28 de marzo de 2024 (Noticias de Nanowerk) Desde su descubrimiento, la materia oscura ha permanecido invisible para los científicos, a pesar de los múltiples experimentos con detectores de partículas ultrasensibles realizados en todo el mundo durante varias décadas. Ahora, los físicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía (DOE) están proponiendo una nueva forma de buscar materia oscura utilizando dispositivos cuánticos, que podrían sintonizarse naturalmente para detectar lo que los investigadores llaman materia oscura termalizada.
(Izquierda) La nueva propuesta de detección de materia oscura busca interacciones frecuentes entre los núcleos de un detector y la materia oscura de baja energía que puede estar presente dentro y alrededor de la Tierra. (Derecha) Un experimento de detección directa convencional busca retrocesos ocasionales debido a la dispersión de materia oscura. (Imagen: Anirban Das, Noah Kurinsky y Rebecca Leane) La mayoría de los experimentos sobre materia oscura buscan materia oscura galáctica, que se lanza a la Tierra directamente desde el espacio, pero otro tipo podría haber estado rondando la Tierra durante años, dijo la física de SLAC Rebecca Leane, quien fue un autor del nuevo estudio (Physical Review Letters, “Poder inducido por materia oscura en dispositivos cuánticos”).
"La materia oscura entra en la Tierra, rebota mucho y, finalmente, queda atrapada por el campo gravitacional de la Tierra", dijo Leane, llevándola a un equilibrio al que los científicos llaman termalizado. Con el tiempo, esta materia oscura termalizada alcanza una densidad más alta que las pocas partículas galácticas sueltas, lo que significa que podría ser más probable que golpee un detector. Desafortunadamente, la materia oscura termalizada se mueve mucho más lentamente que la materia oscura galáctica, lo que significa que impartiría mucha menos energía que la materia oscura galáctica, probablemente demasiado poca para que la vean los detectores tradicionales.
Con eso en mente, Leane y el becario postdoctoral de SLAC, Anirban Das, se acercaron a Noah Kurinsky, científico de SLAC y líder de un nuevo laboratorio centrado en detectar materia oscura con sensores cuánticos, que había estado pensando en un rompecabezas: incluso cuando los superconductores son enfriado al cero absoluto, eliminando toda la energía del sistema y creando un estado cuántico estable, de alguna manera la energía vuelve a entrar y altera el estado cuántico.
Por lo general, los científicos suponen que esto se debe a sistemas de enfriamiento imperfectos o alguna fuente de calor en el medio ambiente, dijo Kurinksy. Pero podría haber otra razón, dijo: "¿Qué pasa si en realidad tenemos un sistema perfectamente frío y la razón por la que no podemos enfriarlo de manera efectiva es porque está constantemente bombardeado por materia oscura?" Das, Kurinsky y Leane se preguntaron si los dispositivos cuánticos superconductores podrían rediseñarse como detectores termales de materia oscura. Según sus cálculos, la energía mínima necesaria para activar un sensor cuántico es lo suficientemente baja (alrededor de una milésima de un electrón voltio) como para poder detectar materia oscura galáctica de baja energía, así como partículas de materia oscura termalizadas que flotan alrededor de la Tierra.
Por supuesto, eso no significa que la materia oscura sea la culpable de la alteración de los dispositivos cuánticos, sólo que es posible. El siguiente paso, dijeron Leane y Kurinsky, es descubrir si y cómo pueden convertir dispositivos cuánticos sensibles en detectores de materia oscura.
Dicho esto, hay algunas cosas a considerar. Para empezar, tal vez exista un material mejor para fabricar el dispositivo. "Para empezar, estábamos analizando el aluminio, y eso se debe simplemente a que es probablemente el material mejor caracterizado que se ha utilizado para los detectores hasta ahora", dijo Leane. "Pero podría resultar que para el tipo de rango de masa que estamos analizando y el tipo de detector que queremos usar, tal vez haya un material mejor". También existe la posibilidad de que la materia oscura termalizada no interactúe con un dispositivo cuántico de la misma manera que se sospecha que la materia oscura galáctica interactúa con dispositivos de detección directa, dijo Leane. "En este estudio, estábamos pensando en un caso simple en el que la materia oscura entra y rebota directamente en el detector, pero podría hacer muchas otras cosas". Por ejemplo, otras partículas podrían interactuar con la materia oscura y cambiar la forma en que se distribuyen las partículas en el detector.
