Buscando Materia Oscura

Energía y materia oscura en Pexels por Matthew Goeckner en https://www.pexels.com/photo/milky-way-galaxy-against-a-bright-starry-sky-27088485/

Objetivos:

Terminada la lección podrás:

Explicar los conceptos fundamentales de la materia oscura.

Elba M Sepulveda

En búsqueda de la materia oscura en el universo

La búsqueda de materia oscura requiere una combinación de instrumentos sofisticados, recursos computacionales avanzados y la colaboración de diversas instituciones científicas. A continuación, se describen los principales tipos de instrumentos y recursos, así como algunos de los laboratorios y entidades clave en este campo:

Tipos de Instrumentos y Recursos:

Detectores de Interacción Directa:

Estos experimentos buscan detectar directamente las interacciones de las partículas de materia oscura con la materia ordinaria. Se basan en la idea de que, aunque la interacción sea débil, ocasionalmente una partícula de materia oscura podría chocar con un átomo, depositando una pequeña cantidad de energía que se puede medir.

Detectores criogénicos:

Utilizan cristales a temperaturas extremadamente bajas (cercanas al cero absoluto) para detectar el minúsculo aumento de temperatura que se produciría por la interacción de una partícula de materia oscura. Ejemplos: CDMS, CRESST, EDELWEISS.

Detectores de gas noble líquido:

Utilizan grandes tanques de gases nobles licuados, como xenón o argón, para detectar la luz y los electrones liberados por la interacción de una partícula de materia oscura. Ejemplos: XENON, LUX, PandaX, LZ.

Detectores de Interacción Indirecta:

Estos experimentos buscan señales indirectas de la aniquilación o desintegración de partículas de materia oscura en el espacio. Se basan en la idea de que, si las partículas de materia oscura interactúan entre sí, podrían aniquilarse o desintegrarse, produciendo partículas conocidas como rayos gamma, neutrinos o antimateria, que se pueden detectar con telescopios espaciales o terrestres.

Telescopios de rayos gamma: Observan el cielo en busca de un exceso de rayos gamma que podría ser una señal de aniquilación de materia oscura. Ejemplos: Fermi-LAT, H.E.S.S., MAGIC, VERITAS.
Detectores de neutrinos: Buscan un exceso de neutrinos provenientes de regiones con alta densidad de materia oscura, como el centro de la Vía Láctea o el centro del Sol. Ejemplos: IceCube, ANTARES.
Espectrómetros de rayos cósmicos: Miden la composición de los rayos cósmicos en busca de un exceso de antimateria que podría ser una señal de desintegración de materia oscura. Ejemplo: AMS-02.

Colisionadores de Partículas:

Los colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, buscan producir partículas de materia oscura en colisiones de alta energía. Si se producen, estas partículas podrían detectarse a través de la energía que “desaparece” en la colisión, ya que la materia oscura no interactuaría con los detectores convencionales.

Observaciones Astronómicas:

Las observaciones astronómicas juegan un papel crucial en la búsqueda de materia oscura, proporcionando evidencia indirecta de su existencia y ayudando a mapear su distribución en el universo.

Telescopios ópticos y de radio: Se utilizan para estudiar la rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales y la estructura a gran escala del universo, lo que proporciona evidencia de la presencia de materia oscura. Ejemplos: Telescopio Espacial Hubble, Observatorio Vera C. Rubin.
Simulaciones Cosmológicas: Se utilizan supercomputadoras para simular la formación y evolución del universo, incluyendo la materia oscura, lo que ayuda a comprender su papel en la formación de estructuras cósmicas.

Laboratorios y Entidades que Investigan la Materia Oscura:

CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear): Opera el LHC y participa en varios experimentos de búsqueda de materia oscura.
Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE): Laboratorios como Fermilab, SLAC y Berkeley Lab participan en experimentos de detección directa e indirecta, así como en investigaciones teóricas.
Instituto Max Planck de Física (Alemania): Participa en experimentos de detección directa e indirecta y realiza investigaciones teóricas.
Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Japón): Participa en investigaciones teóricas y observacionales.
Colaboraciones internacionales: Existen numerosas colaboraciones internacionales que involucran a científicos de diferentes países en la búsqueda de materia oscura, como la colaboración XENON, la colaboración LUX-ZEPLIN y la colaboración DarkSide.

Ejemplos concretos de experimentos:

XENON1T/nT/z: Experimentos de detección directa que utilizan xenón líquido.
LUX-ZEPLIN (LZ): El experimento de detección directa más sensible hasta la fecha, también utiliza xenón líquido.
SuperCDMS: Experimento de detección directa que utiliza detectores criogénicos de germanio y silicio.
Fermi-LAT: Telescopio espacial de rayos gamma que busca señales de aniquilación de materia oscura.
IceCube: Detector de neutrinos enterrado en el hielo de la Antártida.

En resumen

La búsqueda de materia oscura es un campo de investigación muy activo y en constante evolución. Los científicos están utilizando una variedad de enfoques experimentales y observacionales para tratar de desentrañar este misterio. La combinación de diferentes tipos de instrumentos y la colaboración internacional son esenciales para avanzar en este campo.