Los nanocables superconductores podrían usarse para detectar materia oscura

Una de las grandes búsquedas científicas de nuestro tiempo es la caza de la materia oscura. Los físicos creen que este material llena el universo y piensan que pueden ver evidencia de ello en la forma en que giran las galaxias. De hecho, las galaxias giran tan rápido que deberían separarse a menos que alguna masa oculta esté generando suficiente fuerza gravitatoria para mantenerlas juntas.

Esa evidencia ha puesto a los físicos a luchar para encontrar materia oscura en la Tierra. Han construido docenas de observatorios, la mayoría de ellos en cavernas subterráneas muy por debajo de la superficie, donde el ruido de fondo es bajo. Lo que está en juego es la fama y la fortuna científicas, y el grupo que encuentre la materia oscura probablemente será recompensado generosamente.

Pero hasta ahora los físicos no han encontrado precisamente nada. Si está ahí fuera, la materia oscura está muy bien escondida. O los físicos han estado buscando en el lugar equivocado. Una posibilidad es que las partículas de materia oscura sean demasiado pequeñas para que las vean los experimentos actuales. Así que los físicos quieren desesperadamente formas mejores y más sensibles de detectar estas cosas.

Ingrese a Yonit Hochberg en la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel y algunos colegas, quienes han desarrollado un nuevo sensor prometedor basado en diminutos cables superconductores. El prototipo del equipo ya muestra el potencial de este enfoque.

El principio detrás del nuevo dispositivo es sencillo. Enfríe ciertos metales por debajo de una temperatura crítica y conducirán sin resistencia. Pero tan pronto como su temperatura sube por encima de este umbral, el comportamiento superconductor desaparece.

Los físicos saben que las partículas de materia oscura no pueden interactuar fuertemente con la materia visible; de lo contrario, ya los habrían visto. Pero las partículas de materia oscura pueden chocar de frente con partículas ordinarias.

Estas colisiones son raras porque la materia ordinaria es en su mayoría espacio vacío, por lo que las partículas de materia oscura pueden atravesarlo. Pero cuando chocan con un núcleo atómico o un electrón en una red, por ejemplo, la colisión hace que la red vibre, elevando así su temperatura.

Es este aumento de la temperatura lo que los nanocables superconductores son buenos para revelar. El calentamiento hace que una pequeña porción del cable deje de ser superconductora y esto, a su vez, crea un pulso de voltaje que es fácil de medir. Además, un dispositivo de este tipo produce pocos o ningún falso positivo.

Hochberg y compañía han puesto a prueba su idea mediante la construcción de un prototipo. Este dispositivo consta de un conjunto de nanocables de siliciuro de tungsteno de solo 140 nanómetros de ancho (un cabello humano tiene unos 100.000 nanómetros de ancho) y 400 micrómetros de largo. Todo el aparato se encuentra a unos pocos miligrados por encima del cero absoluto, por lo que los cables de siliciuro de tungsteno se convierten en superconductores.

Luego, el equipo buscó los pulsos de voltaje que podrían revelar una colisión de materia oscura. Con el blindaje apropiado en su lugar, no encontraron pulsos durante los 10,000 segundos de duración de sus mediciones.

Eso impone restricciones importantes sobre el tipo de materia oscura que podría estar presente y su densidad. También impone restricciones a otros tipos de partículas que los físicos especulan que podrían existir.

Uno de ellos es el fotón oscuro, esencialmente el equivalente en materia oscura del fotón ordinario. Si existen, entonces el nuevo sensor no detectó ninguno. Los resultados de este dispositivo ya establecen límites significativos en las interacciones entre la materia oscura y los electrones, incluidos los límites terrestres más fuertes en la absorción de fotones oscuros sub-eV hasta la fecha, dicen Hochberg y compañía.

Es un trabajo impresionante, dado que la masa de los nanocables es de unos pocos nanogramos. La siguiente etapa es fabricarlos a mayor escala. Hochberg y compañía dicen que la tecnología está relativamente madura, por lo que esto debería ser posible en un corto período de tiempo. De hecho, estiman que un laboratorio académico podría producir mil detectores de 200 nanómetros con una masa total de 1,3 gramos en solo un año. Un esfuerzo industrial podría realizar muchas veces ese número, señalan.

Por lo tanto, un detector a escala de kilogramos podría ser factible en un futuro no muy lejano. Tal máquina rivalizaría con las que ya están en funcionamiento en la búsqueda de materia oscura, pero observaría diferentes energías de una manera diferente.

Entonces, puede ser que algún día, los nanocables superconductores descubran la materia oscura, si es que existe.

Ref: arxiv.org/abs/1903.05101 : Detección de materia oscura con nanocables superconductores

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