Los científicos están seguros de que existe materia oscura. Todavía, después de más de 50 años de búsqueda, todavía no tienen evidencia directa de la misteriosa sustancia.

Swati Singh de la Universidad de Delaware se encuentra entre un pequeño grupo de investigadores de la comunidad de la materia oscura que han comenzado a preguntarse si están buscando el tipo correcto de materia oscura.

"¿Qué pasa si la materia oscura es mucho más ligera de lo que buscan los experimentos tradicionales de física de partículas?" dijo Singh, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la UD.

Ahora, Singh, Jack Manley, un estudiante de doctorado de la UD, y colaboradores de la Universidad de Arizona y el Haverford College han propuesto una nueva forma de buscar las partículas que podrían formar la materia oscura reutilizando la tecnología de sensores de mesa existente. El equipo informó recientemente sobre su enfoque en un artículo publicado en Cartas de revisión física .

Los coautores del artículo incluyen a Dalziel Wilson, un profesor asistente de ciencias ópticas de Arizona, Mitul Dey Chowdhury, un estudiante de doctorado de Arizona, y Daniel Grin, profesor asistente de física en Haverford College.

No es un asunto ordinario

Singh explicó que si sumas todas las cosas que emiten luz, como estrellas, planetas y gas interestelar, solo representa alrededor del 15% de la materia del universo. El otro 85% se conoce como materia oscura. No emite luz, pero los investigadores saben que existe por sus efectos gravitacionales. También saben que no es un asunto ordinario, como el gas, polvo, estrellas, planetas y nosotros.

"Podría estar formado por agujeros negros, o podría estar formado por billones de veces más pequeño que un electrón, conocida como materia oscura ultraligera, "dijo Singh, una teórica cuántica conocida por sus esfuerzos pioneros para impulsar la detección mecánica de materia oscura.

Una posibilidad es que la materia oscura esté formada por fotones oscuros, un tipo de materia oscura que ejercería una fuerza oscilante débil sobre la materia normal, haciendo que una partícula se mueva hacia adelante y hacia atrás. Sin embargo, ya que la materia oscura está en todas partes, ejerce esa fuerza sobre todo, lo que dificulta la medición de este movimiento.

Singh y sus colaboradores dijeron que creen que pueden superar este obstáculo utilizando acelerómetros optomecánicos como sensores para detectar y amplificar esta oscilación.

"Si la fuerza depende del material, al usar dos objetos compuestos de diferentes materiales, la cantidad a la que se fuerzan será diferente, lo que significa que podría medir esa diferencia de aceleración entre los dos materiales, "dijo Manley, el autor principal del artículo.

Wilson, un experimentalista cuántico y uno de los colaboradores del equipo de la UD, comparó un acelerómetro optomecánico con un diapasón en miniatura. "Es un dispositivo vibratorio que, por su reducido tamaño, es muy sensible a las perturbaciones del medio ambiente, " él dijo.

Ahora, los investigadores han propuesto un experimento que utiliza una membrana hecha de nitruro de silicio y un espejo de berilio fijo para hacer rebotar la luz entre las dos superficies. Si la distancia entre los dos materiales cambia, los investigadores sabrían por la luz reflejada que había fotones oscuros porque el nitruro de silicio y el berilio tienen propiedades materiales diferentes.

La colaboración fue una parte clave del desarrollo del diseño del experimento, según Manley. Él y Singh (teóricos) trabajaron con Wilson y Dey Chowdhury (experimentales) en los cálculos teóricos que se incluyeron en el plan detallado para construir su sensor de acelerómetro de mesa propuesto. Mientras tanto, Sonrisa, un cosmólogo, ayudó a arrojar luz sobre los aspectos de la física de partículas de la materia oscura ultraligera, como por qué sería ultraligero, por qué podría acoplarse a los materiales de manera diferente y cómo podría producirse.

Como teórico, Manley dijo que la oportunidad de aprender más sobre cómo funcionan los dispositivos y cómo los experimentadores construyen cosas para probar las teorías que él y Singh desarrollan ha profundizado su experiencia y al mismo tiempo ha ampliado su exposición a posibles trayectorias profesionales.

Un creciente cuerpo de trabajo

En tono rimbombante, este último trabajo se basa en investigaciones previamente publicadas por los equipos colaboradores, informó el verano pasado en Cartas de revisión física . El papel, que incluyó contribuciones del ex estudiante graduado de la UD Russell Stump, mostró que varios dispositivos a escala de laboratorio existentes y a corto plazo son lo suficientemente sensibles como para detectar, o descartar, posibles partículas que podrían ser materia oscura ultraligera.

La investigación informó que ciertos tipos de materia oscura ultraligera se conectarían, o pareja, con la materia normal de una manera que causaría un cambio periódico en el tamaño de los átomos. Si bien las pequeñas fluctuaciones en el tamaño de un solo átomo pueden ser difíciles de notar, el efecto se amplifica en un objeto compuesto por muchos átomos, y se puede lograr una mayor amplificación si ese objeto es un resonador acústico. La colaboración evaluó el rendimiento de varios resonadores hechos de diversos materiales que van desde el helio superfluido hasta el zafiro monocristalino. y descubrió que estos sensores se pueden usar para detectar esa señal de tensión inducida por la materia oscura.

Ambos proyectos fueron apoyados en parte a través de la financiación de Singh de la National Science Foundation para explorar ideas emergentes sobre el uso de dispositivos cuánticos de última generación para detectar fenómenos astrofísicos con tecnologías de sobremesa que son más pequeñas y menos costosas que otros métodos.

Juntos, Singh dijo:Estos artículos amplían el cuerpo de trabajo sobre lo que se conoce sobre las posibles formas de detectar la materia oscura y sugieren la posibilidad de una nueva generación de experimentos de sobremesa.

Singh y Manley están trabajando con otros grupos experimentales, también, para desarrollar sensores de sobremesa adicionales para buscar esa materia oscura u otras señales astrofísicas débiles. También están cultivando activamente debates más amplios sobre este tema dentro de las comunidades de materia oscura y sensores cuánticos.

Por ejemplo, Singh discutió recientemente los avances de la instrumentación transformacional en detectores de física de partículas en un taller virtual organizado por el Panel Coordinador de Detectores Avanzados (CPAD) del Departamento de Energía. También presentó estos resultados en un taller especial durante la reunión de abril de la Sociedad Estadounidense de Física.

"Es un momento emocionante, y estoy aprendiendo mucho de las preguntas planteadas por científicos de diversos orígenes en dichos talleres, ", dijo Singh." Pero vale la pena señalar que mis ideas de investigación más originales todavía surgen de preguntas planteadas por estudiantes curiosos ".