La búsqueda de materia oscura se está expandiendo. Y se está volviendo pequeña.
Si bien la materia oscura abunda en el universo, es, con mucho, la forma más común de materia, representando alrededor del 85 por ciento del total del universo, también se esconde a simple vista. Todavía no sabemos de qué está hecha, aunque podemos presenciar su atracción gravitacional sobre la materia conocida.
Las teóricas partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP, han estado entre el elenco de posibles sospechosos que comprenden materia oscura, pero aún no han aparecido donde los científicos los esperaban.
Lanzando muchas redes pequeñas
Entonces, los científicos ahora están redoblando sus esfuerzos diseñando experimentos nuevos y ágiles que pueden buscar materia oscura en rangos de masa y energía de partículas previamente inexplorados, y utilizando métodos previamente no probados. El nuevo enfoque, en lugar de depender de unos pocos experimentos grandes '"redes" para tratar de atrapar un tipo de materia oscura, es similar a lanzar muchas redes más pequeñas con una malla mucho más fina.
La materia oscura podría ser mucho más "ligera" o más baja en masa y más ligera en energía de lo que se pensaba anteriormente. Podría estar compuesta de partículas ultraligeras teóricas en forma de onda conocidas como axiones. Podría estar poblada por un reino salvaje lleno de muchas especiesde partículas aún no descubiertas. Y puede que no esté compuesto de partículas en absoluto.
Momentum se ha estado construyendo para experimentos de materia oscura de baja masa, que podrían ampliar nuestra comprensión actual de la composición de la materia tal como se plasma en el Modelo Estándar de física de partículas, señaló Kathryn Zurek, científica sénior y física teórica del Departamento de EnergíaLawrence Berkeley National Laboratory Berkeley Lab.
Zurek, quien también está afiliado a UC Berkeley, ha sido pionero en proponer teorías de materia oscura de baja masa y posibles formas de detectarlo.
"¿Qué evidencia experimental tenemos para la física más allá del Modelo Estándar? La materia oscura es una de las mejores", dijo. "Existen estas ideas teóricas que han existido durante una década más o menos", agregó Zurek, yLos nuevos desarrollos tecnológicos, como los nuevos avances en sensores cuánticos y materiales detectores, también han ayudado a impulsar el impulso de nuevos experimentos.
"El campo ha madurado y florecido en la última década. Se ha convertido en la corriente principal, esto ya no es marginal", dijo. Las discusiones sobre la materia oscura de baja masa pasaron de pequeñas conferencias y talleres a un componente de la estrategia generalen busca de materia oscura.
Señaló que Berkeley Lab y UC Berkeley, con su especial experiencia en teorías de la materia oscura, experimentos y detectores de vanguardia e I + D objetivo, están preparados para tener un gran impacto en esta área emergente de la búsqueda de materia oscura.
Los aspectos destacados del informe deben buscar materia oscura "clara" de baja masa
La investigación relacionada con la materia oscura realizada por Zurek y otros investigadores de Berkeley Lab se destaca en un informe del DOE, "Necesidades básicas de investigación para nuevas iniciativas de proyectos pequeños de materia oscura", basado en un Taller de física de alta energía en materia oscura de octubre de 2018. Zurek y DanMcKinsey, científico senior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de física de UC Berkeley, fue co-líder en un panel de taller enfocado en técnicas de detección directa de materia oscura, y este panel contribuyó al informe.
El informe propone un enfoque en experimentos a pequeña escala, con costos de proyectos que van desde $ 2 millones a $ 15 millones, para buscar partículas de materia oscura que tengan una masa más pequeña que un protón. Los protones son partículas subatómicas dentro de cada núcleo atómico quecada uno pesa unas 1.850 veces más que un electrón.
Este nuevo esfuerzo de búsqueda de menor masa tendrá "el objetivo general de comprender finalmente la naturaleza de la materia oscura del universo", indica el informe.
En un esfuerzo relacionado, el Departamento de Energía de los Estados Unidos solicitó este año propuestas para nuevos experimentos de materia oscura, con una fecha límite del 30 de mayo, y Berkeley Lab participó en el proceso de la propuesta, dijo McKinsey.
