NeoFronteras

Nuevas propuestas de detectores de materia oscura

Área: Física — Domingo, 16 de octubre de 2016

Si las actualizaciones de los actuales detectores de materia oscura no consiguen detectar WIMPs quizás haya que plantearse la construcción de otros basados en nuevas ideas.

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Hay un gran problema en la Física moderna: no sabemos en qué consiste el 80% de la masa del Universo, la famosa materia oscura que no emite, ni absorbe, ni refleja la luz.

Hasta ahora se creía que la materia oscura estaba constituida por partículas débilmente interactuantes o WIMPs en sus siglas en ingles. Estas partículas tendrían una masa que podría estar entre la del protón o mil veces la del protón. Ello daría fácilmente cuenta de la masa “perdida”.

Si estas partículas estuvieran en la parte baja de esa horquilla de masas entonces se podrían generar en el LHC fácilmente, de otro modo sería complicado producirlas.

Pero si el 80% de la masa del Universo está hecho de estas partículas entonces nos deben de llover de cualquier dirección. Sólo hay que exponer un volumen de masa de materia normal que haga de blanco y esperar que una WIMP interaccione con una partícula de materia normal de ese blanco. Para ello hay que poner esa masa (nuestro detector) a salvo de los rayos cósmicos y otras formas de radiación en una mina profunda.

Así por ejemplo, el experimento LUX en Dakota del Sur estuvo explorando esta posibilidad con xenon líquido. Ya vimos en su día por NeoFronteras que los resultados fueron negativos. Igual suerte han corrido otros experimentos como CDMS.

Sin embargo, los equipos de científicos que llevan estos experimentos no se rinden y están actualizando estos experimentos o sustituyéndolos por otros para así tener mayor sensibilidad, básicamente aumentan la masa que hace de blanco. De este modo, LUX pasará a ser LUX-ZEPLIN, XENON100 en Italia pasará a ser XENON1T y CDMS de Minnesota pasará de Minnesota a Canadá y a llamarse SuperCDMS una vez mejorado.

Lo malo es que puede que ni así se llegue a detectar WIMPs si tales partículas no existen. Se han venido haciendo propuestas de diversos tipos de materia oscura a lo largo de los años (a los teóricos les sale gratis), pero hasta hora no habría propuestas serias para poder detectarlas. Recientemente se han propuesto dos métodos nuevos.

Kathryn Zurek lidera dos estudios en los que propone nuevas maneras en la que detectar la materia oscura, pero en las que la materia oscura no está constituida por WIMPs, sino por materia oscura asimétrica. Estas hipotéticas partículas interaccionarían con la materia ordinaria a través de una fuerza aún por descubrir. Serían partículas, pero mucho más ligeras que las WIMPs, por lo que deberían ser más abundantes para dar cuenta de la masa perdida.

En el primer método que propone se usaría un bloque de aluminio enfriado cerca del cero absoluto. A esa temperatura el aluminio es superconductor y en él se forman pares de Cooper, que son, precisamente, los que permiten esa superconducción y que están constituidos por dos electrones.

Según esta idea, una partícula de materia oscura podría interaccionar con un par de Cooper rompiéndolo y enviando vibraciones de red (fonones) a las paredes del bloque en donde estos fonones serían detectados por detectores de calor hipersensibles (transition edge sensors o TESs). Esta propuesta fue publicada en enero pasado.

El segundo método, que fue publicado el mes pasado, se basa en el uso de helio líquido superfluido, que también opera a temperatura cercana al cero absoluto. Este elemento se torna en un líquido sin viscosidad a esas temperaturas porque sus átomos pueden moverse entre ellos sin que haya resistencia mecánica alguna. Una partícula de materia oscura podría interaccionar con un núcleo de helio provocando una reacción en cadena que envíe vibraciones (fonones) a detectores TESs dispuestos convenientemente.

Estos métodos podrían detectar partículas de materia oscura con masas tan ligeras como 1 keV, que es la milésima parte de la masa de un protón. Normalmente los experimentos para detectar materia oscura están diseñados para detectar partículas de una masa bastante mayor de los 10 MeV. Incluso los nuevos diseños de detectores tradicionales a lo sumo llegarán a los 10 MeV, por lo que no podrán detectar partículas más ligeras que eso. Así que estos nuevos detectores serían complementarios.

Los nuevos métodos tienen el potencial de detectar partículas de materia oscura ligeras (si es que existen). Además, tecnológicamente no supone un gran desafío desarrollar estos nuevos detectores propuestos por Zurek. Tampoco serían muy costosos económicamente hablando. Pero habrá que desarrollar nuevos sistemas, como los que bloqueen todo tipo de ondas electromagnéticas, incluidas las de los teléfonos móviles. Lo de la mina profunda se da por sentado.

Hay que explorar las regiones de baja masa sin estudiar aún. Al fin y al cabo, seguro que los teóricos encuentran propuestas a partículas ligeras que sean matemáticamente consistentes.

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Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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5 Comentarios

  1. lluís:

    Y, si depués de todo la “materia oscura” no existe,¿qué?. Las teorías MOND (Dinámica Newtoniana Modificada) parecen estar un tanto desacreditas.¿Queda algo más? Y no obstante algo tiene que justificar, nada menos, que el 80% de la masa desconocida del universo.

    En cuanto a esos dos nuevos métodos, al primero le veo un gran inconveniente, la necesidad de hallar una nueva fuerza, que si bien se viene prediciendo desde hace largo tiempo, lo que es por ahora, ni por asomo. Estaría muy bien hallar una quinta fuerza, necesaria para algunas cuestiones teóricas, pero no parece que en el LHC, salga nada, desafortunadamente no aparecen rastros de una nueva física más allá del “Modelo Estándar”, tantas esperanzas que se tenía en ello; quizá sirva para descartar algunas ideas o quién sabe, aún queda un margen para la sopresa.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    La ciencia es una aventura, un viaje exploratorio. No se sabe qué es lo que te puedes encontrar.

  3. Miguel Ángel:

    Querido amigo Lluís:

    Que no exista la materia oscura, o que exista y no interactúe en absoluto con la materia ordinaria: en ambos casos, nos gastaríamos un dineral buscando un nuevo éter sin éxito. Pero de momento hay que intentarlo…además, siempre cabe la posibilidad de que no la encontremos pero hagamos otros hallazgos interesantes durante su búsqueda.
    Como bien dices, tampoco hemos hallado la quinta fuerza… http://neofronteras.com/?p=4943 …así que de momento tenemos que abordar su estudio con las 4 fuerzas que consideramos.
    Se ha propuesto que la materia oscura esté compuesta por átomos oscuros que emiten fotones oscuros.
    Otra propuesta que hay es buscar el resultado de la aniquilación entre partículas y antipartículas de materia oscura que se estima que deberían producir leptones y quarks pesados, y a partir de estos últimos, fotones gamma. Pero ni siquiera sabemos si las partículas de materia oscura interaccionan entre sí.
    Como dice Neo, una aventura muy interesante.
    Y un gran abrazo.
    Un fuerte abrazo.

  4. juan:

    Pero ese detector podría detectar fonones que nada tienen que no tienen porque haber sido producidos por la interacción con la materia oscura.

  5. Tomás:

    No sé, no sé, Querido Miguel. Una aventura muy negra: Energía oscura, materia oscura, átomos oscuros, fotones oscuros… Habrá que proveerse de una linterna muy potente: la ciencia y una crítica muy estricta, por lo que dice “juan”.

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