La materia oscura se encuentra con la física atómica, molecular y óptica

Un método para detectar materia oscura utilizando diminutas esferas levitadas podría alcanzar una sensibilidad sin precedentes a las partículas claras de materia oscura

Por Rafael F Lang

La materia oscura representa aproximadamente el 85% de la masa total del Universo, pero sus componentes siguen siendo desconocidos. Resolver este misterio requiere una amplia gama de experimentos que puedan detectar componentes de materia oscura con diferentes masas e interacciones. Ahora, Gadi Afek de la Universidad de Yale y sus colegas han propuesto un detector de laboratorio que es drásticamente diferente de los experimentos existentes [ 1 ]. El detector funciona midiendo el impulso impartido cuando las partículas de materia oscura se dispersan en esferas de escala nanométrica atrapadas ópticamente. Este enfoque proporciona una forma completamente nueva de buscar partículas de materia oscura clara con masas de hasta fracciones de la masa de un electrón.

Durante décadas, los enfoques experimentales para detectar la materia oscura se han basado en la teoría. Las partículas hipotéticas llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMP) fueron un subproducto de muchas teorías desarrolladas para extender el modelo estándar de la física de partículas. Los WIMP siguen siendo candidatos viables y bien motivados para la materia oscura con masas superiores a 1 GeV ∕C2(aproximadamente la masa de un protón). Otras partículas hipotéticas conocidas como axiones siguen siendo candidatas atractivas de materia oscura para un rango de masas por debajo de 100 meV ∕C2.

Décadas de búsquedas de WIMP y axiones han resultado hasta ahora con las manos vacías. Sin embargo, en los próximos años veremos muchos experimentos, como ADMX [ 2 ], LZ [ 3 ] y XENONnT [ 4 ], con la sensibilidad para cubrir gran parte del espacio de parámetros esperado para estas partículas. Esta afirmación no es trivial: se necesitaron décadas de vigoroso desarrollo tecnológico para llegar a este punto. Pero, ¿y si la materia oscura no son WIMP o axiones? ¿Qué otras posibilidades existen y qué oportunidades surgen tanto para la construcción de modelos teóricos como para nuevos enfoques experimentales? Claramente, la importancia del problema de la materia oscura obliga a los científicos a evaluar otros conceptos y lanzar la red más amplia posible.

Por ello, ha habido nuevas propuestas y nuevos experimentos que amplían la sensibilidad de detección a otras interacciones de materia oscura y rangos de masas. En particular, para los WIMP, los experimentos dedicados, incluidos SENSEI [ 5 ], CRESST [ 6 ] y SuperCDMS [ 7 ], buscan materia oscura en el rango de masa por debajo de unos pocos GeV ∕C2. Estos experimentos utilizan detectores de partículas extremadamente sensibles, que van desde chips CCD hasta calorímetros criogénicos. También se han realizado trabajos preliminares, por ejemplo, en detectores que contienen helio superfluido que pueden discernir las diminutas cantidades de vibraciones de la red cristalina generadas cuando una partícula de materia oscura golpea un núcleo atómico objetivo en el detector [ 8 ]. Todos estos métodos están optimizados para los umbrales de energía más bajos posibles, que son particularmente cruciales cuando se buscan sub- GeV ∕C2materia oscura.

El enfoque de Afek y colaboradores es radicalmente diferente (Fig. 1). En lugar de medir la energía impartida cuando la materia oscura se dispersa de un objetivo, los autores proponen detectar directamente el impulso transferido al objetivo. En lugar de usar detectores macroscópicos con una gran masa (típicamente, kilogramos o incluso toneladas métricas), sugieren usar esferas levitadas que tienen solo nanómetros de ancho. Y en lugar de usar detectores que se basen en métodos de física nuclear, proponen usar técnicas de física atómica, molecular y óptica. Las nanoesferas quedan atrapadas ópticamente por un láser. Luego, sus posiciones son leídas con alta precisión por un segundo láser que contiene luz comprimida, un estado de luz en el que un componente del ruido cuántico es inferior a un límite fundamental llamado límite cuántico estándar. La propuesta particular exige 10 dB de reducción de ruido cuántico en relación con el límite cuántico estándar,9 ].

Los autores se dieron cuenta de que el tamaño de las nanoesferas atrapadas se puede ajustar para optimizar la sensibilidad del experimento a la materia oscura. Si una partícula de materia oscura clara se dispersa de una nanoesfera, la longitud de onda asociada con el impulso impartido puede ser mayor que la nanoesfera. En ese caso, el proceso de dispersión será coherente sobre toda la nanoesfera: la partícula de materia oscura interactuará con todos los nucleones (neutrones y protones) de la nanoesfera a la vez. La mecánica cuántica básica nos dice que la probabilidad de tal dispersión se calcula sumando las amplitudes individuales de dispersión de los nucleones de materia oscura para cada nucleón y luego elevando al cuadrado el resultado. Por lo tanto, la probabilidad de dispersión escala con el cuadrado del número de nucleones. Para una nanoesfera que contiene 106nucleones, la probabilidad se ve reforzada por un factor enorme ( 101 2). Este efecto, junto con la alta sensibilidad de lectura que ofrece la luz comprimida, explica la increíble promesa del método propuesto.

