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Materia oscura

La carrera clandestina para resolver el mayor misterio del universo
Mashable




Por Keith Wagstaff para Mashable Junio 24 de 2018

En el corazón de una montaña italiana, los científicos están construyendo una máquina. En lo profundo de una antigua mina de oro, escondida en Black Hills, en Dakota del Sur, otro equipo está haciendo lo mismo.

Están buscando una señal: una chispa de luz y electrones libres. Evidencia de materia oscura

Nunca fue detectado en un laboratorio. Pero los científicos creen que es más abundante que la materia "ordinaria". Mucho más. Se cree que todo lo que está hecho de átomos, conocido como materia bariónica, el material del que estamos hechos, representa menos del 5 por ciento del universo. La materia oscura constituye otro 25 por ciento. El resto es energía oscura, una fuerza misteriosa que repele la gravedad y explica por qué la expansión del universo se está acelerando.



Una galaxia en el cúmulo de Coma. En la década de 1930, el astrónomo Fritz Zwicky calculó que el cúmulo de Coma — un cúmulo de galaxias que contiene más de 1.000 galaxias, debería contener más de 400 veces la masa que la luminosidad de sus estrellas. Para la masa que falta, acuñó el término "materia oscura". Crédito de la imagen: NASA / ESA / HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA)

Confirmar que existe la materia oscura podría transformar nuestra comprensión de los componentes básicos de nuestro universo y proporcionar pistas vitales sobre cómo nació el universo y cómo cambiará. Y para 2021, dos nuevas máquinas están programadas para unirse a la caza.

"Hay algunas veces en la historia de los humanos que los científicos han encontrado algo tan innovador, tan cambiante en el universo, y durante unos minutos, son los únicos que lo conocen", dijo Andrew Renshaw, profesor asistente. en la Universidad de Houston. "Ser parte de algo así, sería una cosa única en la vida".

Renshaw es parte de una colaboración llamada el proyecto DarkSide. Está construyendo un detector de materia oscura, DarkSide-20k, en el laboratorio subterráneo más grande del mundo, ubicado bajo la montaña Gran Sasso, a unas 120 km al sur de Roma. Cerca de allí, en la ciudad de L'Aquila, dijo que no es raro que científicos e ingenieros se vean en la calle o en los cafés.

En todo el mundo, aproximadamente a una hora de distancia del Monte Rushmore, se está construyendo el detector LUX-ZEPLIN o LZ en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Los investigadores acceden al laboratorio montando una jaula en el pozo de la mina. Deben usar cascos y llevar un aparato de respiración llamado autorrescatador, en caso de que se desate un incendio.


El experimento DarkSide-50 ubicado en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia. Crédito de la imagen: Y. SUVOROV / LNGS-INFN

"Es una apuesta muy segura que existe algo así como la materia oscura", dijo Carter Hall, profesor asociado de física en la Universidad de Maryland y portavoz del proyecto LZ. "Tengo muy pocas dudas al respecto".

Pero este es uno de los principales problemas de estos grandes proyectos: nunca hemos detectado partículas de materia oscura, entonces ¿por qué los científicos están tan seguros de que están ahí afuera?

Primero, hablemos de Isaac Newton. Pensó en la gravedad como una fuerza que trabaja entre objetos. Usando sus fórmulas, los científicos podrían trazar la órbita de la Tierra y la Luna. Pero las matemáticas se rompieron cerca de la intensa gravedad de un agujero negro. Luego vino Albert Einstein. En su teoría de la relatividad general, en lugar de una fuerza, la gravedad es una propiedad inherente del espacio y el tiempo que puede ser deformada por objetos masivos. (¿Confundido? Imagine una bola que pesa una hoja).

"Es una apuesta muy segura que existe algo así como la materia oscura"


Pero a gran escala, las matemáticas de Einstein también se rompieron. En la década de 1970, la astrofísica Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias espirales se movían a la misma velocidad que las cercanas al medio.

En una escala más pequeña, la gravedad no funciona de esa manera. El primer planeta en el sistema solar, Mercurio, gira alrededor del sol a una velocidad mucho mayor que el octavo planeta, Neptuno. Las estrellas que rodean el centro de una galaxia deberían hacer lo mismo. Por lo tanto, debe haber materia adicional, invisible en los bordes de las galaxias tirando de las estrellas: materia oscura.

Cuando se crujen los números, en función del movimiento de estrellas y galaxias distantes, debería existir la materia oscura. Pero nunca hemos visto evidencia de partículas de materia oscura.


