Un nuevo experimento diseñado para buscar en el cosmos su “materia” más misteriosa, la materia oscura, ha arrojado sus primeros resultados.
Si bien el Experimento de Reflector de Banda Ancha para la Detección de Axiones (BREAD) desarrollado por la Universidad de Chicago y el Fermilab del Departamento de Energía de EE.UU. no ha aparecido materia oscura partículas, los nuevos resultados imponen una restricción más estricta sobre el tipo de características que los científicos pueden esperar que tengan dichas partículas. El experimento BREAD en sí también proporcionó una nueva y emocionante receta que podría usarse en la búsqueda de materia oscura, una receta relativamente económica que no ocupa una gran cantidad de espacio.
BREAD adopta un enfoque de “banda ancha” para buscar Partículas hipotéticas de materia oscura. llamado “axiones“y asociado”fotones oscuros” a través de un conjunto más amplio de posibilidades que otros experimentos, aunque con una precisión ligeramente menor.
“Si lo piensas como una radio, la búsqueda de materia oscura es como sintonizar el dial para buscar una estación de radio en particular, excepto que hay un millón de frecuencias para verificar”, dijo el científico de la Universidad de Chicago y codirector del proyecto BREAD, David. Molinero dijo en un comunicado. “Nuestro método es como hacer una exploración exhaustiva de 100.000 emisoras de radio, en lugar de unas pocas.”
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Un pequeño experimento para abordar un gran problema
La materia oscura representa un gran problema para los científicos porque, a pesar de que constituye alrededor del 85% de la materia del universo y su influencia impide que las galaxias se separen mientras giran, no tenemos idea de de qué está hecha.
Eso es en parte porque la materia oscura es efectivamente invisible; no parece interactuar con la luz, ni emite ni refleja fotones estándar. Esa falta de interacción electromagnética sugiere que la materia oscura no está compuesta de protones, neutrones y electrones que componen objetos de “materia normal” como estrellas, planetas, lunas, nuestros cuerpos y el gato de al lado.
Aunque nuestros telescopios no pueden detectar la materia oscura directamente, ésta sí afecta a las estrellas, las galaxias e incluso la luz a través de sus interacciones con gravedad. De modo que los astrónomos pueden saber que hay algo allí, pero no saben qué es. Saber qué buscar y exactamente dónde buscar es un asunto diferente.
“Estamos muy seguros de que algo está ahí, pero hay muchas, muchas formas que podría adoptar”, dijo Miller.
Esta confusión ha llevado a los científicos a la caza de diferentes partículas con propiedades extrañas que podrían formar parte de la materia oscura. Uno de esos candidatos es el axión, una partícula hipotética con una masa extremadamente pequeña. Si existen axiones, pueden interactuar con el llamado fotón oscuro del mismo modo que la materia cotidiana interactúa con fotones “ordinarios”. En ocasiones, esta interacción podría provocar la creación de un fotón visible en determinadas circunstancias.
BREAD es una antena parabólica coaxial con forma de tubo metálico curvo que cabe en una mesa. El experimento está diseñado para capturar fotones y canalizarlos hacia un sensor en un extremo para buscar un subconjunto de posibles axiones.
En el experimento BREAD a gran escala, el equipo se ubicará dentro de un fuerte campo magnético, lo que, según el equipo, aumentará las posibilidades de conversión de axones en fotones. Como prueba de principio, el equipo realizó un experimento BREAD menos los imanes necesarios para generar este campo.
El experimento proto-BREAD se llevó a cabo en la Universidad de Chicago durante un mes y arrojó algunos datos interesantes, lo que despertó el apetito del equipo por el experimento a gran escala. Los resultados de la prueba mostraron que BREAD era muy sensible en el rango de frecuencias para las que el equipo lo había diseñado.
“Este es sólo el primer paso de una serie de emocionantes experimentos que estamos planeando”, dijo el codirector de BREAD e investigador del Fermilab, Andrew Sonnenschein. “Tenemos muchas ideas para mejorar la sensibilidad de nuestra búsqueda de axiones”.
La prueba también demostró que la física de partículas se puede hacer tanto en una mesa como en enormes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)que se extiende a 27 kilómetros (17 millas) de profundidad bajo la frontera entre Francia y Suiza.
“Este resultado es un hito para nuestro concepto, y demuestra por primera vez el poder de nuestro enfoque”, dijo Stefan Knirck, becario postdoctoral del Fermilab que dirigió el desarrollo y la construcción de BREAD. “Es fantástico hacer este tipo de ciencia creativa a escala de mesa, donde un pequeño equipo puede hacer de todo, desde construir el experimento hasta el análisis de datos, pero aún así tener un gran impacto en la física de partículas moderna”.
La siguiente etapa del experimento BREAD consistirá en transportar el aparato a las instalaciones magnéticas del Laboratorio Nacional Argonne. Además, instalaciones como el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, el MIT, Caltech y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA están trabajando en investigación y desarrollo con la Universidad de Chicago y Fermilab para futuras recetas del experimento BREAD.
“Todavía hay muchas cuestiones abiertas en la ciencia y un enorme espacio para nuevas ideas creativas para abordar esas cuestiones”, concluyó Miller. “Creo que este es un ejemplo realmente distintivo de ese tipo de ideas creativas; en este caso, asociaciones de colaboración impactantes entre ciencia de menor escala en las universidades y ciencia de mayor escala en laboratorios nacionales”.
La investigación del equipo se detalla en un artículo publicado a finales del mes pasado en la revista Cartas de revisión física.