En la búsqueda de la materia oscura

La materia oscura

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25 de Enero - Un equipo internacional de investigadores con participación clave del Grupo de Excelencia PRISMA+ de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y el Instituto Helmholtz de Mainz (HIM) ha publicado por primera vez datos completos sobre la búsqueda de materia oscura utilizando una red mundial de magnetómetros ópticos. Según los científicos, los campos de materia oscura deberían producir un patrón de señal característico que pueda detectarse mediante mediciones correlacionadas en múltiples estaciones de la red GNOME. El análisis de los datos de una operación GNOME continua de un mes aún no ha arrojado una indicación correspondiente. Sin embargo, la medición permite la formulación de restricciones sobre las características de la materia oscura, como informan los investigadores en la revista Nature Physics.

GNOME significa Red global de magnetómetros ópticos para búsquedas de física exótica. Detrás hay magnetómetros distribuidos por todo el mundo en Alemania, Serbia, Polonia, Israel, Corea del Sur, China, Australia y Estados Unidos. Con GNOME, los investigadores quieren avanzar particularmente en la búsqueda de materia oscura, uno de los desafíos más emocionantes de la física fundamental en el siglo XXI. Después de todo, se sabe desde hace tiempo que muchas observaciones astronómicas desconcertantes, como la velocidad de rotación de las estrellas en las galaxias o el espectro de la radiación cósmica de fondo, pueden explicarse mejor por la materia oscura.

"Las partículas bosónicas extremadamente ligeras se consideran uno de los candidatos más prometedores para la materia oscura en la actualidad. Estas incluyen las llamadas partículas similares a axiones, ALP para abreviar", dijo el profesor Dr. Dmitry Budker, profesor en PRISMA+ y en HIM, una colaboración institucional de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y el GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt. "También se pueden considerar como un campo clásico que oscila con una frecuencia determinada. Una peculiaridad de estos campos bosónicos es que, según un posible escenario teórico, pueden formar patrones y estructuras. Como resultado, la densidad de la materia oscura podría ser concentrados en muchas regiones diferentes: paredes de dominio discretas más pequeñas que una galaxia pero mucho más grandes que las que podría formar la Tierra, por ejemplo".

"Si un muro de este tipo se encuentra con la Tierra, la red GNOME lo detecta gradualmente y puede causar patrones de señal característicos transitorios en los magnetómetros", explicó el Dr. Arne Wickenbrock, uno de los coautores del estudio. "Aún más, las señales se correlacionan entre sí de cierta manera, dependiendo de qué tan rápido se mueva la pared y cuándo llegue a cada ubicación".

Mientras tanto, la red consta de 14 magnetómetros distribuidos en ocho países en todo el mundo. Nueve de ellos proporcionaron datos para el análisis actual. El principio de medición se basa en una interacción de la materia oscura con los espines nucleares de los átomos en el magnetómetro. Los átomos se excitan con un láser a una frecuencia específica, orientando los espines nucleares en una dirección. Un campo potencial de materia oscura puede perturbar esta dirección, que es medible.

Hablando en sentido figurado, uno puede imaginar que los átomos en el magnetómetro inicialmente bailan confundidos, como aclara Héctor Masia-Roig, estudiante de doctorado en el grupo Budker y también autor del presente estudio. "Cuando 'escuchan' la frecuencia correcta de la luz láser, todos giran juntos. Las partículas de materia oscura pueden desequilibrar los átomos que bailan. Podemos medir esta perturbación con mucha precisión". Ahora la red de magnetómetros se vuelve importante: cuando la Tierra se mueve a través de una pared espacialmente limitada de materia oscura, los átomos que bailan en todas las estaciones se perturban gradualmente. Una de estas estaciones está ubicada en un laboratorio en el Instituto Helmholtz en Maguncia. “Solo cuando hacemos coincidir las señales de todas las estaciones podemos evaluar qué provocó la perturbación”, dijo Masia-Roig. "Aplicado a la imagen de los átomos que bailan, esto significa: si comparamos los resultados de las mediciones de todas las estaciones, podemos decidir si fue solo un valiente bailarín que bailaba fuera de línea o en realidad una perturbación global de materia oscura".

En el estudio actual, el equipo de investigación analiza datos de una operación continua de un mes de GNOME. El resultado: no aparecieron señales estadísticamente significativas en el rango de masas investigado de un femtoelectronvoltio (feV) a 100 000 feV. Por el contrario, esto significa que los investigadores pueden reducir el rango en el que, teóricamente, tales señales podrían encontrarse incluso más que antes. Para escenarios que se basan en paredes discretas de materia oscura, este es un resultado importante, "aunque todavía no hemos podido detectar una pared de dominio de este tipo con nuestra búsqueda de anillo global", agregó Joseph Smiga, otro Ph.D. estudiante en Maguncia y autor del estudio.

El trabajo futuro de la colaboración de GNOME se centrará en mejorar tanto los magnetómetros como el análisis de datos. En particular, la operación continua debería ser aún más estable. Esto es importante para buscar de forma fiable señales que duren más de una hora. Además, los átomos alcalinos anteriores en los magnetómetros deben ser reemplazados por gases nobles. Bajo el título Advanced GNOME, los investigadores esperan que esto resulte en una sensibilidad considerablemente mejor para futuras mediciones en la búsqueda de ALP y materia oscura.



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