El tanque de agua donde se encuentra LUX. Crédito de la imagen: C.H. FAHAM

Así es como eso podría cambiar. DarkSide-20k usará argón líquido, LZ usará xenón líquido, pero la idea es básicamente la misma: esperar a que una partícula de materia oscura golpee el núcleo de un átomo en un tanque lleno de líquido. (El argón y el xenón son gases nobles, que se utilizan a menudo en experimentos científicos porque son muy estables. Eso reduce la probabilidad de que un factor no deseado desencadene una reacción).

Ambos detectores usarán sensores para buscar la luz creada y los electrones liberados cuando una partícula de materia oscura colisiona con un átomo.

"Imagine el núcleo como una bola de billar y, de repente, ha sido golpeado por algo", dijo Hall. "No podemos ver lo que chocó directamente, pero podemos ver el retroceso de la bola de billar".

Los científicos han estado buscando esa evidencia durante años. DarkSide-20k y LZ son versiones más grandes y más avanzadas de detectores llamados DarkSide-50 y LUX. (Este último dejó de operar en 2016). También hay otros. La sonda Wukong de China y el Espectrómetro Magnético Alfa de la Estación Espacial Internacional han buscado signos de materia oscura en el espacio.

Todos están diseñados para buscar WIMPS (partículas masivas de interacción débil), partículas teóricas que son mucho más grandes y pesadas que las partículas de materia ordinaria. Otros detectores, como Axion Dark Matter Experiment (ADMX) en la Universidad de Washington, están buscando axiones de baja masa, otro fuerte candidato para la materia oscura.


Un letrero da la bienvenida a los visitantes a un laboratorio a 4,850 pies debajo de la superficie en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford. Crédito de la imagen: AMBER HUNT / AP / REX / SHUTTERSTOCK

Hasta el momento, la gran sopa de letras de experimentos de materia oscura - otros incluyen a ArDM, DEAP, DARWIN, XMASS y PICASSO - han aparecido con las manos vacías, a pesar de los años de titulares hiperbólicos. Algunos físicos teorizan que no existe en absoluto, y en su lugar han propuesto modelos alternativos de gravedad.

Creamos otras sustancias para adaptarlas a nuestra limitada comprensión del universo. En el siglo XVIII, los científicos creían que las ondas de luz viajaban a través del espacio en un "éter" cósmico. Por supuesto, nuestras herramientas y nuestros conocimientos de física y astronomía son mucho más avanzados ahora. Pero aún es posible que sepamos tan poco sobre la materia oscura, la estamos buscando de una manera completamente incorrecta.

Por ahora, los investigadores siguen construyendo detectores más grandes y sensibles, pero no es una tarea fácil.

Las partículas que no son materia oscura pueden colisionar con átomos de argón o xenón y desencadenar "eventos falsos". Es por eso que DarkSide-20k y LZ están construidos bajo tierra, para protegerlos de los rayos cósmicos. Incluso en lo profundo de la roca sólida, están expuestos a la radiación del radón y los neutrones libres, que flotan prácticamente en todas partes.


La matriz fotomultiplicadora superior en LUX. Crédito de la imagen: C.H. FAHAM

La nueva tecnología debería ayudar a los investigadores a eliminar el ruido de fondo. LZ estará envuelto en un segundo detector dedicado completamente a bloquear y marcar neutrones libres. DarkSide-20k estará equipado con nuevos sensores de fotos que no emiten tanta radiación.

Ambas máquinas también recibirán un aumento de tamaño. Para detectar materia oscura, más grande es mejor, simplemente porque es más probable que ocurran colisiones aleatorias si hay más cosas con las que colisionar la materia oscura.

DarkSide-20k será 10 veces más grande que DarkSide-50, lo que le permitirá contener 400 veces más argón. LZ tendrá 25 veces más xenón que LUX. Lamentablemente, todo ese líquido no es barato. Según Wired, el precio de una botella de xenón promedia alrededor de $ 100,000. El detector LZ necesitará 200 de ellos.

En este momento, es la calma antes de la tormenta. Pronto, la construcción aumentará, y los investigadores de todo el mundo volarán regularmente a Italia y Dakota del Sur.

Luego encenderán las máquinas, regresarán a sus oficinas y esperarán a que ingresen los datos. Existe la posibilidad de que todavía no encuentren nada. Pero eso no es necesariamente algo malo.

"Creo que hay una tendencia humana natural de querer observar algo", dijo Hall, pero cada proyecto que no encuentra algo también descarta algo, allanando el camino para que el próximo equipo haga un descubrimiento que cambie el universo.

Encontrar evidencia de materia oscura sería increíblemente emocionante, enfatizó. Si los proyectos múltiples que usan materiales diferentes encuentran evidencia, eso sería aún mejor. La ausencia de un descubrimiento, sin embargo, seguiría avanzando.

Como dijo Hall, "Eso, a su manera, sería un resultado profundo".



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