Los cazadores de materia oscura están buscando rocas en el interior de las rocas


En casi dos Docena de laboratorios subterráneos dispersos por toda la tierra, utilizando cubas de líquido o bloques de metal y semiconductores, los científicos están buscando evidencia de materia oscura. Sus experimentos se están volviendo más complicados y la búsqueda es más precisa, pero aparte de una señal muy controvertida proveniente de un laboratorio en Italia, nadie ha encontrado evidencia directa del material misterioso que se cree que representa el 84 por ciento del asunto. En el universo.

Un nuevo estudio sugiere que deberíamos mirar más profundamente.

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Historia original reproducida con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.

La materia oscura es diferente de la materia bariónica regular, lo que hace que las estrellas, las galaxias, los perros, los humanos y todo lo demás, en que no interactúa con nada excepto por la gravedad (y quizás la fuerza nuclear débil). No podemos verlo, pero los físicos casi están seguros de que está allí, esculpiendo galaxias y sus caminos a través del cosmos.

Durante muchas décadas, los candidatos a favor de las partículas de materia oscura han sido hipotéticamente tímidos llamados partículas masivas de interacción débil, o WIMP. Muchos experimentos los buscan al buscar evidencia de que un WIMP ha llegado y ha golpeado la materia habitual. En este escenario, un WIMP aprovecharía un núcleo atómico a través de la fuerza débil. El núcleo sobresaltado entonces retrocedería y emitiría alguna forma de energía, como un destello de luz o una onda de sonido. La detección de este tipo de fenómenos apenas perceptibles requiere instrumentos sensibles, generalmente enterrados a gran profundidad. Esto se debe principalmente a que los instrumentos están protegidos contra los rayos cósmicos, que también pueden causar retroceso de los núcleos.

Después de buscar estos pings débiles durante décadas, los científicos tienen poca evidencia para demostrarlo. Ahora, un equipo de físicos en Polonia, Suecia y los Estados Unidos tiene otra idea. No miren el germanio y el xenón y los centelleadores en detectores enterrados debajo de la corteza terrestre, argumentan: mire la corteza del planeta en sí. En el registro de rocas, donde las historias del pasado de nuestro sistema solar quedaron enterradas, podríamos encontrar el retroceso fosilizado de los núcleos atómicos sobresaltados, las huellas congeladas de un WIMP.

"Siempre estamos buscando formas alternativas de hacer las cosas", dijo Katherine Freese, física teórica de la Universidad de Michigan y arquitecta de las ideas detrás de algunos de los detectores existentes en funcionamiento.

Katherine Freese ha desarrollado una serie de ideas para detectores de materia oscura. Algunas de sus ideas se han convertido en experimentos.

Un paleo-detector subterráneo funcionaría de una manera similar a los métodos actuales de detección directa, según Freese y sus colegas. En vez de eso, equipar un laboratorio con un gran volumen de líquido o metal para observar los retrocesos de WIMP en tiempo real, buscarían rastros fósiles de WIMP que golpean los núcleos atómicos. A medida que los núcleos retroceden, dejarían huellas de daños en algunas clases de minerales.
Si el núcleo retrocede con suficiente vigor, y si los átomos perturbados se entierran profundamente en la tierra (para proteger la muestra de los rayos cósmicos que pueden enturbiar los datos), entonces se podría preservar la trayectoria de retroceso. Si es así, los investigadores pueden desenterrar la roca, quitar capas de tiempo y explorar el evento de hace mucho tiempo utilizando sofisticadas técnicas de nanoimagen como la microscopía de fuerza atómica. El resultado final sería una huella fósil: la contraparte de la materia oscura para encontrar la huella de un saurópodo cuando huía de un depredador.

Pequeños grifos

Hace unos cinco años, Freese comenzó a intercambiar ideas para nuevos tipos de detectores con Andrzej Drukier, un físico de la Universidad de Estocolmo que comenzó su carrera estudiando la detección de materia oscura antes de pasar a la biofísica. Una de sus ideas, diseñada junto con el biólogo George Church, involucró detectores de materia oscura basados ​​en el ADN y las reacciones de las enzimas.

En 2015, Drukier viajó a Novosibirsk, Rusia, para trabajar en un prototipo de detector biológico que se alojaría debajo de la superficie de la tierra. En Rusia, se enteró de los pozos perforados durante la Guerra Fría, algunos de los cuales alcanzan 12 kilómetros hacia abajo. Ningún rayo cósmico puede penetrar tan lejos. Drukier estaba intrigado.

Los detectores típicos de materia oscura son relativamente grandes y altamente sensibles a eventos repentinos. Llevan a cabo sus búsquedas durante varios años, pero en su mayoría están buscando grifos WIMP en tiempo real. Los minerales, aunque son relativamente pequeños y menos sensibles a las interacciones de WIMP, podrían representar una búsqueda que se prolonga durante cientos de millones de años.

