La materia oscura sigue siendo ‘oscura’: los científicos están utilizando relojes atómicos para arrojar nueva luz

Las comparaciones de los relojes de luz en el PTB avanzan en la búsqueda para descubrir posibles interacciones entre la materia oscura muy ligera y los fotones.

Las observaciones en astronomía indican que hay «materia oscura», que es más del 80% de toda la materia. Según nuestro conocimiento actual, interactúa principalmente con la materia visible a través de fuerzas gravitatorias. En particular, no hay evidencia consistente de que interactúe con los fotones, las partículas fundamentales que también componen la luz. Esta falta de interactividad es la razón por la que se llama «oscuro». La composición de la materia oscura y cualquier posible interacción desconocida con la materia ordinaria siguen siendo misterios intrigantes.

Un enfoque teórico particularmente prometedor sugiere que la materia oscura podría estar compuesta de partículas muy ligeras y comportarse más como ondas que como partículas individuales: la llamada materia oscura «muy ligera». En este caso no detectado previamente, las interacciones débiles de la materia oscura con los fotones pueden dar lugar a pequeñas oscilaciones en la constante de estructura fina.

La constante de estructura fina es la constante natural que describe la fuerza de la interacción electromagnética. Define escalas de energía atómica y, por lo tanto, influye en las frecuencias de transición utilizadas como referencia en los relojes atómicos. Debido a que las diferentes transiciones son sensibles a los cambios potenciales en la constante en diversos grados, las comparaciones de relojes atómicos se pueden usar para buscar materia extremadamente oscura. Para este propósito, los investigadores de PTB ahora han utilizado un reloj atómico que es particularmente sensible a los cambios potenciales en la constante de estructura fina en dicha investigación.

Para este propósito, este reloj atómico sensible se comparó con otros dos relojes atómicos con sensibilidades más bajas en mediciones de meses. Los datos de medición resultantes se examinaron en busca de oscilaciones, la firma de la materia oscura clara. Dado que no hubo grandes oscilaciones, la materia oscura permaneció «oscura», incluso bajo un examen minucioso.

Por lo que la detección de la misteriosa materia oscura no se materializó. La falta de una señal permitió la determinación de nuevos límites superiores experimentales para la fuerza de acoplamiento potencial de la materia ligera con los fotones. Los límites anteriores se mejoran en más de un orden de magnitud a gran escala.

Al mismo tiempo, los investigadores también estudiaron si la constante de estructura fina podría cambiar con el tiempo, por ejemplo, aumentando o disminuyendo muy lentamente. No se detectó tal diferencia en los datos. Aquí, los límites actuales también se han ajustado, lo que indica que la constante permanece constante incluso durante largos períodos de tiempo.

A diferencia de las comparaciones de relojes anteriores, donde cada reloj atómico requería su propio sistema experimental, dos de los tres relojes atómicos se lograron en una sola configuración experimental en este trabajo. Para este propósito, se utilizaron dos frecuencias de transición diferentes para un solo ion atrapado: el ion se interrogó alternativamente sobre ambas fototransiciones. Este es un paso importante para hacer que las comparaciones de frecuencias ópticas sean más compactas y robustas, por ejemplo, para futuras búsquedas de materia oscura en el espacio.

Referencia: «Límites mejorados en el acoplamiento de la materia oscura bosónica ligera a los fotones a partir de comparaciones de relojes atómicos ópticos» por M. Felzinger, S. Lysedat N. HUNTIMAN, 22 de junio de 2023, disponible aquí. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.253001