Los físicos planean no perder una sola oportunidad: si la materia oscura afecta a diferentes tipos de detectores, si la luz de las estrellas se dobla, si los núcleos de los planetas se calientan y si se deposita en las rocas.
Opciones de gráfico masa de partículas de materia oscura (se puede hacer clic)
Desde entonces, como en la década de 1980, se acordó que la mayor parte de la masa del universo es invisible para nosotros, y que esta "materia oscura" debería evitar que la galaxia se destruya y se forme por gravedad la apariencia de todo el cosmos. Los experimentadores buscaron estas partículas no luminosas.
Primero comenzaron a buscar una forma pesada y lenta de materia oscura llamada partículas masivas de interacción débil.(partícula masiva de interacción débil, WIMP) - debiluchos. Este primer candidato era uno de los candidatos más preferidos para el papel de la materia cósmica perdida: podía resolver otro acertijo separado de la física de partículas. Durante décadas, los físicos han estado construyendo objetivos cada vez más grandes en forma de cristales y depósitos de varias toneladas de líquidos exóticos, con la esperanza de capturar el raro parpadeo de los átomos que se produce después de la colisión con los WIMP.
Pero los detectores permanecieron en silencio y los físicos comienzan a especular cada vez más sobre una gama más amplia de posibilidades. En el lado más masivo del espectro, dicen, la materia invisible del Universo puede agruparse , formando agujeros negros que pesan desde una estrella. En el otro extremo, la materia oscura puede propagarse como una fina neblina de partículas, miles de billones de billones de veces más liviana que un electrón.
Las nuevas hipótesis traen consigo nuevos métodos de detección. Catherine Zurek, física teórica del Instituto de Tecnología de California, dice que si no vemos nada en los experimentos actuales de WIMP, "entonces mucha investigación en esta área cambiará a estos nuevos experimentos".
Y el trabajo ya ha comenzado. Estas son algunas de las muchas nuevas fronteras en la búsqueda de materia oscura.
Entre un electrón y un protón
Los cobardes tendrían suficiente masa para derribar átomos enteros como una bola de boliche. Pero en caso de que la materia oscura sea más clara, en algunos experimentos se preparan pines más ligeros.
Una lluvia ligera de partículas de materia oscura que pesan menos que un protón a veces podría expulsar electrones de los átomos que las contienen. El primer experimento diseñado específicamente para capturar tal materia oscura es el Instrumento Experimental Sub-Electron-Noise Skipper CCD ( SENSEI ), que utiliza tecnología similar a la que se encuentra en las cámaras digitales. Amplifica las señales de los electrones acelerados inesperadamente que aparecen dentro de la sustancia.
Cuando se encendió el prototipo de SENSEI, colocando una décima parte de un gramo de silicio en él, no encontró materia oscura. Y aún así los resultados obtenidospublicado por el equipo en 2018, excluyó inmediatamente ciertos modelos.
"Tan pronto como lo encendimos, inmediatamente obtuvimos las mejores limitaciones del mundo", dijo Tien-Tien Yu , físico de la Universidad de Oregon y miembro del equipo de SENSEI. "Porque antes no había restricciones".
Los resultados recientes de la versión de 2 gramos del experimento SENSEI han ampliado estas limitaciones, y ahora Yu y sus colegas se están preparando para implementar la versión de 10 gramos en el laboratorio subterráneo de Canadá, lejos de los rayos cósmicos interferentes. Otros grupos están desarrollando versiones alternativas de bajo costo de experimentos con el objetivo de obtener resultados similares y fácilmente alcanzables.
Hacia el alivio
Si la materia oscura es aún más clara o no es susceptible a las cargas eléctricas, no eliminará los electrones. Zürek hizo una lluvia de ideas sobre métodos que permitirían que incluso una cantidad tan pequeña de su presencia fuera influenciada por grupos de partículas.
Imagine un bloque de silicio en forma de colchón, cuyos resortes son núcleos atómicos. Si arroja una moneda pequeña en un colchón así, dice Tsyurek, ninguno de los resortes se moverá demasiado. Sin embargo, la moneda provocará una ola que luego viajará a través de muchos resortes. En 2017, sugirió que una perturbación similar causada por la materia oscura podría generar ondas sonoras que calientan ligeramente el sistema.
Uno de los proyectos que sigue este camino, Tesseract, trabaja ahora en el sótano de la Universidad de California en Berkeley. Busca ondas generadas por partículas de materia oscura, similares en peso a las que busca SENSEI. Sin embargo, futuras versiones del experimento permitirán teóricamente buscar partículas mil veces más ligeras.
