La búsqueda de materia oscura es intrigante. Es, literalmente, una bala en la oscuridad. Aunque los científicos están seguros de esto materia oscura Existe, dado que toda la materia normal del universo simplemente no puede explicar la forma en que las galaxias se mantienen unidas, no saben qué es. Tampoco saben realmente dónde está (aunque tienen algunas ideas). Ciertamente no saben lo que parece.
Sin embargo, la comunidad de físicos está interesada en investigar estas elusivas partículas porque el lado oscuro de nuestro universo representa un alarmante 95% de nuestro universo cuando se tiene en cuenta. energía oscurala fuerza invisible que acelera la expansión del espacio.
Pero, ¿cómo se analiza algo sin saber realmente qué analizar? Bueno, hay una manera. Aunque todavía no sabemos qué es la materia oscura, los científicos pueden descubrir poco a poco lo que no es.
Esto es exactamente lo que varios investigadores dedicados a la investigación han hecho recientemente al examinar los datos capturados por un detector enterrado en lo profundo de una mina en Minnesota. Aunque no han encontrado evidencia de materia oscura, dicen que han establecido uno de los límites más estrechos para detectar este fenómeno algún día. tenían un resumen completo de sus hallazgos publicado En junio en Revisión Física D.
«Se trata de mentalidad en la ciencia, donde un resultado nulo puede ser tan impactante como uno positivo», dijo a Space.com Daniel Jardine, coautor del estudio e investigador postdoctoral en la Universidad Northwestern. «Obviamente, fue genial encontrar materia oscura, pero pudimos cortar una nueva porción del espacio de parámetros de materia oscura».
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Estos últimos descubrimientos están relacionados con la colaboración Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), de la que Jardin es miembro.
En pocas palabras, el equipo concluyó que el detector SuperCDMS experimental ahora puede excluir partículas de materia oscura. hasta aproximadamente Aproximadamente una quinta parte de la masa de un protón, y posiblemente menos masas.
«Siempre me ha gustado perseguir lo desconocido, y esto es lo más grande que hay», dijo Jardine. “Estoy muy feliz de que mi carrera me haya llevado hasta aquí, y por breve que sea, siempre puedo decir que este resultado fue el mejor del mundo hasta que otras pruebas inevitablemente me alcancen”.
Espera, ¿qué es SuperCDMS?
Para capturar evidencia de partículas de materia oscura, la colaboración SuperCDMS está trabajando con un experimento también conocido como SuperCDMS.
Este experimento esencialmente aprovecha el poder de los detectores que pueden determinar si una partícula de materia oscura (sea lo que sea) choca con los núcleos atómicos de los materiales incrustados en los detectores, específicamente germanio o silicio.
«Me ha interesado el espacio desde que era pequeño porque hace que todo en la Tierra parezca tan pequeño e insignificante», dijo Jardine. «Luego aprendí sobre la materia oscura y no podía creer que todas las estrellas y galaxias y cosas que vemos en el cielo nocturno representan menos del 5% del universo».
Volviendo un poco más técnico, SuperCDMS puede determinar si estas partículas de materia oscura están involucradas en lo que se conoce como «colisiones elásticas». Si lo hicieran, lo que sucedería es que cualquier energía perdida por la partícula de materia oscura al romperse se transferiría al movimiento de los núcleos atómicos afectados. A su vez, los dos bits se recuperarán.
Sería como dos bolas de billar chocando entre sí solo para rebotar ligeramente hacia atrás sobre la mesa, dice el coautor del estudio Noah Korinsky, científico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
Pero aquí está la cosa.
Aparentemente, SuperCDMS aún no ha encontrado ninguna colisión elástica; según Jardin, ya nos habríamos enterado porque tal descubrimiento probablemente ganaría un Premio Nobel. Sin embargo, a este equipo de investigadores, incluido Rob Calkins, profesor asistente de investigación en la Universidad Metodista del Sur, se le ocurrió una pregunta intrigante.
¿Qué pasa si SuperCDMS detecta otro tipo de colisión que nadie ha estado buscando todo este tiempo? En particular, las colisiones inelásticas.
Dados estos nuevos hallazgos, definitivamente estaban en lo cierto.
«La búsqueda de colisiones elásticas sigue siendo un importante impulsor de SuperCDMS, pero observar las colisiones inelásticas ha abierto una vía para un espacio de parámetros de materia oscura al que el experimento no era sensible anteriormente», explicó Jardine.
Hay dos formas en que podría funcionar una posible colisión de materia oscura inelástica. El primero, según el equipo, tiene que ver con algo llamado Bremsstrahlung radiación. En el detector, si ocurriera este tipo de colisión inelástica, la partícula de materia oscura transferiría parte de su energía a una partícula de luz, o fotón, en lugar de simplemente rebotar como en el ejemplo de la bola de billar.
