Ciencia e innovación

El dispositivo que busca desentrañar el misterio de la materia oscura

Una partícula que se considera que es prácticamente invisible podría resolver dos rompecabezas cósmicos a la vez. ¿Esta máquina la encontrará?miércoles, 10 de octubre de 2018

Por Michael Greshko
Fotografías de Tony Luong

En otra instalación modesta en el norte de Seattle, un enredo de tubos y cables sobreenfriados está listo para rehacer el mundo. Cubierto con helio líquido, el interior del dispositivo se encuentra a menos de una décima de grado por encima del cero absoluto, la temperatura más fría posible. Dentro de la cavidad frígida, cuidadosamente protegida del ruido, la radiación de microondas puede resonar como las ondas de sonido en una campana, buscando pistas de partículas que zumban a través de eso, en todos los demás contextos, serían invisibles.

Conozca el experimento de materia oscura del Axión , o el ADMX: el instrumento científico más sensible de su tipo que se haya construido. Si el ADMX confirma la existencia de su presa, una partícula teórica llamada axión, podría finalmente explicar el enorme misterio cósmico de la materia oscura.

El ingeniero de investigación Nick Force hace el mantenimiento de rutina con nitrógeno líquido en el laboratorio, utilizando guantes en sus manos por seguridad.

Los científicos han estado buscando esta sustancia extraña durante décadas, cuando las observaciones del universo revelaron que toda la materia visible que vemos está en realidad sobrepasada en número de seis a uno por cosas misteriosas e inertes que solo podemos detectar a través de su tirón gravitacional. A diferencia de la materia normal, aún no sabemos de qué está hecha la materia oscura. Así que, al igual que los Cazafantasmas que rastrean un espectro molesto, los científicos están usando las mejores teorías sobre la materia oscura para construir detectores elaborados, tratando de atrapar al espectro por cualquier destello que deje atrás.

El ADMX lleva más de 30 años en elaboración. Le tomó tanto tiempo a este tipo de detector alcanzar la sensibilidad que los científicos creen que lo necesitan para atrapar al axión.

"El ingenio y la astucia que se necesita para diseñar y construir estos experimentos es simplemente fantástico para mí, y eso no es tan importante", dice la física de la Universidad de Stanford, Helen Quinn, cuyas teorías sentaron las bases para el axión en la década de 1970. "Esta es una increíble pieza de trabajo experimental".

Nick Force trabaja con el imán principal de ADMX, que produce un campo que es aproximadamente 150.000 veces más fuerte que el de la Tierra.

Buscando en la oscuridad

Durante décadas, los principales candidatos para la materia oscura fueron cosas antisociales llamadas partículas masivas de interacción débil, o WIMP, para abreviar. Algunas teorías no solo predijeron estas partículas adicionales, sino que también tenían las propiedades correctas que uno esperaría que tuviera la materia oscura, una coincidencia llamada el "milagro WIMP". Además, las WIMP podrían probarse plausiblemente con tecnología que ya entendíamos, como los colectores de partículas y los detectores de neutrinos.

A pesar de la atracción de las WIMP, las búsquedas hasta ahora han quedado sin contenido. El silencio es desconcertante, hasta el punto de que algunos investigadores están pidiendo una nueva era en la búsqueda de materia oscura.

Un medidor que muestra las presiones y otras medidas del imán en el laboratorio. El experimento ADMX G2 es una de las búsquedas de materia oscura del Departamento de Energía de los EE. UU. y el único que busca axiones. El experimento consiste en un imán grande, una cavidad de microondas y una electrónica cuántica ultra-sensible de bajo ruido.

"No quiero tocar a las [WIMP] en ​​absoluto: Necesitamos seguir investigando ese paradigma, porque aún no lo hemos agotado ", dice Jodi Cooley, física de la Southern Methodist University y principal investigadora del detector de materia oscura SuperCDMS. "Pero mientras seguimos investigando, deberíamos estar buscando nuevas ideas".

Entra en el axión, la partícula ADMX está cazando.

