En busca de los enigmáticos fotones oscuros

La luz que nos permite ver la materia ordinaria de nuestro mundo está formada por partículas llamadas fotones. Pero la materia ordinaria solo representa una pequeña fracción de toda la materia del cosmos. Nuestro universo está lleno de una sustancia desconocida llamada materia oscura, que comprende el 85% de toda la materia. El Modelo Estándar que describe las partículas y fuerzas conocidas está incompleto.

En la versión más simple de los teóricos, un tipo no descubierto de partícula podría explicar toda la materia oscura del universo. Pero muchos científicos sospechan que el sector oscuro del universo tiene muchas partículas y fuerzas diferentes; algunas de ellas podrían tener interacciones ocultas con las partículas y fuerzas de la materia ordinaria.

Al igual que el electrón tiene copias que difieren en algunos aspectos, como el muón y el tau, el fotón oscuro sería diferente del fotón ordinario. En teoría, una vez producidos, los fotones y los fotones oscuros podrían transformarse el uno en el otro a un ritmo específico fijado por las propiedades del fotón oscuro.

Para buscar fotones oscuros, los investigadores llevan a cabo un tipo de experimento que podría describirse resumidamente como “resplandor de luz a través de la pared”. Este método utiliza dos cavidades metálicas huecas para detectar la transformación de un fotón ordinario en un fotón de materia oscura. Los científicos almacenan fotones ordinarios en una cavidad y dejan la otra vacía. A continuación, buscan la aparición de fotones en la cavidad vacía.

Los investigadores del Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores (SQMS), adscrito al Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, en Estados Unidos, tienen años de experiencia trabajando con cavidades superconductoras de radiofrecuencia, que se utilizan principalmente en aceleradores de partículas.

El equipo de Alexander Romanenko, del Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores, se percató del buen potencial de las cavidades superconductoras de radiofrecuencia para lograr una mayor sensibilidad que la conseguida con las cavidades utilizadas en experimentos anteriores.

Los científicos que trabajan en el experimento Dark SRF en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de EE.UU. han demostrado que su sistema experimental basado en cavidades superconductoras de radiofrecuencia tiene una sensibilidad sin precedentes para el tipo de labor que requiere buscar fotones oscuros.

Junto a una parte del experimento Dark SRF, están reunidos (de izquierda a derecha) Anna Grassellino, Roni Harnik y Alexander Romanenko, respectivamente la directora del Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores (SQMS) y dos jefes de sección. (Foto: Reidar Hahn, Fermilab)

Los investigadores atraparon fotones ordinarios sin masa en cavidades superconductoras de radiofrecuencia para buscar la transición de esos fotones a sus hipotéticos homólogos del sector oscuro.

El experimento, aunque no ha conducido a ninguna revelación definitiva, ha delimitado del modo más restrictivo logrado hasta ahora el rango de masas en el que deben estar los fotones oscuros.

Este experimento supone la primera demostración del uso de cavidades superconductoras de radiofrecuencia para realizar un experimento del tipo descrito.

Las cavidades superconductoras de radiofrecuencia utilizadas por Romanenko y sus colaboradores son trozos huecos de niobio. Cuando se enfrían a temperaturas ultrabajas, estas cavidades almacenan muy bien los fotones, o paquetes de energía electromagnética. Para el experimento Dark SRF, los científicos enfriaron las cavidades superconductoras de radiofrecuencia en un baño de helio líquido a unos 271 grados centígrados bajo cero (2 grados por encima del cero absoluto, 273 grados centígrados bajo cero, la temperatura más baja que permiten las leyes de la física.

A esta temperatura, la energía electromagnética fluye sin esfuerzo a través del niobio, lo que hace que estas cavidades sean eficaces para almacenar fotones.

Los investigadores pueden ahora utilizar cavidades superconductoras de radiofrecuencia con diferentes frecuencias de resonancia para cubrir varias partes del rango de masas potencial de los fotones oscuros. Esto se debe a que el pico de sensibilidad en la masa del fotón oscuro está directamente relacionado con la frecuencia de los fotones regulares almacenados en una de las cavidades superconductoras de radiofrecuencia. (Fuente: NCYT de Amazings)