Búsqueda coordinada globalmente de materia oscura

Network of Sensors publica datos completos de GNOME en formato . Física de la naturaleza Por primera vez / nueve estaciones en seis países participantes

Un equipo internacional de investigadores con participación clave de PRISMA⁺ El Grupo de Excelencia de la Universidad Johannes Gutenberg Mainz (JGU) y el Helmholtz-Institut Mainz (HIM) han publicado por primera vez datos completos sobre la búsqueda de materia oscura utilizando una red global de optomagnetómetros. Según los científicos, los campos de materia oscura deberían producir un patrón de señal distinto que pueda detectarse mediante mediciones correlacionadas en múltiples estaciones de la red GNOME. El análisis de los datos de una operación GNOME continua de un mes aún no ha arrojado una indicación correspondiente. Sin embargo, la medida permite formular limitaciones a las propiedades de la materia oscura, tal y como informan los investigadores en la prestigiosa revista Física de la naturaleza.

GNOME significa Red Global de Magnetómetros Ópticos para búsquedas de física exótica. Detrás de él se encuentran magnetómetros repartidos por todo el mundo en Alemania, Serbia, Polonia, Israel, Corea del Sur, China, Australia y Estados Unidos. Con GNOME, los investigadores quieren avanzar especialmente en la búsqueda de materia oscura, uno de los desafíos de física fundamental más emocionantes del siglo XXI. Después de todo, se sabe desde hace tiempo que muchas observaciones astronómicas desconcertantes, como la velocidad de rotación de las estrellas en las galaxias o el espectro de la radiación cósmica de fondo, pueden explicarse mejor mediante la materia oscura.

«Las partículas de bosón muy ligeras se encuentran entre las más prometedoras para la materia oscura en la actualidad. Incluyen las llamadas partículas similares a axiones, ALP para abreviar», dijo el profesor de PRISMA Dimitri Bodker.⁺ Y en HIM, una colaboración institucional entre la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt. «También se puede considerar como un campo clásico que oscila con una frecuencia determinada. Una característica de estos campos bosonianos es que, según un posible escenario teórico, pueden formar patrones y estructuras. Como resultado, la densidad de la materia oscura se puede concentrar en muchas regiones diferentes: paredes de campo separadas más pequeñas que una galaxia. Pero es mucho más grande de lo que la Tierra podría formar, por ejemplo».

«Si un muro de este tipo se encuentra con la Tierra, la red GNOME lo detecta gradualmente y puede causar patrones de señal característicos transitorios en los magnetómetros», explicó el Dr. Arne Wickenbrook, uno de los coautores del estudio. «Además, las señales están vinculadas entre sí de ciertas maneras, dependiendo de qué tan rápido se mueva la pared y cuándo llegue a cada ubicación».

La red consta a su vez de 14 magnetómetros repartidos en ocho países del mundo, nueve de los cuales han proporcionado datos para el análisis actual. El principio de medición se basa en la interacción de la materia oscura con los espines nucleares de los átomos en un magnetómetro. Los átomos son excitados por el láser a una cierta frecuencia, dirigiendo los espines nucleares en una dirección. Un posible campo de materia oscura podría perturbar esta tendencia, que es medible.

Hablando en sentido figurado, uno puede imaginar que los átomos en el magnetómetro inicialmente bailan en confusión, explicó Héctor Macia-Roig, estudiante de doctorado en el grupo de Bodker y autor del estudio actual. «Cuando ‘escuchan’ la frecuencia correcta de la luz láser, todos giran juntos. Las partículas de materia oscura pueden hacer que los átomos danzantes se desequilibren. Podemos medir esta perturbación con mucha precisión». Ahora la red de magnetómetros se vuelve importante: a medida que la Tierra se mueve a través de una pared espacialmente limitada de materia oscura, los átomos que bailan en todas las estaciones se desorientan gradualmente. Una de estas estaciones está ubicada en un laboratorio del Instituto Helmholtz en Mainz. «Solo cuando hagamos coincidir las señales de todas las estaciones podremos evaluar la causa de la perturbación», dijo Macia Roig. «Aplicado a la imagen de los átomos que bailan, esto significa: si comparamos los resultados de las mediciones de todas las estaciones, podemos decidir si es solo un bailarín valiente que baila fuera de línea o, de hecho, una perturbación global de la materia oscura».

En el estudio actual, el equipo de investigación analiza datos de una operación continua de un mes de GNOME. Resultado: No aparecieron señales estadísticamente significativas en el rango de masas examinado de un fememeelectronvoltio (feV) a 100 000 electronvoltios. Por el contrario, esto significa que los investigadores pueden reducir el rango en el que teóricamente se pueden encontrar tales señales aún más que antes. Para escenarios basados ​​en paredes discretas de materia oscura, este es un hallazgo importante, «aunque aún no hemos podido detectar esta pared de dominio con nuestra búsqueda global del anillo», agregó Joseph Smeja, otro estudiante de doctorado en Mainz y autor de el estudio.

El trabajo futuro de la colaboración de GNOME se centrará en mejorar los propios magnetómetros y analizar los datos. En particular, la operación continua debería ser más estable. Esto es importante para buscar de forma fiable señales que duren más de una hora. Además, los antiguos átomos alcalinos de los magnetómetros deben ser reemplazados por gases nobles. Titulado Advanced GNOME, los investigadores esperan que esto conduzca a una mejor sensibilidad para futuras mediciones en la búsqueda de ALP y materia oscura.

Descargo de responsabilidad: AAAS y Eurek Alert! no es responsable de la precisión de los boletines enviados en EurekAlert! A través de las instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.