El rol de axión como un candidato de materia oscura se produjo casi por accidente, mientras los científicos buscaban explicar una curiosa asimetría en el cosmos. Se ha teorizado que el universo primitivo ha generado exactamente las mismas cantidades de materia y antimateria, dos tipos de partículas por igual excepto por su carga eléctrica. Las dos sustancias se aniquilan mutuamente al contacto, pero todos estamos aquí, lo que significa que la materia normal debe jugarse con reglas ligeramente diferentes, dejando que una fracción de ella sobreviva a su bizarro gemelo.

Le debemos nuestra existencia a este desequilibrio, que se llama violación CP. En 1977, Quinn y Roberto Peccei propusieron una teoría sobre la violación de PC que dio lugar a una sorpresa adicional: En estudios de seguimiento publicados una semana después, los físicos Frank Wilczek y Steven Weinberg demostraron que la teoría también contaría con un nuevo tipo de partícula elemental. Llamaron a esta patita teórica el axión.

"La idea surge de la teoría de Peccei-Quinn, pero Peccei y Quinn no lo notaron", bromea Quinn. "Si soy la madre del axión, el axión es un expósito".

La señal del IMÁN en el laboratorio de ADMX. El ADMX es un haloscopio de axiones, que utiliza un fuerte campo magnético para convertir los axiones de materia oscura en detectables a fotones de microondas.

Y si el axión existe, podría ser la partícula de materia oscura largamente buscada. Por la forma en que se habrían formado teóricamente los axiones en el universo temprano, habrían sido muy fríos, lo que significa que las regiones más densas de los axiones no se disiparían como el humo. Esto habría comprado a la gravedad el tiempo suficiente para trabajar su magia atractiva. Como la gravedad hizo que las nubes de los axiones fueran aún más densas, podrían haber actuado como andamios gravitacionales para la materia normal, a pesar de la pequeñez de cada uno de los axiones. De esta manera, los axiones habrían sembrado las primeras galaxias, eventualmente produciendo estrellas, planetas y personas.

"La razón por la que [los axiones son] tan atractivos es que no se postularon para resolver el problema de la materia oscura", dice Renée Hložek , cosmóloga de la Universidad de Toronto que estudia la materia oscura del axión. "Nos gusta cuando se trata de comprar uno y obtener uno gratis".

Nick Force, ingeniero investigador, hace mantenimiento de rutina con nitrógeno líquido.  

Viendo lo invisible

Aunque tanto los axiones como las WIMP tienen elegantes teorías que las sustentan, los axiones se mantuvieron durante mucho tiempo como un indefenso de materia oscura. Esta diferencia fue, en parte, práctica. Si el axión realmente existe, los físicos no estaban seguros al principio si alguna vez podría ser detectado.

Por un lado, la teoría dice que los axiones serán absurdamente livianos. Si tuviera tantos axiones como granos de arena en la Tierra, su masa combinada podría ser igual a la millonésima parte de una mil millonésima parte de un solo grano de arena. Además, fuera de la gravedad, se predice que los axiones apenas interactúan con la materia normal.

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Entonces, ¿cómo podríamos encontrar el axión y mucho más entenderlo? En 1983, el físico Pierre Sikivie de la Universidad de Florida expuso un innovador plan de juego para encontrarlos en la Tierra, asumiendo que los axiones forman el halo de la materia oscura teorizado para rodear nuestra galaxia.

En un campo magnético fuerte, estos axiones deben convertirse en radiación de microondas, con una frecuencia que depende de la masa del axión. Para detectar esta radiación, Sikivie sugirió construir una cámara subenfriada dentro de un campo magnético fuerte, donde estas microondas pudieran resonar. Los investigadores podrían entonces ajustar esta frecuencia de resonancia, como girar el dial en una radio.

En teoría, si los físicos eligieran la frecuencia correcta, las microondas generadas por los axiones que vuelan a través de la cámara resonarían, produciendo un destello diminuto y detectable. "Es muy difícil de detectar, pero no es imposible", dice Sikivie. "El [ADMX] probablemente lo detectará, de hecho, en mi opinión, si la gente puede tener la resistencia, la perseverancia".

Varias herramientas y suministros en la sala limpia del laboratorio.  