Aunque, por otro lado, una colisión inelástica puede ocurrir a través de algo llamado Efecto midgall. Si se produjera esta liberación, una partícula de materia oscura que golpeara el núcleo haría que el núcleo mismo saliera de su posición, alterando la distribución de la nube de electrones. Al regresar a su lugar original, algunos de esos electrones que fluyen serán expulsados.
A riesgo de simplificar demasiado, esto significa que el equipo estaba buscando señales SuperCDMS de un fotón volador o de un núcleo electrónico solitario.
«No fue tan fácil como contar», señaló Jardine. «Este análisis utilizó formas espectrales para modelar el perfil de potencia de la señal, así como varias fuentes de fondo conocidas».
Y después de todo eso, la búsqueda resultó vacía, pero la historia no terminó aquí.
Jardin continuó: «Luego usamos estadísticas para responder la pregunta: ¿Cuál es la probabilidad de que veamos la señal en el contexto conocido?» Esta pregunta se repite cientos de miles de veces y omitimos el espacio de parámetros donde se suponía que podíamos ver la señal y no pudimos.
Siempre hay un resquicio de esperanza
«Hay alrededor de mil millones de partículas de materia oscura que pasan a través de ti cada segundo, pero interactúan tan raramente que no puedes saberlo», dijo Jardine. «Estamos buscando una oportunidad de interacción de 1 en un billón de billones de billones de billones».
Aunque no se encontró este boleto dorado, salieron a la luz otras formas de tesoro.
Sobre todo, todos esos estudios estadísticos sobre las señales SuperCDMS terminaron brindando al equipo sus conclusiones sobre los posibles límites de baja masa para las partículas de materia oscura.
«Otro experimento de materia oscura que no era tan sensible a la masa de materia oscura tan bajo como SuperCDMS para colisiones elásticas publicó un análisis similar que amplió su alcance y aplanó el campo de juego. Al leer eso, nos preguntamos cuánto más bajo podríamos llegar si usáramos el mismo método”, dijo Jardine.
Además, explicó, el equipo también «agregó más al análisis, como estadísticas más complejas y la inclusión de interacciones con la Tierra».
si, la tierra
Quizás aún más impresionante es la forma en que el equipo tuvo en cuenta que todos TierraSu posición en el espacio puede influir en estas señales de materia oscura.
Como muestran, si la materia oscura interactúa lo suficientemente fuerte con las cosas, es probable que interactúe literalmente con todo lo que se encuentre en su camino hacia nuestros pequeños detectores subterráneos de la Tierra. Una de esas cosas que están maduras para la interacción es la atmósfera de nuestro planeta.
El equipo razonó que si una partícula de materia oscura interactuara con nuestra atmósfera, este escudo planetario habría absorbido parte de la energía de la partícula para cuando captemos su señal.
«Se cree que la materia oscura es más o menos omnipresente en una gran bola alrededor de la galaxia», dijo Jardine. Nuestro sistema solar está en un brazo espiral vía Láctea Es decir, la tierra gira alrededor del sol y la tierra gira sobre su propio eje. Este movimiento astronómico significa que la Tierra atraviesa un mar de partículas de materia oscura, pero desde nuestra perspectiva, las partículas de materia oscura parecen estar bombardeando constantemente la Tierra y nuestros detectores”.
Por lo tanto, los investigadores se dieron cuenta de que es probable que haya un límite superior de energía que estas partículas interactivas de materia oscura pueden atravesar, si son reactivas, claro.
Al modelar cosas como la densidad de la atmósfera terrestre, trabajar con geólogos para descubrir qué tipos de rocas hay sobre la mina de Minnesota donde está enterrado SuperCDMS y toneladas de otras variables, ya han descubierto el límite superior de energía de la materia oscura.
«Cuando ajustas una línea a algunos datos, hay dos parámetros: regresión e intercepción», dijo Jardine. «En este análisis, teníamos más de 50 criterios de ajuste simultáneamente».
En cuanto a lo que sigue, bueno, Jardine dice que esta deducción al estilo de Sherlock Holmes continuará. Y si se le ocurre algo de eso, enfatice una forma visual de ver los puntajes del equipo que pone todo en perspectiva.
«Este resultado, las líneas negras, deja fuera un nuevo espacio de parámetros al que otros no han accedido antes, pero hay mucho más espacio abierto a la izquierda, menos bloques hacia arriba y hacia abajo, lo que representa menos oportunidades para la interacción», dijo. . Estos son cada vez más difíciles de investigar, pero los físicos de la materia oscura son inteligentes.
Estos cazadores de materia oscura ciertamente alcanzaron las estrellas y lograron aterrizar suavemente en la luna.
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