Buscando materia oscura en un acelerador de partículas
Por primera vez, los científicos han aplicado un nuevo método prometedor para buscar partículas de materia oscura en un acelerador de partículas.
El método utilizado por los investigadores de la colaboración internacional JEDI se basa en la observación de la polarización de espín de un haz de partículas en el anillo de almacenamiento COSY de Jülich. Publicaron sus resultados en la reconocida revista Physical Review X.
Alrededor del 80 % de la materia del universo consiste en una sustancia desconocida e invisible. Esta "materia oscura" ya se había postulado hace unos 90 años. "Esta era la única forma de reconciliar la distribución de velocidades de la materia visible dentro de las galaxias con el conocimiento existente", explica Jörg Pretz, uno de los coautores del estudio, quien también es subdirector del Instituto de Física Nuclear de Forschungszentrum Jülich y profesor de la Universidad RWTH de Aquisgrán. "Una forma de materia 'oscura', previamente no observada, debe estabilizar adicionalmente las galaxias".
Los físicos han estado buscando este asunto desde la década de 1930. A la ciencia no le faltan teorías, pero nadie ha logrado aún detectar la materia oscura. "Esto se debe a que la naturaleza de la materia oscura aún no está del todo clara", dice el Dr. Volker Hejny, quien también es del Instituto de Física Nuclear de Jülich y, al igual que su colega Jörg Pretz, es miembro de la colaboración internacional JEDI que realizó el experimento.
Los científicos de JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) han estado trabajando en la medición de los momentos dipolares eléctricos de partículas cargadas desde 2011. "La materia oscura no es visible y hasta ahora solo se ha revelado indirectamente a través de su gravedad. Su efecto es comparativamente pequeño, por lo que solo se hace evidente en el caso de masas enormemente grandes, como galaxias enteras".
Los físicos teóricos ya han propuesto una serie de partículas elementales hipotéticas de las que podría estar compuesta la materia oscura. Dependiendo de las propiedades de estas partículas, se podrían usar varios métodos para detectarlas, métodos que no requieren la detección altamente compleja de los efectos gravitacionales. Estos métodos incluyen axiones y partículas similares a axiones.
"Originalmente, los axiones estaban destinados a resolver un problema en la teoría de la interacción fuerte de la cromodinámica cuántica", explica Pretz. "El nombre axión se remonta al ganador del Premio Nobel de Física, Frank Wilczek, y se refiere a una marca de detergente: se suponía que la existencia de las partículas 'limpiaría' la teoría de la física, por así decirlo".
Para detectar los axiones, los científicos de la colaboración JEDI utilizaron los giros de las partículas. "El giro es una propiedad única de la mecánica cuántica que hace que las partículas se comporten como pequeños imanes de barra", explica Hejny. "Esta propiedad se utiliza, por ejemplo, en imágenes médicas para imágenes de resonancia magnética, o MRI para abreviar. Como parte de este proceso, los espines de los núcleos atómicos son excitados por fuertes campos magnéticos externos".
La tecnología de resonancia magnética también se utiliza para buscar materia oscura. Mientras que en la resonancia magnética normal los átomos están en reposo, en un acelerador las partículas se mueven casi a la velocidad de la luz. Esto hace que los exámenes en algunas áreas sean mucho más sensibles y las mediciones sean más precisas.
En su experimento, los científicos de JEDI utilizaron una característica especial del acelerador de partículas COSY de Jülich, a saber, el uso de haces polarizados. "En un haz de partículas convencional, los giros de las partículas apuntan en direcciones aleatorias", dice Pretz. "Sin embargo, en un haz de partículas polarizadas, los espines están alineados en una dirección". Solo hay unos pocos aceleradores en todo el mundo que tienen esta capacidad.
Si, como sospechan los científicos, nos rodea un campo de fondo de axiones, esto influiría en el movimiento de los espines y, por lo tanto, podría detectarse en última instancia en el experimento. Sin embargo, el efecto anticipado es minúsculo. Las medidas aún no son lo suficientemente precisas.
Sin embargo, aunque el experimento JEDI aún no ha encontrado evidencia de partículas de materia oscura, los investigadores han logrado reducir aún más el posible efecto de interacción. Y quizás aún más significativo, pudieron establecer un método nuevo y prometedor en la búsqueda de materia oscura, informa el centro de investigación Julich en un comunicado.
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