Paso por paso

En 1987, el Laboratorio Nacional de Brookhaven activó el primer "haloscopio del axion" y pronto, Sikivie ayudó a construir el segundo. Pero estos detectores tempranos lucharon para cancelar el ruido de fondo. La tecnología simplemente no estaba allí todavía.

Ahora, después de más de dos décadas, el ADMX va a donde ningún otro detector ha ido antes. En un artículo de abril de 2018 en Physical Review Letters, sus constructores anunciaron que el dispositivo era lo suficientemente sensible como para sondear directamente las masas más acertadas del axion, la primera máquina en hacerlo. Colocado en otro planeta, el ADMX sería tan sensible que podría recoger el servicio celular de la Tierra.

"Podríamos obtener fácilmente cuatro barras en Marte con su teléfono celular: fácil, sin problemas", dice la física de la Universidad de Washington Leslie Rosenberg , la científica líder de ADMX. Rosenberg ha dedicado toda su vida al ADMX, viviendo cerca, en caso de que funcione mal y necesite reparación. No se ha tomado una semana de vacaciones en 28 años.

"Soy como un caballo de carreras que ve la línea meta", dice. “Ha sido duro, me ha desgastado, [pero] por otro lado, casi puedo verlos, casi puedo ver estos axiones. Eso es lo que me hace seguir ".

Leslie Rosenberg (derecha) le habla al equipo al final del día.

Día a día, la búsqueda de Rosenberg se desarrolla en una pantalla de computadora. Los equipos rotativos monitorean el instrumento de forma remota, ya que la cavidad central de ADMX cambia automáticamente su frecuencia de resonancia cada cien segundos y escucha el leve destello de los axiones. El instrumento zumba a lo largo de 24-7 durante nueve meses a la vez. A este ritmo, el ADMX tardará unos cinco años en escanear todo el rango para el que está diseñado.

Si el ADMX ocurre en la frecuencia correcta, los investigadores lo sabrán rápidamente. Esta es una de las mejores características de la caza del axión: es obscenamente difícil encontrar la señal, pero una vez que lo haces, hay suficientes datos para confirmar que el hallazgo se acumula en unos días.

"Una vez que encuentras una aguja en un pajar, está bastante claro que es una aguja en lugar de un trozo de paja", dice Sikivie.

Cuando vean la señal, los investigadores estarán bien preparados; constantemente hacen ejercicios. Para mantener al resto del equipo alerta, algunos investigadores del ADMX pueden enviar secretamente señales artificiales al detector, solo para revelarlas más tarde.

"Hemos pasado de tener una pequeña posibilidad de que alguien se haya equivocado y estamos buscando en el lugar correcto, buscar [una detección] en el lugar correcto podría darse cualquier día", dice Gray Rybka, físico de la Universidad de Washington co-portavoz "Hombre, será mejor que nos tomemos esto muy, muy en serio".

Un banco de computadoras se percibe con cables en el laboratorio del ADMX.

Carrera hasta la meta

La buena palabra sobre el axión parece estar extendiéndose: Un equipo de investigación en Yale está construyendo su propio haloscopio de axiones para rivalizar con el ADMX y los equipos en Corea del Sur y Australia también están en el movimiento.

Incluso si el ADMX y estos otros detectores aparecen vacíos, eso no significa necesariamente el fin de la partícula. Quinn señala que las teorías de los axiones son lo suficientemente flexibles y que algunas versiones de la partícula pueden eludir el detector. Pero a medida que la gran prisa de detección continúa, las probabilidades pueden estar mejorando de que alguien en algún lugar finalmente revelará la verdadera naturaleza de este componente impreciso del cosmos.

"Espero que dentro de 15 años, dé una conferencia sobre lo que realmente es la materia oscura", dice Hložek. "La idea de qué sabremos en una generación es simplemente increíble".

Mientras tanto, Sikivie ha encontrado algo más dentro del ADMX: satisfacción que décadas después, sus teorías y las de otros se están poniendo seriamente a prueba.

"[Cuando] me siento al lado del experimento del ADMX, es una experiencia emocional muy fuerte", dice. "Trato de evitarlo, porque me siento muy feliz allí, debe haber algo mal conmigo". No debería dejarme llevar por el sentimiento ".