Symmetry Magazine
Sabemos en qué dirección debería soplar el viento de la materia oscura. Ahora solo tenemos que encontrarlo.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Lori Ann White, para Symmetry Magazine Abril 4 de 2017
Imagínese en un automóvil, su mano surfeando la brisa a través de la ventana abierta. Mantenga su palma perpendicular al viento y puede sentir su fuerza. Ahora imagínese que el automóvil se desacelera, gira hacia una señal de alto y siente que la fuerza del viento disminuye hasta que ... y el automóvil se detenga.
Este viento no es debido al clima. Surge debido a su movimiento relativo a las moléculas de aire. Lo suficientemente simple como para ser conocido y comprendido por niños, perros y excursionistas de todo el mundo.
Este viento tiene un análogo en el mundo enrarecido de la astrofísica de partículas llamado "viento de materia oscura", y los científicos esperan que algún día se convierta en una herramienta valiosa en sus investigaciones sobre ese elemento difícil de alcanzar que aparentemente compone alrededor del 85 por ciento de la masa en el universo.
En la analogía anterior, las moléculas de aire son partículas de materia oscura llamadas WIMP o partículas masivas de interacción débil. Nuestro sol es el automóvil, corriendo alrededor de la Vía Láctea a unos 220 kilómetros por segundo, con la escopeta de caza de la Tierra. Juntos, nos movemos a través de un halo de materia oscura que abarca nuestra galaxia. Pero nuestro planeta es un pasajero ruidoso; se mueve de un lado del sol a otro en su órbita.
Cuando se agrega la velocidad de la Tierra de 30 kilómetros por segundo a la del Sol, como sucede cuando ambos viajan en la misma dirección (hacia la constelación del Cisne), entonces el viento de materia oscura se siente más fuerte. Más WIMP se mueven por el planeta que si estuviera en reposo, lo que resulta en un mayor número de detecciones por experimentos. Reste esa velocidad cuando la Tierra está del otro lado de su órbita, y el viento se siente más débil, lo que da como resultado menos detecciones.
Los astrofísicos han estado pensando en el viento de la materia oscura durante décadas. Entre los primeros, allá por 1986, estaban el teórico David Spergel de la Universidad de Princeton y sus colegas Katherine Freese de la Universidad de Michigan y Andrzej K. Drukier (ahora en la industria privada, pero aún en busca de WIMP).
"Observamos cómo el movimiento de la Tierra alrededor del sol debería causar que la cantidad de partículas de materia oscura detectadas varíe de forma regular en un 10 por ciento anual", dice Spergel.
Al menos eso es lo que debería suceder, si nuestra galaxia está realmente incrustada en un halo circular, básicamente homogéneo, de materia oscura, y si la materia oscura está realmente compuesta de WIMPs.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
El experimento italiano DAMA / NaI y su actualización DAMA / Libra afirman haber estado viendo esta modulación estacional durante décadas, una afirmación que aún debe ser respaldada de manera concluyente por cualquier otro experimento. CoGeNT, un experimento en el Laboratorio Subterráneo Soudan en Dakota del Sur, pareció respaldarlo durante un tiempo, pero ahora se cree que las señales son causadas por otras fuentes, como rayos gamma de alta energía que golpean una capa de material justo afuera del germanio. del detector, lo que resulta en una señal que se parece mucho a un WIMP.
En realidad, la confirmación de la existencia del viento de la materia oscura es importante por una simple razón: el patrón de modulación no puede explicarse más que por la presencia de materia oscura. Es lo que se llama un fenómeno "independiente del modelo". Ningún fondo natural -ningún rayos cósmicos, neutrinos solares ni decaimientos radioactivos- mostraría una modulación similar. El viento de materia oscura podría proporcionar una forma de continuar explorando la materia oscura, incluso si las partículas son lo suficientemente livianas como para que los experimentos no puedan distinguirlas de las partículas casi sin masa llamadas neutrinos, que fluyen constantemente del sol y otras fuentes.
"Es un gran, gran premio", dice Jocelyn Monroe, profesora de física en la Universidad Royal Holloway de Londres, que actualmente trabaja en dos experimentos de detección de materia oscura, DEAP-3600 en SNOLAB, en Canadá, y DMTPC. "Si pudieras correlacionar las detecciones con la dirección en la que se mueve el planeta, tendrías pruebas inequívocas" de la materia oscura.
Al mismo tiempo, Spergel y sus colegas estaban explorando la modulación estacional del viento, también se dio cuenta de que esta correlación podría extenderse mucho más allá de una variación dos veces por año en los niveles de detección. La ubicación de la Tierra en su órbita afectaría la dirección en la cual los nucleones, las partículas que forman el núcleo de un átomo, retroceden cuando son golpeados por WIMPs. Un detector lo suficientemente sensible debería ver no solo las variaciones semestrales, sino incluso variaciones diarias, ya que el detector cambia constantemente su orientación al viento de materia oscura a medida que la Tierra gira.
