Los investigadores sugieren reutilizar los sensores de mesa para buscar materia oscura

Los científicos están seguros de que existe materia oscura. Sin embargo, después de más de 50 años de búsqueda, todavía tenían evidencia directa de la misteriosa sustancia.

Swati Singh, de la Universidad de Delaware, se encuentra entre un pequeño grupo de investigadores de la comunidad de la materia oscura que comienzan a preguntarse si están buscando el tipo correcto de materia oscura.

«¿Qué pasa si la materia oscura es mucho más ligera de lo que buscan los experimentos tradicionales de física de partículas?» Said Singh, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática de la UD.

Ahora, Singh, Jack Manley, un estudiante de doctorado en la Universidad de DVD, y colaboradores de la Universidad de Arizona y Haverford College han propuesto una nueva forma de buscar partículas que puedan formar materia oscura reutilizando la tecnología existente de detección de tabletas. El equipo informó recientemente sobre su enfoque en un artículo publicado en Cartas de revisión física.

Los coautores del artículo son Dalziel Wilson, profesor asociado de ciencias ópticas de Arizona, Mitul Dey Chowdhury, estudiante de doctorado en el estado de Arizona y Daniel Grin, profesor asociado de física en Haverford College.

Nada es normal

Singh explicó que si recolecta todas las cosas que emiten luz, como estrellas, planetas y gas interestelar, solo representa alrededor del 15% de la materia en el universo. El otro 85% se conoce como materia oscura. No emite luz, pero los investigadores saben que existe a través de los efectos de la gravedad. También saben que no es materia ordinaria, como el gas, el polvo, las estrellas, los planetas y nosotros.

«Podría consistir en agujeros negros, o podría consistir en algo billones de veces más pequeño que un electrón, conocido como materia muy oscura», dijo Singh, una teórica cuántica conocida por sus esfuerzos pioneros para impulsar la materia oscura mecánica hacia adelante. revelar.

Una posibilidad es que la materia oscura esté compuesta de fotones oscuros, un tipo de materia oscura que ejercería una fuerza vibratoria débil sobre la materia ordinaria, haciendo que la partícula se mueva hacia adelante y hacia atrás. Sin embargo, debido a que la materia oscura es omnipresente, ejerce esta fuerza sobre todo, lo que hace que este movimiento sea difícil de medir.

Singh y sus colegas dijeron que creen que pueden superar este obstáculo utilizando acelerómetros mecánicos ópticos como sensores para detectar y amplificar esta oscilación.

«Si la fuerza depende del material, utilizando dos objetos hechos de diferentes materiales, la cantidad impuesta sobre ellos será diferente, lo que significa que podrás medir esta diferencia de aceleración entre los dos materiales», dijo Manley, presidente de el papel. autor.

Wilson, un experto en experimentos cuánticos y uno de los colaboradores del equipo de la UD, comparó un acelerómetro óptico-mecánico con un diapasón en miniatura. «Es un dispositivo vibratorio que, debido a su pequeño tamaño, es muy sensible a las perturbaciones ambientales», dijo.

Ahora, los investigadores propusieron un experimento utilizando una membrana hecha de nitruro de silicio y un espejo fijo de berilio para hacer rebotar la luz entre las dos superficies. Si la distancia entre los dos materiales cambiara, los investigadores sabrían por la luz reflejada que hay fotones oscuros porque el silicio y el nitruro de berilio tienen propiedades físicas diferentes.

La colaboración fue una parte clave del desarrollo del diseño de la experiencia, según Manley. Él y Singh (los teóricos) trabajaron con Wilson y Dai Choudhury (experimentadores) en los cálculos teóricos que se incluyeron en el plano detallado para construir el sensor de aceleración de sobremesa propuesto. Mientras tanto, el cosmólogo Green ayudó a arrojar luz sobre aspectos de la física de partículas de la materia oscura extremadamente clara, como por qué es tan liviana, por qué podría unirse a la materia de manera diferente y cómo podría producirse.

Como teórico, Manley dijo que la oportunidad de aprender más sobre cómo funcionan los dispositivos y cómo los experimentadores construyen cosas para demostrar que las teorías que él y Singh desarrollaron han profundizado su experiencia y al mismo tiempo han ampliado su exposición a posibles trayectorias profesionales.

Una gama de trabajo cada vez mayor

Lo más importante es que este último trabajo se basa en una investigación previamente publicada por los equipos colaboradores, que se informó el verano pasado en Cartas de revisión física. El documento, que incluyó contribuciones de un ex estudiante de posgrado de la Universidad de California, Russell Stamp, mostró que muchos dispositivos en la escala actual de laboratorio de rango cercano son lo suficientemente sensibles como para detectar o excluir partículas potenciales que podrían ser materia oscura muy clara.

La investigación informó que ciertos tipos de materia oscura extremadamente clara podrían unirse o aparearse con la materia natural de una manera que causaría un cambio cíclico en el tamaño de los átomos. Si bien puede ser difícil notar pequeñas fluctuaciones en el tamaño de un solo átomo, el efecto se amplifica en un objeto que consta de muchos átomos, y se puede lograr una mayor amplificación si ese objeto es acústicamente resonante. La colaboración evaluó el rendimiento de varios resonadores hechos de una variedad de materiales que van desde helio ultrafluido hasta zafiro monocristalino, y descubrió que estos sensores podrían usarse para detectar la señal de estrés causada por la materia oscura.

Ambos proyectos fueron apoyados en parte por la financiación de Singh de la National Science Foundation para explorar ideas emergentes sobre el uso de dispositivos cuánticos de última generación para descubrir fenómenos astrofísicos utilizando tecnologías de escritorio que son más pequeñas y menos costosas que otros métodos.

Juntos, dijo Singh, estos artículos amplían el trabajo sobre lo que se sabe sobre los posibles métodos para detectar la materia oscura y sugieren la posibilidad de una nueva generación de experimentos de sobremesa.

Singh y Manley también están trabajando con otros grupos experimentales para desarrollar sensores adicionales en la mesa para buscar esa materia oscura u otras señales astrofísicas débiles. También están desarrollando activamente debates más amplios sobre este tema en Materia oscura Y sociedades de sensores cuánticos.

Por ejemplo, Singh discutió recientemente los desarrollos de dispositivos de transformación en detectores de física de partículas en un taller hipotético organizado por el Comité de Coordinación CPAD del Departamento de Energía. Estos hallazgos también se presentaron en un taller especial durante la reunión de abril de la American Physical Society.

“Es un momento emocionante y estoy aprendiendo muchas preguntas que los científicos de diversos orígenes han hecho en estos talleres”, dijo Singh. «Pero vale la pena señalar que mis ideas de investigación más originales todavía provienen de preguntas hechas por estudiantes curiosos».