Nueva Búsqueda De Materia Oscura: Esta Vez Con Láseres

Brazos del detector de ondas gravitacionales KAGRA

Los investigadores han diseñado una forma de dar a los largos brazos de túnel de los observatorios de ondas gravitacionales como KAGRA en Japón la capacidad de detectar también potencialmente la materia oscura de los axiones. Crédito: © 2019 Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio

Los físicos teorizan una forma novedosa de explorar la naturaleza de la materia oscura con láseres.

La materia oscura solo se conoce por su efecto en cuerpos astronómicos masivos , pero aún no se ha observado directamente o incluso se ha identificado. Una teoría sobre lo que podría ser la materia oscura sugiere que podría ser una partícula llamada axión y que estos podrían ser detectables con experimentos basados ​​en láser que ya existen. Estos experimentos con láser son observatorios de ondas gravitacionales.

Ha comenzado la búsqueda de la materia oscura. Hay muchas teorías sobre qué tipo de cosas podría llegar a ser, pero muchos físicos creen que la materia oscura es una partícula masiva de interacción débil, o WIMP. Lo que esto significa es que no interactúa fácilmente con la materia ordinaria. Sabemos que esto es cierto porque aún no se ha visto directamente. Pero también debe tener al menos algo de masa, ya que su presencia puede inferirse por su atracción gravitacional.

Ha habido enormes esfuerzos para detectar la materia oscura WIMP, incluso con el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza, pero aún no se han observado WIMP. Una partícula candidata alternativa que está llamando la atención es el axión.

“Suponemos que el axión es muy ligero y apenas interactúa con nuestro tipo de materia familiar. Por lo tanto, se considera un buen candidato para la materia oscura ”, dijo el profesor asistente Yuta Michimura del Departamento de Física de la Universidad de Tokio. “No conocemos la masa de los axiones, pero normalmente pensamos que tiene una masa menor que la de los electrones. Nuestro universo está lleno de materia oscura y se estima que hay 500 gramos de materia oscura dentro de la Tierra, aproximadamente la masa de una ardilla ”.

Esquema de la cavidad óptica lineal utilizada para detectar la materia oscura Axion

Un esquema del instrumento propuesto para la búsqueda de materia oscura de axiones. El proyecto está en curso en el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio. Crédito: © 2019 Nagano et al.

Los axiones parecen ser un buen candidato para la materia oscura, pero dado que solo pueden interactuar muy débilmente con la materia ordinaria, son extraordinariamente difíciles de detectar. Por eso, los físicos idean formas cada vez más complejas de compensar esta falta de interacción con la esperanza de revelar la firma reveladora de la materia oscura, que constituye más de una cuarta parte del universo visible.

“Nuestros modelos sugieren que la materia oscura axiónica modula la polarización de la luz, que es la orientación de la oscilación de las ondas electromagnéticas”, explicó Koji Nagano, estudiante de posgrado del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio. “Esta modulación de polarización se puede mejorar si la luz se refleja hacia adelante y hacia atrás muchas veces en una cavidad óptica compuesta por dos espejos paralelos separados entre sí. Los ejemplos más conocidos de este tipo de cavidades son los largos brazos de túnel de los observatorios de ondas gravitacionales ”.

La investigación de la materia oscura no recibe tanta atención o financiación como otras áreas de investigación científica más aplicables, por lo que se hacen grandes esfuerzos para encontrar formas de hacer que la búsqueda sea rentable.

Sensibilidad de diferentes detectores de ondas gravitacionales

Este gráfico compara la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales adecuados para la búsqueda de axiones. El proyecto está en curso en el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio. Crédito: © 2019 Nagano et al.

Esto es relevante ya que otras formas teóricas de observar axiones involucran campos magnéticos extremadamente fuertes que incurren en grandes gastos. Aquí, los investigadores sugieren que los observatorios de ondas gravitacionales existentes, como el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser ( LIGO ) en los EE. UU., Virgo en Italia o KAGRA en Japón podrían modificarse a bajo costo para buscar axiones sin detrimento de sus funciones existentes.

“Con nuestro nuevo esquema, podríamos buscar axiones agregando algunas ópticas de polarización frente a los sensores de fotodiodo en los detectores de ondas gravitacionales”, describió Michimura. “El siguiente paso que me gustaría ver es la implementación de la óptica en un detector de ondas gravitacionales como KAGRA”.

“Existe una abrumadora evidencia astrofísica y cosmológica de que existe materia oscura, pero la pregunta ‘¿Qué es la materia oscura?’ es uno de los mayores problemas pendientes de la física moderna “. – Koji Nagano

Esta idea es prometedora porque las actualizaciones a las instalaciones de ondas gravitacionales no reducirían la sensibilidad de la que dependen para su función principal, que es detectar la distancia. ondas gravitacionales . Se han hecho intentos con experimentos y observaciones para encontrar el axión, pero hasta ahora no se ha encontrado ninguna señal positiva. El método propuesto por los investigadores sería mucho más preciso.

“Existe una abrumadora evidencia astrofísica y cosmológica de que existe materia oscura, pero la pregunta ‘¿Qué es la materia oscura?’ es uno de los mayores problemas pendientes de la física moderna ”, dijo Nagano. “Si podemos detectar axiones y decir con certeza que son materia oscura, sería un evento realmente emocionante. Es lo que sueñan los físicos como nosotros ”.

Referencia: ” Axion Búsqueda de materia oscura con detectores de ondas gravitacionales interferométricas ”por Koji Nagano, Tomohiro Fujita, Yuta Michimura e Ippei Obata, 13 de septiembre de 2019, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.111301

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