Paul Sparks
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Aproximadamente el 80% de toda la materia del cosmos es de una forma completamente desconocida para la física actual. Lo llamamos materia oscura, porque lo mejor que podemos decir es ... oscuro. Los experimentos en todo el mundo están intentando capturar una partícula de materia oscura perdida con la esperanza de comprenderla, pero hasta ahora han resultado vacías..
Recientemente, un equipo de teóricos propuso una nueva forma de cazar materia oscura utilizando "partículas" extrañas llamadas magnones, un nombre que no me acabo de inventar. Estas pequeñas ondas podrían sacar incluso a una partícula de materia oscura ligera y fugaz de su escondite, dicen esos teóricos. [Las 11 preguntas más grandes sin respuesta sobre la materia oscura]
El rompecabezas de la materia oscura
Sabemos todo tipo de cosas sobre la materia oscura, con la notable excepción de lo que es.
Aunque no podemos detectarlo directamente, vemos la evidencia de materia oscura tan pronto como abrimos nuestros telescopios al universo más amplio. La primera revelación, allá por la década de 1930, llegó a través de observaciones de cúmulos de galaxias, algunas de las estructuras más grandes del universo. Las galaxias que las habitaban simplemente se movían demasiado rápido para mantenerse juntas como un cúmulo. Eso es porque la masa colectiva de las galaxias da el pegamento gravitacional que mantiene unido al cúmulo: cuanto mayor es la masa, más fuerte es ese pegamento. Un pegamento súper fuerte puede mantener unidas incluso las galaxias que se mueven más rápido. Un poco más rápido y el clúster simplemente se desgarraría.
Pero allí estaban los cúmulos, existiendo, con galaxias zumbando dentro de ellos mucho más rápido de lo que deberían dada la masa del cúmulo. Algo tenía suficiente agarre gravitacional para mantener unidos los grupos, pero ese algo no emitía ni interactuaba con la luz..
Este misterio persistió sin resolver a lo largo de las décadas, y en la década de 1970, la astrónoma Vera Rubin subió la apuesta a lo grande a través de observaciones de estrellas dentro de galaxias. Una vez más, las cosas se movían demasiado rápido: dada su masa observada, las galaxias de nuestro universo deberían haberse separado hace miles de millones de años. Algo los mantenía unidos. Algo invisible. [11 hechos fascinantes sobre nuestra Vía Láctea]
La historia se repite en todo el cosmos, tanto en el tiempo como en el espacio. Desde la luz más temprana del Big Bang hasta las estructuras más grandes del universo, algo funky está ahí fuera.
Buscando en la oscuridad
Entonces, la materia oscura está ahí, simplemente no podemos encontrar ninguna otra hipótesis viable para explicar el tsunami de datos que respaldan su existencia. ¿Pero, qué es esto? Nuestra mejor suposición es que la materia oscura es una especie de partícula nueva y exótica, hasta ahora desconocida para la física. En esta imagen, la materia oscura inunda todas las galaxias. De hecho, la parte visible de una galaxia, vista a través de estrellas y nubes de gas y polvo, es solo un pequeño faro frente a una costa mucho más grande y oscura. Cada galaxia se encuentra dentro de un gran "halo" formado por trillones y trillones de partículas de materia oscura..
Estas partículas de materia oscura están fluyendo por su habitación en este momento. Están fluyendo a través de ti. Una lluvia interminable de partículas diminutas e invisibles de materia oscura. Pero simplemente no los notas. No interactúan con la luz ni con partículas cargadas. Estás hecho de partículas cargadas y eres muy amigable con la luz; eres invisible para la materia oscura y la materia oscura es invisible para ti. La única forma en que "vemos" la materia oscura es a través de la fuerza gravitacional; la gravedad nota cada forma de materia y energía en el universo, oscura o no, así que en las escalas más grandes, observamos la influencia de la masa combinada de todas estas innumerables partículas. ¿Pero aquí en tu habitación? Nada.
A menos que, esperamos, haya alguna otra forma en que la materia oscura interactúe con la materia normal. Es posible que la partícula de materia oscura, sea lo que sea, también sienta la fuerza nuclear débil, que es responsable de la desintegración radiactiva, abriendo una nueva ventana a este reino oculto. Imagine construir un detector gigante, solo una gran masa de cualquier elemento que tenga a mano. Las partículas de materia oscura fluyen a través de él, casi todas completamente inofensivas. Pero a veces, con una rareza dependiendo del modelo particular de materia oscura, la partícula que pasa interactúa con uno de los núcleos atómicos de los elementos en el detector a través de la fuerza nuclear débil, sacándola de su lugar y haciendo que toda la masa del detector. carcaj.
Entra el magnon
Esta configuración experimental funciona solo si la partícula de materia oscura es relativamente pesada, lo que le da suficiente empuje para eliminar un núcleo en una de esas raras interacciones. Pero hasta ahora, ninguno de los detectores de materia oscura en todo el mundo ha visto ningún rastro de interacción, incluso después de años y años de búsqueda. A medida que los experimentos avanzan, las propiedades permitidas de la materia oscura se han ido descartando lentamente. Esto no es necesariamente algo malo; simplemente no sabemos de qué está hecha la materia oscura, así que cuanto más sepamos de lo que no es, más clara será la imagen de lo que podría ser.
Pero la falta de resultados puede ser un poco preocupante. Los candidatos más pesados para la materia oscura están siendo descartados, y si la partícula misteriosa es demasiado ligera, nunca se verá en los detectores, ya que están configurados en este momento. Es decir, a menos que haya otra forma en que la materia oscura pueda hablar con la materia normal..
En un artículo reciente publicado en la revista en línea preprint arXiv, los físicos detallan una configuración experimental propuesta que podría detectar una partícula de materia oscura en el acto de cambiar el giro de los electrones (si, de hecho, la materia oscura puede hacer eso). En esta configuración, la materia oscura se puede detectar potencialmente, incluso si la partícula sospechosa es muy ligera. Puede hacer esto creando los llamados magnones en el material..
Imagina que tienes un trozo de material a una temperatura de cero absoluto. Todos los giros, como diminutos imanes de barra, de todos los electrones en esa materia apuntarán en la misma dirección. A medida que aumenta lentamente la temperatura, algunos de los electrones comenzarán a despertarse, se moverán y apuntarán aleatoriamente sus giros en la dirección opuesta. Cuanto más suba la temperatura, más electrones terminan volteados, y cada uno de esos volteos reduce la fuerza magnética solo un poco. Cada uno de esos giros invertidos también causa una pequeña ondulación en la energía del material, y esos movimientos se pueden ver como una cuasipartícula, no como una verdadera partícula, sino como algo que se puede describir con matemáticas de esa manera. Estas cuasipartículas se conocen como "magnones", probablemente porque son como pequeños y bonitos imanes..
Entonces, si comienza con un material realmente frío, y suficientes partículas de materia oscura golpean el material y dan vueltas, observará magnones. Debido a la sensibilidad del experimento y la naturaleza de las interacciones, esta configuración puede detectar una partícula ligera de materia oscura..
Es decir, si existe.
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Paul M. Sutter es un astrofísico en La Universidad Estatal de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacial, y autor de Tu lugar en el universo.
Publicado originalmente el .