"Esta es una de las mejores cosas de estar en SLAC", dice Leane.
(Izquierda) La nueva propuesta de detección de materia oscura busca interacciones frecuentes entre los núcleos de un detector y la materia oscura de baja energía que puede estar presente dentro y alrededor de la Tierra. (Derecha) Un experimento de detección directa convencional busca retrocesos ocasionales debido a la dispersión de materia oscura. (Imagen: Anirban Das, Noah Kurinsky y Rebecca Leane) La mayoría de los experimentos sobre materia oscura buscan materia oscura galáctica, que se lanza a la Tierra directamente desde el espacio, pero otro tipo podría haber estado rondando la Tierra durante años, dijo la física de SLAC Rebecca Leane, quien fue un autor del nuevo estudio (Physical Review Letters, “Poder inducido por materia oscura en dispositivos cuánticos”).
"La materia oscura entra en la Tierra, rebota mucho y, finalmente, queda atrapada por el campo gravitacional de la Tierra", dijo Leane, llevándola a un equilibrio al que los científicos llaman termalizado. Con el tiempo, esta materia oscura termalizada alcanza una densidad más alta que las pocas partículas galácticas sueltas, lo que significa que podría ser más probable que golpee un detector. Desafortunadamente, la materia oscura termalizada se mueve mucho más lentamente que la materia oscura galáctica, lo que significa que impartiría mucha menos energía que la materia oscura galáctica, probablemente demasiado poca para que la vean los detectores tradicionales.
Con eso en mente, Leane y el becario postdoctoral de SLAC, Anirban Das, se acercaron a Noah Kurinsky, científico de SLAC y líder de un nuevo laboratorio centrado en detectar materia oscura con sensores cuánticos, que había estado pensando en un rompecabezas: incluso cuando los superconductores son enfriado al cero absoluto, eliminando toda la energía del sistema y creando un estado cuántico estable, de alguna manera la energía vuelve a entrar y altera el estado cuántico.
Por lo general, los científicos suponen que esto se debe a sistemas de enfriamiento imperfectos o alguna fuente de calor en el medio ambiente, dijo Kurinksy. Pero podría haber otra razón, dijo: "¿Qué pasa si en realidad tenemos un sistema perfectamente frío y la razón por la que no podemos enfriarlo de manera efectiva es porque está constantemente bombardeado por materia oscura?" Das, Kurinsky y Leane se preguntaron si los dispositivos cuánticos superconductores podrían rediseñarse como detectores termales de materia oscura. Según sus cálculos, la energía mínima necesaria para activar un sensor cuántico es lo suficientemente baja (alrededor de una milésima de un electrón voltio) como para poder detectar materia oscura galáctica de baja energía, así como partículas de materia oscura termalizadas que flotan alrededor de la Tierra.
Por supuesto, eso no significa que la materia oscura sea la culpable de la alteración de los dispositivos cuánticos, sólo que es posible. El siguiente paso, dijeron Leane y Kurinsky, es descubrir si y cómo pueden convertir dispositivos cuánticos sensibles en detectores de materia oscura.
Dicho esto, hay algunas cosas a considerar. Para empezar, tal vez exista un material mejor para fabricar el dispositivo. "Para empezar, estábamos analizando el aluminio, y eso se debe simplemente a que es probablemente el material mejor caracterizado que se ha utilizado para los detectores hasta ahora", dijo Leane. "Pero podría resultar que para el tipo de rango de masa que estamos analizando y el tipo de detector que queremos usar, tal vez haya un material mejor". También existe la posibilidad de que la materia oscura termalizada no interactúe con un dispositivo cuántico de la misma manera que se sospecha que la materia oscura galáctica interactúa con dispositivos de detección directa, dijo Leane. "En este estudio, estábamos pensando en un caso simple en el que la materia oscura entra y rebota directamente en el detector, pero podría hacer muchas otras cosas". Por ejemplo, otras partículas podrían interactuar con la materia oscura y cambiar la forma en que se distribuyen las partículas en el detector.
"Esta es una de las mejores cosas de estar en SLAC", dice Leane.
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