Mil millones de péndulos podrían detectar la materia oscura

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Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y del Laboratorio Nacional Fermi, ambos de Estados Unidos, proponen un método novedoso para encontrar la materia oscura, el misterioso material del cosmos que ha eludido la detección durante décadas.

La materia oscura constituye aproximadamente el 27% del universo; la materia ordinaria, como la que construye estrellas y planetas, representa solo el 5% del cosmos. Una entidad misteriosa llamada energía oscura representa el otro 68%.

Según los cosmólogos, todo el material visible del universo está flotando en un vasto mar de materia oscura: partículas que son invisibles pero que tienen masa y ejercen una fuerza gravitacional.

La gravedad de la materia oscura proporcionaría el pegamento perdido que evita que las galaxias se desmoronen y explicaría cómo la materia se agrupa para formar el rico tapiz galáctico del universo. También podría ser la fuerza que permita su detección.

Minipéndulos

El experimento se basa en mil millones de péndulos mimimétricos que actuarían como sensores de materia oscura: sería el primer intento de buscar materia oscura únicamente a través de su interacción gravitacional con la materia visible.

El experimento sería también uno de los pocos en buscar partículas de materia oscura con una masa tan grande como la de un grano de sal, una escala raramente explorada y nunca estudiada por sensores capaces de registrar fuerzas gravitacionales tan pequeñas.

Experimentos anteriores han buscado la materia oscura buscando signos no gravitacionales de interacciones entre las partículas invisibles y ciertos tipos de materia ordinaria, sin resultados apreciables.

Los investigadores del NIST y Fermi proponen un método más directo para buscar aquellas partículas de materia oscura que, debido a su masa, ejercen una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para ser detectadas.

«Nuestra propuesta se basa exclusivamente en el acoplamiento gravitacional, el único acoplamiento que sabemos con certeza que existe entre la materia oscura y la materia luminosa ordinaria», explica el coautor del estudio Daniel Carney, en un comunicado.

 

La mitad de un grano de sal

Los investigadores calculan que su método puede buscar partículas de materia oscura con una masa mínima de aproximadamente la mitad de la masa de un grano de sal, o aproximadamente con mil millones de veces la masa de un protón. Los científicos lo explican en la revista Physical Review D.

El experimento sería sensible a partículas que van desde aproximadamente 1/5.000 de miligramo, hasta unos pocos miligramos.

Esa escala de masa es particularmente interesante porque cubre la llamada masa de Planck, una cantidad de masa determinada únicamente por tres constantes fundamentales de la naturaleza y equivalente a aproximadamente 1/5.000 de gramo, señalasn los investigadores.

Los pequeños dispositivos mecánicos de tamaño milimétrico que actúan como detectores gravitacionales exquisitamente sensibles se enfriarían a temperaturas justo por encima del cero absoluto para minimizar el ruido eléctrico relacionado con el calor, y se protegerían así de los rayos cósmicos y de otras fuentes de radiactividad.

Los investigadores calculan que se requiere una matriz de alrededor de mil millones de pequeños sensores mecánicos distribuidos en un metro cúbico para diferenciar una verdadera partícula de materia oscura de una partícula ordinaria o de señales eléctricas aleatorias espúreas o «ruido» que desencadenan una falsa alarma en los sensores.

Otras posibilidades

Gracias a la sensibilidad de los detectores individuales, los investigadores que emplean esta tecnología no necesitan limitarse al lado oscuro, destacan los investigadores.

Una versión a menor escala del mismo experimento podría detectar las fuerzas débiles de ondas sísmicas distantes, así como las del paso de partículas subatómicas ordinarias, como neutrinos y fotones individuales de baja energía (partículas de luz).

«Estamos estableciendo el ambicioso objetivo de construir un detector de materia oscura gravitacional, pero la I + D necesaria para lograrlo abriría la puerta a muchas otras mediciones de detección y metrología», concluye Carney.

Referencia

Proposal for gravitational direct detection of dark matter. Daniel Carney et al. Phys. Rev. D 102, 072003, 13 October 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.072003

 

Foto superior: Imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA: muestra la distribución de la materia oscura en el centro del cúmulo de galaxias gigantes Abell 1689, que contiene alrededor de 1.000 galaxias y billones de estrellas. NASA.
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