaboradores de TRIUMF y NIST decidieron adoptar un enfoque diferente. ¿Qué pasaría si buscaran el efecto en átomos más ligeros?

Un enfoque único

Los átomos pesados ​​tienen más neutrones, protones y electrones, y esto dificulta el cálculo de su comportamiento. Al mirar más ligero, átomos más simples, los científicos pueden modelar el sistema con mayor precisión. Esto significa que, aunque los investigadores buscarán un efecto menor, cuando lo ven, pueden estar más seguros de que es inesperado.

Para hacer sus cálculos, los investigadores se centraron en moléculas de tres átomos formadas a partir de combinaciones de los elementos relativamente ligeros berilio (4 protones), carbono (6 protones), nitrógeno (7 protones), y magnesio (12 protones). Para el experimento físico propuesto, los científicos manipularán estas moléculas utilizando un diseño de fuente.

Los físicos han estado trabajando con fuentes atómicas durante décadas. Son una tecnología tan robusta que sirven como estándar para el cronometraje en todo el mundo. Para hacer una fuente Los investigadores utilizan láseres para enfriar los átomos hasta que casi dejan de moverse. Luego, los científicos usan imanes para disparar los átomos estacionarios hacia arriba en el vacío. Cuando llegan a la cima de su arco, la gravedad los empuja hacia abajo.

Mientras están siendo manipulados de esta manera controlada, los átomos son sondeados por otro láser que hace que emitan fluorescencia. Efectivamente, Los científicos pueden decir en qué estado cuántico se encuentran los componentes de las moléculas en función del color de luz que emiten mientras se sondean.

El estudio propuesto será similar, excepto que en lugar de átomos individuales, la fuente manipulará moléculas de tres átomos.

Realizar el experimento en sí será complicado, muy complicado, Norrgard dijo:ya que atrapar moléculas de tres átomos está todavía más allá del estado de la técnica. Todavía, los investigadores están dispuestos a lidiar con la complicación adicional, ya que se espera que la señal NSD-PV en las moléculas sea aproximadamente un billón de veces mayor que en los átomos individuales.

"Ahora mismo en NIST, estamos trabajando para enfriar y atrapar moléculas diatómicas de dos átomos químicamente similares, que todavía es muy difícil ", dijo Norrgard." Pero las técnicas, El equipo y la experiencia necesarios para atrapar moléculas diatómicas nos ayudarán a informarnos sobre cómo atrapar moléculas grandes y nos permitirán realizar la medición. "lo que podría acercar un paso más a los científicos a determinar si existen los bosones Z '.