"Estos trozos de roca, extraídos de los núcleos muy, muy profundos, son en realidad mil millones de años", dijo Drukier. “Cuanto más profundo vayas, más viejo es. Tan repentinamente no necesitas construir un detector. Tienes un detector, en el suelo.

La tierra plantea sus propios problemas. El planeta está lleno de uranio radiactivo, que produce neutrones a medida que se descompone. Esos neutrones también pueden derribar núcleos. Freese dijo que el documento inicial del equipo que describía los paleo-detectores no tenía en cuenta el ruido provocado por la descomposición del uranio, pero una serie de comentarios de otros científicos interesados ​​los hicieron regresar y revisar. El equipo pasó dos meses estudiando miles de minerales para comprender cuáles están aislados de la descomposición del uranio. Argumentan que los mejores paleo-detectores serían las evaporitas marinas (básicamente, sal de roca) o en rocas que contienen muy poca sílice, que se llaman rocas ultrabásicas. Además, buscan minerales que tengan una gran cantidad de hidrógeno, ya que el hidrógeno bloquea efectivamente los neutrones que provienen de la descomposición del uranio.

Halita, más comúnmente conocida como sal de roca, es una roca ultrabásica que podría usarse como un detector de materia oscura.

La búsqueda de retroceso fósil puede ser una buena forma de buscar WIMP de baja masa, dijo Tracy Slatyer, una física teórica del Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en la investigación.

"Estás buscando un núcleo saltando por aparentemente sin razón, pero tiene que saltar una cierta cantidad para que lo veas. "Si reboto una bola de ping-pong de una bola de bolos, no veremos que la bola de bolos se mueva mucho, o será mejor que puedas detectar cambios muy pequeños en el movimiento de tu bola de bolos", dijo. . "Esta es una nueva forma de hacer eso".

El experimento más difícil

El trabajo de campo involucrado no sería fácil. La investigación tendría que realizarse a gran profundidad, donde las muestras del núcleo se protegerían de la radiación cósmica y solar. Y se requeriría una nanoimagen del estado de la técnica para resolver la evidencia de los nudging de núcleos.
Incluso si los WIMP dejan una cicatriz observable, la principal preocupación de los paleo-detectores será garantizar que las huellas fósiles provengan realmente de partículas de materia oscura, dijo Slatyer. Los investigadores tendrán que dedicar mucho tiempo a convencerse de que los retrocesos no son el trabajo de neutrones, neutrinos del sol o algo más, dijo.

"Hacen un buen caso de que puedes ir bastante profundo para protegerte de los rayos cósmicos", dijo, "pero este no es un sistema controlado. Esto no es un laboratorio. Es posible que no conozcas muy bien la historia de estos depósitos de roca. Incluso si reclamara una señal de ello, tendría que hacer mucho más trabajo para estar realmente convencido de que no estaba viendo algún tipo de fondo ".

Drukier y Freese dijeron que la fuerza de los paleodetectores podría estar en números. Una roca contiene multitud de minerales, cada uno con núcleos atómicos que retrocederían de un WIMP merodeador de diferentes maneras. Por lo tanto, diferentes elementos servirían como detectores diferentes, todos envueltos en una muestra de núcleo. Esto permitiría a los experimentadores ver un espectro de retrocesos, corroborar su evidencia y potencialmente permitirles sacar conclusiones sobre la masa de WIMP, dijo Freese. En el futuro, un paleo-detector incluso podría proporcionar un registro WIMP a través del tiempo, al igual que el registro fósil permite a los paleontólogos reconstruir la historia de la vida en la Tierra.

Para Slatyer, el largo registro podría ofrecer una sonda única del halo de materia oscura de la Vía Láctea, la nube de material invisible que atraviesa la Tierra mientras el sistema solar hace su órbita de 250 millones de años alrededor del centro de la galaxia. Comprender cómo se distribuye el halo de materia oscura de la Vía Láctea podría proporcionar una visión de su comportamiento físico, dijo Slatyer. Incluso podría demostrar si la materia oscura interactúa consigo misma en formas que van más allá de la gravedad.

"Este es un lugar donde la teoría y los modelos aún se encuentran en un desarrollo muy activo", dijo.

Sin embargo, todavía está muy lejos de la realidad. Freese y Drukier dicen que un paleo-detector de prueba de principio primero tendría que demostrar que puede encontrar pistas de retroceso dejadas por partículas conocidas, como los neutrinos solares. Luego, deben probar que pueden aislar las rutas WIMP de estos retrocesos ordinarios.

"Es un gran cambio de perspectiva", dijo Drukier. “¿Encontraremos materia oscura? Llevo 35 años buscándolo. Este es probablemente el experimento más difícil del mundo, por lo que puede que no tengamos suerte. Pero es genial ".

Historia original reproducida con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.


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