Los físicos de la Universidad de Stanford han construido un artilugio que esperan que detecte la materia oscura, aunque exactamente qué partículas teóricas creen que encontrarán (fotones ocultos o pequeños puntos llamados axiones) sigue siendo un signo de interrogación.
Se cree que los fotones ocultos son muy similares a los fotones regulares, también conocidos como partículas de luz, excepto que tienen masa e interactúan mucho más débil con la materia ordinaria, de ahí su ocultación. Los axiones son un tipo de partícula subatómica (un bosón, para ser exactos) cuya existencia, si se prueba, podría resolver un problema de larga data con la forma en que los físicos entienden el universo.
La materia oscura ciertamente parece existir, ya que sus efectos gravitacionales se pueden ver en casi todas las galaxias. Pero si bien la materia oscura se puede observar indirectamente, nunca se ha detectado lo que sea que realmente la constituye, en parte o en su totalidad.
El culpable de la materia oscura no es necesariamente solo una cosa; puede haber varias razones por las que 27% del universo parece ser materia oscura. Los candidatos populares incluyen partículas masivas de interacción débil (WIMP) y los axiones mucho menos masivos, fotones ocultos (a veces llamados oscuros) y una clase de objetos conocidos como objetos de halo compactos masivos (MACHO). Los WIMP solían ser el candidato pionero para la materia oscura, pero numerosos experimentos elaborados configurados para detectarlos han arrojado “un montón de nada”, como Gizmodo informó en 2020.
“El axión, siempre es un poco complicado de explicar, pero hay un par de razones por las que los físicos generalmente están tan entusiasmados con él”, dijo a Gizmodo Peter Graham, físico teórico de la Universidad de Stanford, “una de las cuales es que se predijo por otras razones, pero luego me di cuenta de que, naturalmente, sería un buen candidato para la materia oscura “.
Llamado así por un detergente para ropa, los axiones no se describen en el modelo estándar de física de partículas, pero explicarían un problema frustrante en el campo: que algunas características predichas del neutrón no ocurren en la naturaleza. (Los físicos, como era de esperar, son grandes admiradores de la navaja de Occam: la idea de que la solución más simple es probablemente la correcta, sin necesidad de complicar demasiado las cosas). Pero para saber si los axiones de hecho están desencadenando ese comportamiento aberrante en los neutrones, los investigadores necesitan encontrar uno.
“Es la única manera realmente sólida de resolver este problema con el Modelo Estándar”, dijo a Gizmodo Kent Irwin, físico de la Universidad de Stanford e investigador principal de Dark Matter Radio. “Dejando a un lado la materia oscura, si el axión no existe, causaría verdaderos dolores de cabeza para el modelo estándar”.
El proyecto Dark Matter Radio intenta detectar fotones ocultos en un rango de frecuencia específico girando metódicamente el dial, en lo que equivale a un paciente, búsqueda de barrido de las longitudes de onda. donde tal partícula podría sonar. Las generaciones posterior es de la radio cazarán axiones.
En lo que respecta a las partículas subatómicas, algunas son solo muy pequeñas, mientras que otras lo son extraordinariamente. Algunos son lo suficientemente masivos como para ser detectados chocando contra otra materia con relativa facilidad, como las colisiones que ocurren en los colisionadores de partículas. Otras partículas se comportan de una manera tan elusiva que se detectan más fácilmente como ondas, debido a lo difusas que son en el espacio.
“[An axion] es tan ligero que la mecánica cuántica te dice que en realidad tiene que extenderse a una distancia muy grande ”, dijo Graham. “Puedes pensar en ello más como la onda de fondo, un fluido de fondo en el que estás sumergido”.
Si la materia oscura es al menos en parte axiones o fotones ocultos, entonces la materia fluye a través de ti y de mí en masa cada segundo. Me gusta neutrinos, las partículas teorizadas son simultáneamente omnipresentes en toda la materia ordinaria debido a su abundancia y prácticamente trascendente de ella debido a lo poco que interactúan con ella. Dispersas como se teoriza, las ondas axiónicas podrían tener desde unos pocos pies de ancho hasta campos de fútbol de ancho.
Es por eso que Dark Matter Radio está buscando partículas de materia oscura buscando su fondo, o una frecuencia específica en la que viajan, de manera similar a cómo una onda de radio determinada solo se puede captar en la frecuencia en la que se transmite. Esta radio en particular debe estar protegida de cualquier otro tipo de onda, por lo que se sumerge en un dewar de helio enfriado hasta justo por encima del cero absoluto. (Un dewar es básicamente un matraz de vacío, y en este caso una cuba, para mantener los materiales a una cierta temperatura, en este caso para mantener el helio muy frío).
El experimento actual de Dark Matter Radio es el prototipo, o Pathfinder, para proyectos más grandes en el futuro. Consiste en un cilindro de un litro de volumen hecho de metal niobio superconductor, alrededor del cual se enrolla un alambre de niobio firmemente. Se parece un poco a alguien que enrolla una cuerda de guitarra en el eje vertical de un carrete en lugar de en su eje horizontal. Ese es el inductor del Pathfinder. Si un fotón oculto que resuena a la frecuencia con la que se sintoniza el Pathfinder pasa a través de él, el cambio en el campo magnético induciría un voltaje alrededor del inductor del artilugio.