"Inicialmente pensé que no valía la pena escribir el artículo porque ningún experimento tenía la sensibilidad para detectar la dirección de retroceso", dice. "Sin embargo, me di cuenta de que si señalaba el efecto, los experimentadores inteligentes eventualmente encontrarían la manera de detectarlo".
Monroe, como líder de la colaboración DMTPC, es miembro del grupo experimentalista inteligente. El DMTPC, o cámara de proyección de tiempo de materia oscura, es uno de los pocos experimentos de detección directa que están diseñados para rastrear los movimientos reales de los átomos en retroceso.
En lugar de cristales semiconductores o gases nobles licuados, estos experimentos utilizan gases de baja presión como material objetivo. DMTPC, por ejemplo, usa tetrafluoruro de carbono. Si un WIMP golpea una molécula de tetrafluoruro de carbono, la baja presión en la cámara significa que la molécula tiene espacio para moverse, hasta unos 2 milímetros.
"Hacer el detector es súper duro", dice Monroe. "Tiene que mapear una pista de 2 milímetros en 3D". Sin mencionar que la reducción del número de moléculas en la cámara del detector reduce las posibilidades de que una partícula de materia oscura golpee una. Según Monroe, DMTPC lidiará con ese problema fabricando una matriz de módulos de 1 metro cúbico. El primer módulo ya se ha construido y una colaboración mundial de científicos de cinco experimentos diferentes de materia oscura direccional (incluido DMTPC) está trabajando en el siguiente paso: un conjunto de materia oscura direccional mucho más grande llamado CYGNUS (para CosmoloGY con NUclear retrocesos) experimento .
Cuando y si tales detectores direccionales de materia oscura elevan sus dedos metafóricos para probar la dirección del viento de materia oscura, Monroe dice que podrán ver mucho más que variaciones estacionales en las detecciones. Los científicos podrán ver variaciones en los retrocesos atómicos no de forma estacional, sino a diario. Monroe imagina una especie de telescopio de materia oscura con el que estudiar la estructura del halo en nuestro pequeño rincón de la Vía Láctea.
O no.
Siempre existe la posibilidad de que esta próxima generación de detectores de materia oscura, o la generación posterior, aún no vea nada.
Incluso eso, dice Monroe, es progreso.
"Si seguimos buscando en 10 años podríamos decir que no son WIMP, sino algo aún más exótico. Hasta donde podemos decir ahora, la materia oscura tiene que ser algo nuevo".
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Sabemos en qué dirección debería soplar el viento de la materia oscura. Ahora solo tenemos que encontrarlo.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Lori Ann White, para Symmetry Magazine Abril 4 de 2017
Imagínese en un automóvil, su mano surfeando la brisa a través de la ventana abierta. Mantenga su palma perpendicular al viento y puede sentir su fuerza. Ahora imagínese que el automóvil se desacelera, gira hacia una señal de alto y siente que la fuerza del viento disminuye hasta que ... y el automóvil se detenga.
Este viento no es debido al clima. Surge debido a su movimiento relativo a las moléculas de aire. Lo suficientemente simple como para ser conocido y comprendido por niños, perros y excursionistas de todo el mundo.
Este viento tiene un análogo en el mundo enrarecido de la astrofísica de partículas llamado "viento de materia oscura", y los científicos esperan que algún día se convierta en una herramienta valiosa en sus investigaciones sobre ese elemento difícil de alcanzar que aparentemente compone alrededor del 85 por ciento de la masa en el universo.
En la analogía anterior, las moléculas de aire son partículas de materia oscura llamadas WIMP o partículas masivas de interacción débil. Nuestro sol es el automóvil, corriendo alrededor de la Vía Láctea a unos 220 kilómetros por segundo, con la escopeta de caza de la Tierra. Juntos, nos movemos a través de un halo de materia oscura que abarca nuestra galaxia. Pero nuestro planeta es un pasajero ruidoso; se mueve de un lado del sol a otro en su órbita.
Cuando se agrega la velocidad de la Tierra de 30 kilómetros por segundo a la del Sol, como sucede cuando ambos viajan en la misma dirección (hacia la constelación del Cisne), entonces el viento de materia oscura se siente más fuerte. Más WIMP se mueven por el planeta que si estuviera en reposo, lo que resulta en un mayor número de detecciones por experimentos. Reste esa velocidad cuando la Tierra está del otro lado de su órbita, y el viento se siente más débil, lo que da como resultado menos detecciones.
Los astrofísicos han estado pensando en el viento de la materia oscura durante décadas. Entre los primeros, allá por 1986, estaban el teórico David Spergel de la Universidad de Princeton y sus colegas Katherine Freese de la Universidad de Michigan y Andrzej K. Drukier (ahora en la industria privada, pero aún en busca de WIMP).
"Observamos cómo el movimiento de la Tierra alrededor del sol debería causar que la cantidad de partículas de materia oscura detectadas varíe de forma regular en un 10 por ciento anual", dice Spergel.
