Uno de los mayores misterios de la ciencia podría estar a un paso de resolverse.
Aproximadamente el 80% de la materia del universo es oscura, lo que significa que no se puede ver. De hecho, la materia oscura nos atraviesa constantemente, posiblemente a una velocidad de billones de partículas por segundo.
Sabemos que existe porque podemos ver los efectos de su gravedad, pero los experimentos hasta la fecha no han logrado detectarla.
Aprovechando las tecnologías cuánticas más avanzadas, científicos de la Universidad de Lancaster, la Universidad de Oxford y Royal Holloway, Universidad de Londres, están construyendo los detectores de materia oscura más sensibles hasta la fecha.
Su exhibición pública titulada “Una visión cuántica del universo invisible” se presenta en la exposición científica de verano de la Royal Society de este año, del 2 al 7 de julio de 2024.
Los investigadores incluyen al Dr. Michael Thompson, el profesor Edward Laird, el Dr. Dmitry Zmeev y el Dr. Samuli Autti de Lancaster, la profesora Jocelyn Monroe de Oxford y el profesor Andrew Casey de RHUL.
El Dr. Autti, becario de EPSRC, dijo: “Estamos utilizando tecnologías cuánticas a temperaturas ultra bajas para construir los detectores más sensibles hasta la fecha. El objetivo es observar esta misteriosa materia directamente en el laboratorio y resolver uno de los mayores enigmas de la ciencia”.
Existe evidencia observacional indirecta de la densidad típica de materia oscura en la galaxia, pero se desconoce la masa de las partículas constituyentes y sus posibles interacciones con los átomos ordinarios.
La teoría de la física de partículas sugiere dos candidatos probables para la materia oscura: nuevas partículas con interacciones tan débiles que aún no las hemos observado y, partículas similares a ondas muy ligeras llamadas axiones. El equipo está construyendo dos experimentos, uno para buscar cada uno.
De los dos candidatos, las nuevas partículas con interacciones ultra débiles podrían detectarse a través de sus colisiones con la materia ordinaria. Sin embargo, si estas colisiones pueden identificarse en un experimento depende de la masa de la materia oscura que se busca. La mayoría de las búsquedas hasta ahora podrían detectar partículas de materia oscura que pesan entre cinco y 1000 veces más que un átomo de hidrógeno, pero es posible que se hayan pasado por alto candidatos de materia oscura mucho más ligeros.
El equipo de Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) tiene como objetivo alcanzar una sensibilidad líder en el mundo a las colisiones con candidatos de materia oscura con una masa entre 0,01 y unos pocos átomos de hidrógeno. Para lograrlo, el detector está hecho de helio-3 superfluido, enfriado a un estado cuántico macroscópico e instrumentado con amplificadores cuánticos superconductores. La combinación de estas dos tecnologías cuánticas crea la sensibilidad para medir firmas extremadamente débiles de colisiones de materia oscura.
Por el contrario, si la materia oscura está hecha de axiones, serán extremadamente ligeros, más de mil millones de veces más ligeros que un átomo de hidrógeno, pero correspondientemente más abundantes. Los científicos no podrían detectar colisiones con axiones, pero pueden buscar en su lugar otra firma: una señal eléctrica que resulta cuando los axiones decaen en un campo magnético. Este efecto solo se puede medir utilizando un amplificador exquisitamente sensible que funciona con la mayor precisión permitida por la mecánica cuántica. El equipo de Quantum Sensors for the Hidden Sector (QSHS) está, por lo tanto, desarrollando una nueva clase de amplificador cuántico que es perfectamente adecuado para buscar una señal de axiones.
El stand en la exposición de este año permitirá a los visitantes observar lo invisible con imaginativas exhibiciones prácticas para todas las edades.
Demostrando cómo inferimos la materia oscura al observar las galaxias, habrá un giroscopio en una caja que se mueve de maneras sorprendentes debido al momento angular invisible. También habrá canicas de vidrio que son transparentes en líquido, mostrando cómo las masas invisibles pueden observarse mediante experimentación inteligente.
Un refrigerador de dilución iluminado demostrará cómo el equipo logra temperaturas ultra bajas, y un modelo de detector de colisión de partículas de materia oscura mostrará cómo se comportaría nuestro universo si la materia oscura se comportara como la materia normal.
Los visitantes pueden luego buscar materia oscura con un modelo de detector de axiones escaneando la frecuencia de un receptor de radio, y también pueden crear su propio amplificador paramétrico utilizando un péndulo.
El cosmólogo Carlos Frenk, miembro de la Royal Society y presidente del Comité de Participación Pública, dijo: “La ciencia es vital para ayudarnos a comprender el mundo en el que vivimos, pasado, presente y futuro. Les insto a los visitantes de todas las edades a que asistan con una mente abierta, curiosidad y entusiasmo y celebremos los increíbles logros científicos que nos benefician a todos”.
La investigación en esta exhibición está respaldada por el programa UKRI Quantum Technologies for Fundamental Physics.