Sin embargo, también hay más posibilidades liliputienses. La materia oscura puede estar compuesta de axiones, partículas tan ligeras que se parecen más a ondas que a partículas. También resolvería el enigma de la fuerza nuclear fuerte. Recientemente, el Axion Dark Matter Experiment ( ADMX ) comenzó a buscar axiones que se descomponen en pares de fotones en un poderoso campo magnético. Varios otros experimentos similares están comenzando a funcionar.
Algunos experimentosapuntando a partículas aún más ligeras. La masa más pequeña que una partícula de materia oscura puede poseer teóricamente es mil billones de billones de veces menor que la masa de un electrón. Sería una partícula con una onda de energía extremadamente baja y con una longitud de onda comparable al diámetro de una pequeña galaxia. Incluso las partículas menos pesadas estarían demasiado manchadas en el espacio y no podrían explicar por qué las galaxias no se desmoronan.
Sugerencias desde arriba
Mientras algunos experimentadores están preparando la próxima generación de dispositivos, con la intención de establecer contacto directo con la materia oscura, otros planean peinar los cielos en busca de señales indirectas de la misma.
Se cree que las galaxias y las estrellas crean enormes nubes de materia oscura que atraen gravitacionalmente la materia visible. Sin embargo, si hay pequeños cúmulos de materia oscura, no podrían hacer esto. Estos pequeños bultos estarían completamente oscuros, pero aún así desviarían la luz de las estrellas que pasaban. Un grupo de investigadores está buscando señales de esta "lente" de la luz de las estrellas por trozos de materia oscura en los datos del Telescopio Espacial Gaia , que actualmente está en funcionamiento .
"Las estructuras oscuras se mueven a través de nuestra galaxia", dijo Anna-Maria Taki., físico de la Universidad de Oregon, uno de los miembros de este grupo. "Cuando se mueven, distorsionan la ubicación, el movimiento y las trayectorias de las fuentes de luz".
Los resultados preliminares , publicados en septiembre, no mostraron la presencia de tales estructuras, cuya masa sería superior a los 100 millones de soles. Los investigadores esperan tener bases de datos más grandes donde se puedan encontrar nubes más pequeñas. Y según el tamaño y la forma de estas estructuras hipotéticas, los científicos ya podrán comprender cómo interactúan las partículas de materia oscura entre sí.
Otros investigadores han descubierto una forma de adaptar el catálogo de exoplanetas en rápido crecimiento para la búsqueda. "Hay miles de millones de estas cosas", dijo Rebecca Lin., físico de partículas del SLAC National Accelerator Laboratory, coautor de la propuesta de septiembre .
La idea es que un planeta que pase por la Vía Láctea pueda acumular materia oscura en su núcleo. Las partículas de esta materia oscura, aniquiladas con sus antipartículas, calientan el planeta. Los exoplanetas más cercanos al centro de la galaxia atraviesan cúmulos más densos de materia oscura, por lo que deberían brillar más en el rango infrarrojo. Lin y sus colegas calcularon que si el futuro telescopio espacial James Webb puede medir la temperatura de varios miles de exoplanetas, entonces en un conjunto de datos de este tipo será posible considerar signos de aniquilación de partículas de materia oscura, cuya masa está en el rango entre un electrón y un protón.
La materia oscura está en todas partes
Los Wimps pueden estar en declive, pero aún no se han abandonado por completo. El próximo mes de marzo, el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia lanzará un experimento con un tanque de xenón de 4 toneladas. El equipo Cosine-100 de Corea del Sur quiere probar una afirmación controvertida hecha por los participantes en otro experimento en Gran Sasso, DAMA. En este último, una serie de cristales de yoduro de sodio registró exactamente el tipo de cambios estacionales en los datos que deberían ocurrir cuando la Tierra coloca diferentes lados del “viento” de materia oscura a través del cual pasa. “Tienen una modulación anual, sin duda. ¿Pero de dónde viene? " Dijo Catherine Fries , astrofísica de la Universidad de Texas en Austin. "No podemos entender esto".
Los cálculos de Fries ayudaron a iniciar la era de la experimentación con WIMP. Ahora tiene nuevas ideas para encontrar estas partículas. En 2018, sugirió que los debiluchos podrían estar contenidos en rocas de varios kilómetros de profundidad, y recientemente se unió a una propuesta para excavarlos.
Muchos físicos esperan que la materia oscura sea apática y ubicua. Si pueden pensar en suficientes formas de sentir lo invisible, entonces su influencia invisible puede manifestarse en cualquier lugar. Estos métodos incluyen capturar diferentes tipos de detectores, distorsionar la luz de las estrellas, calentar los núcleos de los planetas e incluso acumular piedras.
"Cualquier cosa puede ser un detector de materia oscura", dijo Lin. "Solo necesitas ser lo suficientemente creativo para descubrir cómo usarlo".