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Estamos más cerca de descifrar los misterios de la materia oscura

Los físicos de la Universidad de Estocolmo y el Instituto Max Planck de Física han recurrido a los plasmas en una propuesta que podría revolucionar la búsqueda de la esquiva materia oscura.

The researchers propose a new instrument for searching dark matter axions using tunable plasmas.

The researchers propose a new instrument for searching dark matter axions using tunable plasmas. / Illustration: Alexander Millar / Stockholm University

EurekAlert | STOCKHOLM UNIVERSITY

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Read in english: Physicists have found a way to 'hear' dark matter

La materia oscura es una sustancia misteriosa que constituye el 85% de la materia en el universo. Originalmente presentado para explicar por qué la Fuerza Fuerte (que mantiene unidos protones y neutrones) es la misma hacia atrás y hacia adelante en el tiempo, el llamado axión proporcionaría una explicación natural para la materia oscura. En lugar de partículas discretas, la materia oscura del axión formaría una onda dominante que fluye por el espacio.

El axión es una de las mejores explicaciones para la materia oscura, pero solo recientemente ha sido el foco del esfuerzo experimental a gran escala. Debido a este renacimiento, ha habido un apuro por encontrar nuevas ideas sobre cómo buscar el axión en todas las áreas donde podría estar escondido.

"Encontrar el axión es un poco como sintonizar una radio: tienes que sintonizar tu antena hasta que obtengas la frecuencia correcta. En lugar de música, los experimentadores serían recompensados con 'escuchar' la materia oscura por la que viaja la Tierra. A pesar de estar bien motivados, los axiones han sido descuidados experimentalmente durante las tres décadas desde que fueron nombrados por el coautor Frank Wilczek ", dice el Dr. Alexander Millar, Postdoctor en el Departamento de Física, Universidad de Estocolmo, y autor del estudio.

La idea clave del nuevo estudio del equipo de investigación es que dentro de un campo magnético los axiones generarían un pequeño campo eléctrico que podría usarse para impulsar las oscilaciones en el plasma. Un plasma es un material donde las partículas cargadas, como los electrones, pueden fluir libremente como fluido. Estas oscilaciones amplifican la señal, lo que conduce a una mejor "radio axion".

A diferencia de los experimentos tradicionales basados en cavidades resonantes, casi no hay límite de cuán grandes pueden ser estos plasmas, dando así una señal más grande. La diferencia es algo así como la diferencia entre un walkie talkie y una torre de transmisión de radio.

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"Sin el plasma frío, los axiones no pueden convertirse eficientemente en luz. El plasma juega un doble papel, creando un ambiente que permite una conversión eficiente y proporcionando un plasmón resonante para recolectar la energía de la materia oscura convertida", dice el Dr. Matthew Lawson, Postdoctor en el Departamento de Física de la Universidad de Estocolmo, también autor del estudio.

"Esta es una forma totalmente nueva de buscar materia oscura, y nos ayudará a buscar uno de los candidatos más fuertes de materia oscura en áreas que están completamente inexploradas. Construir un plasma sintonizable nos permitiría hacer experimentos mucho más grandes que las técnicas tradicionales, dando señales mucho más fuertes a altas frecuencias ", dice el Dr. Alexander Millar.

Para sintonizar esta "radio axión", los autores proponen usar algo llamado "metamaterial de cable", un sistema de cables más delgado que el cabello que se puede mover para cambiar la frecuencia característica del plasma. Dentro de un imán grande y potente, similar a los utilizados en las máquinas de imágenes de resonancia magnética en hospitales, un metamaterial de alambre se convierte en una radio de axión muy sensible.

La búsqueda de materia oscura con plasmas no será solo una idea interesante. En estrecha colaboración con los investigadores, un grupo experimental en Berkeley ha estado investigando y desarrollando el concepto con la intención de construir un experimento de este tipo en el futuro cercano.

"Los haloscopios de plasma son una de las pocas ideas que podrían buscar axiones en este espacio de parámetros. El hecho de que la comunidad experimental se haya aferrado a esta idea tan rápidamente es muy emocionante y prometedor para construir un experimento a gran escala", dice el Dr. Alexander Millar

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