Al menos eso es lo que debería suceder, si nuestra galaxia está realmente incrustada en un halo circular, básicamente homogéneo, de materia oscura, y si la materia oscura está realmente compuesta de WIMPs.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
El experimento italiano DAMA / NaI y su actualización DAMA / Libra afirman haber estado viendo esta modulación estacional durante décadas, una afirmación que aún debe ser respaldada de manera concluyente por cualquier otro experimento. CoGeNT, un experimento en el Laboratorio Subterráneo Soudan en Dakota del Sur, pareció respaldarlo durante un tiempo, pero ahora se cree que las señales son causadas por otras fuentes, como rayos gamma de alta energía que golpean una capa de material justo afuera del germanio. del detector, lo que resulta en una señal que se parece mucho a un WIMP.
En realidad, la confirmación de la existencia del viento de la materia oscura es importante por una simple razón: el patrón de modulación no puede explicarse más que por la presencia de materia oscura. Es lo que se llama un fenómeno "independiente del modelo". Ningún fondo natural -ningún rayos cósmicos, neutrinos solares ni decaimientos radioactivos- mostraría una modulación similar. El viento de materia oscura podría proporcionar una forma de continuar explorando la materia oscura, incluso si las partículas son lo suficientemente livianas como para que los experimentos no puedan distinguirlas de las partículas casi sin masa llamadas neutrinos, que fluyen constantemente del sol y otras fuentes.
"Es un gran, gran premio", dice Jocelyn Monroe, profesora de física en la Universidad Royal Holloway de Londres, que actualmente trabaja en dos experimentos de detección de materia oscura, DEAP-3600 en SNOLAB, en Canadá, y DMTPC. "Si pudieras correlacionar las detecciones con la dirección en la que se mueve el planeta, tendrías pruebas inequívocas" de la materia oscura.
Al mismo tiempo, Spergel y sus colegas estaban explorando la modulación estacional del viento, también se dio cuenta de que esta correlación podría extenderse mucho más allá de una variación dos veces por año en los niveles de detección. La ubicación de la Tierra en su órbita afectaría la dirección en la cual los nucleones, las partículas que forman el núcleo de un átomo, retroceden cuando son golpeados por WIMPs. Un detector lo suficientemente sensible debería ver no solo las variaciones semestrales, sino incluso variaciones diarias, ya que el detector cambia constantemente su orientación al viento de materia oscura a medida que la Tierra gira.
"Inicialmente pensé que no valía la pena escribir el artículo porque ningún experimento tenía la sensibilidad para detectar la dirección de retroceso", dice. "Sin embargo, me di cuenta de que si señalaba el efecto, los experimentadores inteligentes eventualmente encontrarían la manera de detectarlo".
Monroe, como líder de la colaboración DMTPC, es miembro del grupo experimentalista inteligente. El DMTPC, o cámara de proyección de tiempo de materia oscura, es uno de los pocos experimentos de detección directa que están diseñados para rastrear los movimientos reales de los átomos en retroceso.
En lugar de cristales semiconductores o gases nobles licuados, estos experimentos utilizan gases de baja presión como material objetivo. DMTPC, por ejemplo, usa tetrafluoruro de carbono. Si un WIMP golpea una molécula de tetrafluoruro de carbono, la baja presión en la cámara significa que la molécula tiene espacio para moverse, hasta unos 2 milímetros.
"Hacer el detector es súper duro", dice Monroe. "Tiene que mapear una pista de 2 milímetros en 3D". Sin mencionar que la reducción del número de moléculas en la cámara del detector reduce las posibilidades de que una partícula de materia oscura golpee una. Según Monroe, DMTPC lidiará con ese problema fabricando una matriz de módulos de 1 metro cúbico. El primer módulo ya se ha construido y una colaboración mundial de científicos de cinco experimentos diferentes de materia oscura direccional (incluido DMTPC) está trabajando en el siguiente paso: un conjunto de materia oscura direccional mucho más grande llamado CYGNUS (para CosmoloGY con NUclear retrocesos) experimento .
Cuando y si tales detectores direccionales de materia oscura elevan sus dedos metafóricos para probar la dirección del viento de materia oscura, Monroe dice que podrán ver mucho más que variaciones estacionales en las detecciones. Los científicos podrán ver variaciones en los retrocesos atómicos no de forma estacional, sino a diario. Monroe imagina una especie de telescopio de materia oscura con el que estudiar la estructura del halo en nuestro pequeño rincón de la Vía Láctea.
O no.
Siempre existe la posibilidad de que esta próxima generación de detectores de materia oscura, o la generación posterior, aún no vea nada.
Incluso eso, dice Monroe, es progreso.
"Si seguimos buscando en 10 años podríamos decir que no son WIMP, sino algo aún más exótico. Hasta donde podemos decir ahora, la materia oscura tiene que ser algo nuevo".
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