Mil millones de péndulos diminutos podrían detectar la masa perdida del universo

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han propuesto un novedoso método para encontrar la llamada materia oscura, el misterioso material del cosmos que ha eludido su detección durante décadas.

La materia oscura constituye alrededor del 27% del universo; la materia ordinaria, como la que construye estrellas y planetas, representa solo el 5% del cosmos. (Una misteriosa entidad llamada energía oscura representa el otro 68%).

Según los cosmólogos, toda la materia visible del universo está simplemente flotando en un vasto mar de materia oscura, partículas que son invisibles pero que sin embargo tienen masa y ejercen una fuerza gravitacional. La gravedad de la materia oscura proporcionaría el pegamento que faltaría para evitar que las galaxias se desintegren y explicaría cómo la materia se agrupó para formar el rico tapiz galáctico del universo.

El experimento propuesto, en el que mil millones de péndulos de tamaño milimétrico actuarían como sensores de materia oscura, sería el primero en buscarla únicamente a través de su interacción gravitatoria con la materia visible. El experimento sería uno de los pocos en buscar partículas de materia oscura con una masa tan grande como la de un grano de sal, una escala raramente explorada y nunca estudiada por sensores capaces de registrar fuerzas gravitacionales minúsculas.

Experimentos anteriores han buscado la materia oscura buscando signos no gravitacionales de interacciones entre las partículas invisibles y ciertos tipos de materia ordinaria. Ese ha sido el caso de las búsquedas de un tipo hipotético de materia oscura llamado WIMP (partículas masivas de interacción débil), que fue el principal candidato para la materia invisible durante más de dos décadas. Los físicos sospechaban que los WIMPs, al colisionar ocasionalmente con sustancias químicas en un detector, podrían emitir luz o expulsar carga eléctrica, y buscaron pruebas de ello.

Pero los investigadores que buscaban los WIMPs de esta manera han llegado con las manos vacías o han obtenido resultados no concluyentes; las partículas son demasiado ligeras (según la teoría, su masa oscila entre la de un electrón y la de un protón) para ser detectadas a través de su tirón gravitacional.

Con la búsqueda de los WIMPs aparentemente en sus últimas etapas, los investigadores del NIST y sus colegas están considerando ahora un método más directo para buscar partículas de materia oscura que tengan una masa más pesada y por lo tanto ejerzan una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para ser detectadas.

“Nuestra propuesta se basa puramente en el acoplamiento gravitacional, el único acoplamiento que sabemos con seguridad que existe entre la materia oscura y la materia luminosa ordinaria”, dijo el coautor del estudio Daniel Carney, un físico teórico afiliado conjuntamente con el NIST, el Instituto Cuántico Conjunto (JQI) y el Centro Conjunto de Información Cuántica y Ciencias Informáticas (QuICS) de la Universidad de Maryland en College Park, y el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi.

Los investigadores, entre los que también se encuentran Jacob Taylor del NIST, el JQI y el QuICS; Sohitri Ghosh del JQI y el QuICS; y Gordan Krnjaic del Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi, calculan que su método puede buscar partículas de materia oscura con una masa mínima de aproximadamente la mitad de la de un grano de sal. Los científicos informaron de sus hallazgos en la revista Physical Review D.

Debido a que la única incógnita del experimento es la masa de la partícula de materia oscura, y no cómo se acopla a la materia ordinaria, “si alguien construye el experimento que sugerimos, o bien encuentra la materia oscura o descarta todos los candidatos a materia oscura en una amplia gama de masas posibles”, dijo Carney. El experimento sería sensible a partículas que van desde aproximadamente 1/5.000 de un miligramo a unos pocos miligramos.

Esa escala de masa es particularmente interesante porque cubre la llamada masa de Planck, una cantidad de masa determinada únicamente por tres constantes fundamentales de la naturaleza y equivalente a aproximadamente 1/5.000 de un gramo.

Carney, Taylor y sus colegas proponen dos esquemas para su experimento de materia oscura gravitacional. Ambos implican diminutos dispositivos mecánicos de tamaño milimétrico que actúan como detectores gravitacionales exquisitamente sensibles. Los sensores se enfriarían a temperaturas justo por encima del cero absoluto para reducir al mínimo el ruido eléctrico relacionado con el calor y estar protegidos de los rayos cósmicos y otras fuentes de radiactividad. En un escenario, una miríada de péndulos altamente sensibles se desviarían ligeramente en respuesta al tirón de una partícula de materia oscura que pasara junto a ellos.

Dispositivos similares (con dimensiones mucho mayores) ya se han empleado en la reciente detección, ganadora del premio Nobel, de ondas gravitatorias, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo predichas por la teoría de la gravedad de Einstein. Los espejos cuidadosamente suspendidos, que actúan como péndulos, se mueven menos que la longitud de un átomo en respuesta al paso de una onda gravitacional.

Los investigadores calculan que se necesita un conjunto de unos mil millones de diminutos sensores mecánicos distribuidos en un metro cúbico para diferenciar una verdadera partícula de materia oscura de una partícula ordinaria o de señales eléctricas aleatorias espurias o de “ruido” que desencadenen una falsa alarma en los sensores. Las partículas subatómicas ordinarias como los neutrones (que interactúan a través de una fuerza no gravitacional) se detendrían en un solo detector. Por el contrario, los científicos esperan que una partícula de materia oscura, que pase por el conjunto como un asteroide en miniatura, sacudiría gravitacionalmente todos los detectores a su paso, uno tras otro.

El ruido provocaría que los detectores individuales se movieran de forma aleatoria e independiente en lugar de secuencial, como lo haría una partícula de materia oscura. Además, el movimiento coordinado de los mil millones de detectores revelaría la dirección en la que se dirigía la partícula de materia oscura al pasar por la matriz. (Fuente: NCYT Amazings)