“La hipótesis nula es que no debería haber ondas de radio dentro de esa caja a menos que, en este caso, fotones ocultos, que son nuestro sabor particular de materia oscura”, dijo Stephen Kuenstner, físico de la Universidad de Stanford y miembro de el equipo de DM Radio. Los fotones ocultos “pueden pasar a través de la caja y tienen alguna probabilidad de interactuar con el circuito de la misma manera que lo haría una onda de radio”, dijo Kuenstner.
Para amplificar cualquier señal que capta el Pathfinder, hay un escudo hexagonal de placas de niobio que envuelven los componentes antes mencionados que actúa como un condensador. Esa señal amplificada luego se transporta a un sensor cuántico llamado SQUID (un dispositivo de interferencia cuántica superconductora), una tecnología inventada por Ford Motor Company en la década de 1960. El SQUID vive en la parte inferior de la radio y mide y registra cualquier señal captada.
Cuanto menor sea la masa esperada para el axión, más elusiva será la partícula, ya que sus interacciones con la materia ordinaria son proporcional a su masa. Por eso es importante que la próxima generación de DM Radio se vuelva más sensible. De la forma en que se configura el experimento, “la frecuencia en el dial es la masa del axión”, dijo Irwin. ¡Conveniente! La masa de estas partículas ni siquiera se compara con las cosas más pequeñas que puedas pensar, como átomos o quarks. Estas partículas estarían en algún lugar entre una billonésima y una millonésima de un electronvoltio, y un electronvoltio es aproximadamente una mil millonésima parte de la masa de un protón.
La habitación del Pathfinder es acogedora y se parece mucho a un laboratorio de física ordinario, excepto por la plataforma de aspecto amenazador que hunde al Pathfinder en el helio y los grandes tanques de gas helio que están encadenados a la pared en caso de terremotos. En 1989, Irwin era un estudiante de posgrado en Stanford, que trabajaba en los sótanos de la universidad cuando el terremoto de Loma Prieta de magnitud 6,9 sacudió el área, derribando extintores de las paredes. Es seguro decir que el laboratorio no se arriesga con el helio (aunque no es inflamable, el gas puede desplazar el oxígeno y causar asfixia).
El helio que utiliza Pathfinder es gaseoso y permanece relativamente cálido a 4 kelvin (en otras palabras, cuatro grados por encima del cero absoluto), pero el próximo experimento, Dark Matter Radio 50L, utilizará helio licuado, enfriado a menos de un grado por encima del cero absoluto. . Tanto mejor para escuchar la materia oscura.
DM Radio 50L se encuentra en la esquina de una gran sala en el Laboratorio de Física Experimental Hansen en Stanford. La habitación se parece un poco a la sala de televisión de la fábrica de Willy Wonka; tiene techos altos, una gran cantidad de equipo inescrutable y es de un blanco deslumbrante. Dos refrigeradores de dilución de 6 pies de alto en un lado, junto a un armario profundo, son la radio. Las dos máquinas se alimentan con helio gaseoso en tanques en la habitación contigua, que luego se enfrían en helio líquido de 2 kelvin fríos. Los imanes dentro de vainas de cobre y aluminio chapadas en oro harán el trabajo de convertir cualquier axión detectado en ondas de radio para que los físicos las interpreten.
“La comunidad de la física de partículas es, a menudo se dice la analogía, como un acorazado. Se necesita un tiempo para girar y tiene mucho impulso ”, dijo Irwin. “Entonces, aunque creo que hay muchas razones para creer que estas señales de materia oscura similares a las de la radio son más atractivas, las señales axiónicas, que las WIMP, todavía hay muchos experimentos gigantes que buscan pequeñas cosas, lo cual es bueno”.
Otros experimentos sobre la caza de axiones incluyen el ADMX experimento en la Universidad de Washington, el QISMET experimento en Fermilab, el ABRACADABRA experimento en el MIT, y el HAYSTAC buscar en Yale. DM Radio es similar a varios de estos, pero busca axiones en un rango diferente. En conjunto, el conjunto de búsquedas de axiones en los Estados Unidos y más allá están limitando las posibles masas del axión.
Dark Matter Radio en sí debería considerarse más como una familia de experimentos: el equipo está trabajando actualmente con el Departamento de Energía en un experimento de próxima generación que buscará axiones en un metro cúbico, de ahí su nombre de DM Radio-m³ . En un futuro más lejano, Irwin y su equipo tienen aspiraciones para un proyecto llamado DM Radio-GUT, que estaría más cerca de la escala de algunos de los experimentos de física más grandes del planeta.
En conjunto, los experimentos están despejando una amplia franja del rango más prometedor para la masa de axiones. En total, dijo Irwin, el área favorecida para la masa de axiones podría buscarse en las próximas dos décadas utilizando experimentos más grandes, aunque el equipo podría simplemente encontrar un axión antes de esa fecha, poniendo fin potencialmente a la búsqueda de materia oscura en su totalidad. Si escuchamos lo suficiente, podríamos tener una partícula completamente nueva para los libros de texto. O tal vez haya silencio de radio.
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