Se supone que los detectores deben estar en silencio. Enfriados hasta un punto del cero absoluto, protegidos en las profundidades del subsuelo y aislados de los rayos cósmicos, estos instrumentos ultrasensibles están diseñados para atrapar las partículas más esquivas del universo. Pero los investigadores de la Universidad Texas A&M han descubierto que los propios cristales no se callan. Siguen apareciendo ráfagas espontáneas de energía en los sustratos de silicio a granel, creando señales fantasmas que imitan exactamente lo que los científicos están buscando: materia oscura.
El fenómeno, detallado en Applied Physics Letters, se centra en fonones atérmicos, pequeños paquetes de energía vibratoria que el silicio libera sin ningún disparador externo. Estas explosiones envenenan los sensores superconductores, generando un ruido de fondo de baja energía que ha plagado experimentos como TESSERACT y SuperCDMS durante años. Lo que hace que esto sea particularmente frustrante es que la interferencia parece casi idéntica a la señal de una WIMP, o Partícula Masiva de Interacción Débil, uno de los principales candidatos a la materia oscura.
El ruido que no desaparece
El físico experimental de partículas Rupak Mahapatra, que dirige el trabajo, ha pasado décadas perfeccionando detectores criogénicos capaces de registrar interacciones que podrían ocurrir una vez por década. Su equipo monitoreó la eficiencia de la recolección de fonones durante varias semanas a medida que las temperaturas caían de 20 milikelvin a 6 milikelvin, muy por debajo de la temperatura de fondo de 2,7 Kelvin del propio espacio. Los estallidos persistieron. Incluso las perturbaciones mecánicas, algo tan mundano como golpear el refrigerador que alberga el detector, excitaron estrechos picos de resonancia en los datos.
El silicio parece relajarse o moverse internamente, posiblemente dentro de las películas de aluminio depositadas en su superficie o en la propia red cristalina. Estas liberaciones de energía localizadas crean un envenenamiento por cuasipartículas en los sensores, abrumando las débiles señales que los investigadores están buscando. Es como intentar escuchar un susurro en una habitación donde las paredes crujen y gimen al azar.
“La búsqueda necesita tecnologías de detección extremadamente sensibles y podría conducir a tecnologías que hoy ni siquiera podemos imaginar”, explica Mahapatra.
La materia oscura y la energía oscura juntas representan aproximadamente el 95% del universo, pero ninguna emite, absorbe ni refleja luz. Los científicos infieren su presencia a través de efectos gravitacionales: la materia oscura actúa como un andamio invisible que mantiene unidas a las galaxias, mientras que la energía oscura impulsa la expansión acelerada del universo. Mahapatra compara el desafío con describir un elefante tocando sólo su cola. La gravedad nos dice que existe algo masivo, pero la observación directa sigue fuera de nuestro alcance.
Cuando el instrumento se convierte en el experimento.
Identificar el ruido interno del silicio es un avance, aunque complique la búsqueda. Al comprender cómo se comportan mal los sustratos en condiciones de frío extremo, los investigadores pueden desarrollar materiales más limpios o mejores estrategias de protección. Mahapatra enfatizó en trabajos anteriores que ningún experimento por sí solo resolverá el rompecabezas de la materia oscura. La detección directa debe combinarse con búsquedas astrofísicas indirectas y aproximaciones basadas en colisionadores, compensando cada método los puntos ciegos de los demás.
El descubrimiento de la explosión de fonones puede tener implicaciones más amplias más allá de la cosmología. Las tecnologías desarrolladas para suprimir este ruido podrían encontrar aplicaciones en la computación cuántica, las imágenes médicas o cualquier campo que requiera mediciones en el límite de la sensibilidad física. Por ahora, sin embargo, la tarea inmediata es distinguir los susurros del universo de los propios murmullos de los detectores. Cuando finalmente se registra una interacción real de la materia oscura, los científicos deben estar absolutamente seguros de que no es sólo el silicio hablando consigo mismo.
Letras de Física Aplicada: 10.1063/5.0281876
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