Pensar a pequeña escala: Nuevas ideas en la búsqueda de la materia oscura

Así, los investigadores de Caltech, dirigidos por Kathryn Zurek, profesor de física teórica, tienen la espalda se ha ido a la mesa de dibujo a pensar en nuevas ideas. Ellos han estado investigando la posibilidad de que la materia oscura está compuesta de partículas "del sector oculto", que son más ligeras que las partículas propuestos previamente, y podría, en teoría, se encuentran el uso de dispositivos de sobremesa pequeños y subterráneos. Por el contrario, los científicos están buscando candidatos a materia oscura más pesadas llamadas WIMPs (partículas masivas de interacción débil) mediante experimentos a gran escala, tales como el xenón, que se instala bajo tierra en un tanque de 70.000 galones de agua en Italia.

"Es la materia oscura siempre fluyendo a través de nosotros, incluso en esta sala", dice Zurek, quien propuso por primera vez partículas del sector ocultos hace más de una década. "A medida que avanzamos en torno al centro de la galaxia, este viento constante de la materia oscura en su mayoría pasa desapercibida. Sin embargo, todavía puede aprovechar esa fuente de materia oscura, y diseñar nuevas maneras de buscar interacciones raras entre el viento materia oscura y la detector."

En un nuevo artículo aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, los físicos describen cómo se pudieron detectar las partículas de materia oscura más ligero de peso a través de un tipo de cuasipartícula conocido como Magnon. A cuasipartícula es un fenómeno emergente que se produce cuando un sólido se comporta como si contiene de interacción débil partículas. Magnons son un tipo de cuasipartícula en el que espines de los electrones, los cuales actúan como pequeños imanes, son colectividad excitado. En la idea de los investigadores para un experimento de sobremesa, un material cristalizado magnética se utiliza para buscar signos de magnones excitados generados por la materia oscura.

"Si las partículas de materia oscura son más ligeros que el protón, se hace muy difícil de detectar su señal por medios convencionales", dice el autor del estudio Zhengkang (Kevin) Zhang, un investigador postdoctoral en Caltech. "Pero, de acuerdo con muchos modelos bien motivados, especialmente aquellos que involucran sectores ocultos, las partículas de materia oscura puede acoplar a los espines de los electrones, de tal manera que una vez que golpean el material, que inducirá excitaciones de espín, o magnones. Si reducimos el ruido de fondo mediante el enfriamiento del equipo y se mueve bajo tierra, lo que podría esperar para detectar magnones generados únicamente por la materia oscura y la materia ordinaria no ".

Tal experimento es sólo teórico en este punto pero con el tiempo puede tener lugar el uso de pequeños dispositivos alojados subterráneo, probablemente en una mina, donde las influencias externas de otras partículas, tales como aquellos en los rayos cósmicos, pueden reducirse al mínimo.

Un signo revelador de una detección de la materia oscura en los experimentos de sobremesa sería cambios en la señal que depende de la hora del día. Esto es debido al hecho de que los cristales magnéticos que serían utilizadas para detectar la materia oscura puede ser anisotrópico, lo que significa que los átomos están dispuestos de forma natural de tal manera que tienden a interactuar con la materia oscura más fuertemente cuando la materia oscura viene desde ciertas direcciones.

"Se mueve como tierra a través de la galáctico halo de materia oscura, se siente el viento materia oscura que sopla desde la dirección en la que el planeta se está moviendo. Detector A fija en un lugar determinado en tierra gira con el planeta, así que la materia oscura viento pega desde diferentes direcciones a diferentes momentos del día, por ejemplo, a veces desde arriba, a veces desde un lado," dice Zhang.

"Durante el día, por ejemplo, es posible que tenga una mayor tasa de detección cuando la materia oscura viene de arriba que de un lado. Si usted vio que, sería bastante espectacular y una muy fuerte indicio de que estaban viendo la materia oscura".

Los investigadores tienen otras ideas sobre cómo la materia oscura puede revelarse, además de a través magnones. Se han propuesto que las partículas de materia oscura más ligeros podrían ser detectados a través de fotones, así como con otro tipo de cuasipartícula llamado un fonón, que es causada por las vibraciones en una red cristalina. Los experimentos preliminares sobre la base de los fotones y fonones están llevando a cabo en la Universidad de Berkeley, donde el equipo se basó antes Zurek unirse a la facultad de Caltech en 2019. Los investigadores afirman que el uso de estas estrategias múltiples para tener en cuenta la materia oscura es crucial, ya que se complementan entre sí y ayudaría a confirmar los resultados de cada uno.

"Estamos investigando nuevas formas de buscar la materia oscura, ya que, teniendo en cuenta lo poco que sabemos sobre la materia oscura, vale la pena considerar todas las posibilidades", dice Zhang.

fuente: California Institute of Technology. "Thinking small: New ideas in the search for dark matter." ScienceDaily. ScienceDaily, 16 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200616155946.htm>.