Dijo que "Berkeley es una meca de la materia oscura", preparado para participar en esta búsqueda ampliada. McKinsey ha participado en grandes experimentos de detección directa de materia oscura, incluidos LUX y LUX-ZEPLIN, y también está trabajando en baja masatécnicas de detección de materia oscura.
3 prioridades en la búsqueda ampliada
El informe destaca tres direcciones de investigación prioritarias principales en la búsqueda de materia oscura de baja masa que "son necesarias para lograr una amplia sensibilidad y ... para alcanzar diferentes hitos clave" :
Este axión, si existe, también podría ayudar a explicar las propiedades asociadas con la fuerza fuerte del universo, que es responsable de mantener unida la mayor parte de la materia; por ejemplo, une las partículas en el núcleo de un átomo.
Las búsquedas de la forma tradicional de WIMP de materia oscura han aumentado su sensibilidad aproximadamente 1,000 veces en la última década.
los científicos de Berkeley están construyendo prototipos de experimentos
Los investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley al principio se centrarán en cristales de helio líquido y arseniuro de galio en la búsqueda de interacciones de partículas de materia oscura de baja masa en experimentos de laboratorio prototipo ahora en desarrollo en UC Berkeley.
"El desarrollo de materiales también es parte de la historia, y también está pensando en diferentes tipos de excitaciones" en los materiales de detección, dijo Zurek.
Además del helio líquido y el arseniuro de galio, los materiales que podrían usarse para detectar partículas de materia oscura son diversos ", y las estructuras en ellos le permitirán acoplar a diferentes candidatos de materia oscura", dijo.la diversidad es extremadamente importante "
El objetivo de estos experimentos, que se espera que comiencen en los próximos meses, es desarrollar la tecnología y las técnicas para que puedan ampliarse para experimentos subterráneos profundos en otros sitios que proporcionarán protección adicional contra la ducha naturaldel "ruido" de partículas que llueve del sol y otras fuentes.
McKinsey, quien está trabajando en los experimentos de prototipo en UC Berkeley, dijo que el experimento de helio líquido allí buscará cualquier signo de partículas de materia oscura que causen retroceso nuclear, un proceso a través del cual una interacción de partículas le da al núcleo de un átomo un ligerosacudida que los investigadores esperan que se pueda amplificar y detectar.
Uno de los experimentos busca medir excitaciones de interacciones de materia oscura que conducen a la evaporación medible de un solo átomo de helio.
"Si una partícula de materia oscura se dispersa en helio líquido, obtienes una gran cantidad de excitación", dijo McKinsey. "Podrías obtener millones de excitaciones en la superficie, obtienes una gran señal de calor".
Señaló que los átomos en helio líquido y los cristales de arseniuro de galio tienen propiedades que les permiten iluminarse o "centellear" en las interacciones de partículas. Los investigadores utilizarán primero detectores de luz más convencionales, conocidos como tubos fotomultiplicadores, y luego pasarán a másdetectores sensibles de próxima generación.
"Básicamente, durante el próximo año estudiaremos señales de luz y señales de calor", dijo McKinsey. "La relación de calor a luz nos dará una idea de qué es cada evento".
Estas investigaciones iniciales determinarán si las técnicas probadas pueden ser efectivas en la detección de materia oscura de baja masa en otros sitios que proporcionan un entorno con menos ruido. "Creemos que esto nos permitirá explorar umbrales de energía mucho más bajos", dijo.
Nuevas ideas habilitadas por la nueva tecnología
El informe también señala una amplia variedad de otros enfoques para la búsqueda de materia oscura de baja masa.
"Hay toneladas de tecnologías diferentes y geniales", incluso más allá de las cubiertas en el informe que están utilizando o proponiendo diferentes formas de encontrar materia oscura de baja masa, dijo McKinsey. Algunos de ellos dependen de la medición de una sola partículade luz, llamado fotón, mientras que otros dependen de señales de un solo núcleo atómico o un electrón, o una vibración colectiva muy leve en los átomos conocidos como un fonón.
En lugar de clasificar las propuestas existentes, el informe pretende "unir la justificación científica con las posibilidades y aspectos prácticos. Tenemos motivación porque tenemos ideas y tenemos la tecnología. Eso es lo emocionante".
Añadió, "La física es el arte de lo posible"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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