Sin embargo, para que un experimento sea sensible a la materia oscura, no basta con poder detectar señales de materia oscura. Fundamentalmente, el experimento también debe ser capaz de suprimir o distinguir todos los fondos relevantes que de otro modo imitarían una señal de materia oscura. Afek y sus colegas hacen el mejor esfuerzo para estimar los antecedentes conocidos de sus nanoesferas levitadas. Encuentran que las interacciones entre las partículas de gas residual y las nanoesferas son tolerables en un vacío ultraalto que se puede lograr de forma rutinaria; que el ruido térmico es aceptable a temperaturas criogénicas moderadas; y que algunos otros fondos no deberían inundar una señal de materia oscura.

Los antecedentes limitarán la sensibilidad del experimento propuesto e impulsarán su diseño y operación. Por ejemplo, para mejorar la relación señal-ruido, el experimento deberá ampliarse a una gran variedad de nanoesferas. Sin embargo, las perspectivas son emocionantes. Si se vieran señales, su origen de materia oscura podría desenredarse de los artefactos instrumentales u otros fondos a través de su espectro de momento y a través de su dependencia del material de la nanoesfera. Además, dado que la Tierra completa una rotación cada día, se espera que la dirección del impulso impartido por la materia oscura muestre una modulación diaria, lo que sería una prueba irrefutable para la dispersión de la materia oscura.

Queda por ver si todas estas expectativas son ciertas; el experimento propuesto no es fácil según ningún estándar, y los requisitos sobre la sensibilidad de la señal y el control de fondo son extremos. Sin embargo, los autores son parte de una comunidad pequeña pero creciente que busca métodos de detección innovadores, aprovechando el progreso de la física atómica, molecular y óptica para abordar el problema de la materia oscura [ 10 ]. Los próximos años serán muy emocionantes. Mientras que los experimentos convencionales están probando las regiones más prometedoras de los espacios de parámetros de WIMP y axiones, se están proponiendo esquemas de detección completamente nuevos, con mejoras potencialmente transformadoras para la sensibilidad de los experimentos a la materia oscura.

Referencias

1. Afek et al. , «Dispersión coherente de materia oscura de baja masa de sensores atrapados ópticamente», Phys. Rev. Lett. 128 , 101301 (2022) .
2. Braine et al. (Colaboración ADMX), “Búsqueda extendida del axión invisible con el Experimento de materia oscura Axion”, Phys. Rev. Lett. 124 , 101303 (2020) .
3. S. Akerib et al. (Colaboración LUX-ZEPLIN), «Sensibilidad WIMP proyectada del experimento de materia oscura LUX-ZEPLIN», Phys. Rev. D 101 , 052002 (2020) .
4. Aprile et al. , «Sensibilidad WIMP proyectada del experimento de materia oscura XENONnT», J. Cosmol. Astroparte. física 2020 , 031 (2020) .
5. Barak et al. (Colaboración SENSEI), “SENSEI: Resultados de detección directa en materia oscura sub-GeV de un nuevo CCD Skipper”, Phys. Rev. Lett. 125 , 171802 (2020) .
6. H. Abdelhameed et al. (Colaboración CRESST), «Primeros resultados del programa de materia oscura de baja masa CRESST-III», Phys. Rev. D 100 , 102002 (2019) .
7. Agnese et al. , «Primeras restricciones de materia oscura de un detector sensible de carga única SuperCDMS», Phys. Rev. Lett. 121 , 051301 (2018) .

SA Lyon et al. , «Detección de un solo fonón para la materia oscura a través de la evaporación cuántica y la detección de 3 helio», arXiv: 2201.00738 .

2202. Magrini et al. , «Luz exprimida de una nanopartícula levitada a temperatura ambiente», arXiv: 2202.09322 .
2203. Carney et al. , «Detección cuántica mecánica en la búsqueda de materia oscura», Quantum Sci. Tecnología 6 , 024002 (2021) .

Rafael Lang es profesor de física y astronomía en la Universidad de Purdue, Indiana. Obtuvo su Ph.D. trabajando en la búsqueda de materia oscura CRESST en el Instituto Max Planck de Física, Alemania. Luego se unió a XENON Collaboration, primero como investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia y luego en Purdue. Preside el Sistema de alerta temprana de supernovas, que busca neutrinos de una supernova galáctica. Recientemente fundó Windchime Collaboration, que utiliza una gran variedad de acelerómetros mecánicos para buscar partículas de materia oscura con masas cercanas a la masa de Planck solo a través de sus interacciones gravitatorias.