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Computación

Cómo (no) detectar materia oscura con nanocables superconductores

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Si esta misteriosa forma de materia realmente existe, de momento nadie ha descubierto cómo detectarla. Un nuevo y prometedor enfoque basado en la superconductividad podría lograrlo, aunque las primeras pruebas con un prototipo de sensor no han encontrado nada

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Ana Milutinovic
  • 27 Marzo, 2019

Una de las grandes búsquedas científicas de nuestro tiempo es la de la materia oscura. Los físicos creen que está presente en todo el universo y que su existencia puede comprobarse a partir de su efecto sobre la rotación de las galaxias. Estos conjuntos de estrellas giran sobre sí mismos a tal velocidad que deberían salir disparadas, así que si no lo hacen, debe ser porque algún tipo de gravedad oculta está generando suficiente fuerza gravitacional sobre ellas para mantenerlas juntas.

Este efecto ha empujado a los físicos a buscar materia oscura en la Tierra. Se han creado docenas de observatorios, la mayoría de ellos en cavernas subterráneas muy por debajo de la superficie, donde el ruido de fondo es bajo. Hay mucha fama y fortuna científica en juego, ya que el equipo que encuentre pruebas de la existencia de materia oscura pasará a la historia.

Pero, de momento, nadie ha encontrado nada. Si realmente existe, la materia oscura debe estar muy bien escondida. O también podría ser que los físicos estén buscándola en el lugar equivocado. También podría suceder que las partículas de la materia oscura sean demasiado pequeñas para los experimentos actuales. Así que hacen falta formas mejores y más sensibles de detectarlas.

Y eso es precisamente lo que ha hecho el investigador de la Universidad Hebrea de Jerusalén (Israel) Yonit Hochberg y algunos colegas. El equipo ha creado un nuevo y prometedor sensor a partir de pequeños cables superconductores. El prototipo ya muestra el potencial de este planteamiento.

La clave del nuevo dispositivo es sencilla. Si ciertos metales se enfrían por debajo de una temperatura crítica se vuelven conductores sin oponer ninguna resistencia. Pero en cuanto su temperatura supera este umbral, el comportamiento superconductor desaparece.

Los físicos saben que las partículas de la materia oscura no pueden interactuar demasiado con la materia visible; de lo contrario ya las habrían visto. Pero las partículas de materia oscura sí pueden chocar frontalmente con partículas comunes.

Estas colisiones son raras porque la mayor parte de la materia ordinaria es un espacio vacío que las partículas de materia oscura puede atravesar. Pero cuando chocan con un núcleo atómico o un electrón de una red, por ejemplo, esa colisión hace que la red vibre, elevando su temperatura.

Los nanocables superconductores son un buen enfoque para revelar este aumento de temperatura. El calentamiento hace que una pequeña parte del cable pierda su capacidad superconductora, y esto a su vez crea un pulso de voltaje fácil de medir. Además, un dispositivo de este tipo produce pocos o ningún falso positivo.

Para poner a prueba su enfoque, Hochberg y sus colegas han construido un prototipo. Su dispositivo consiste en un conjunto de nanocables de silicio de tungsteno de solo 140 nanómetros de ancho (un pelo humano tiene un ancho de aproximadamente 100.000 nanómetros) y 400 micrómetros de largo. Todo el aparato se encuentra a unas pocas milésimas por encima del cero absoluto, para que los cables de siliciuro de tungsteno se conviertan en superconductores.

Con él, el equipo ha buscado pulsos de voltaje que pudieran revelar una colisión con la materia oscura.  No obstante, los 10.000 segundos de duración de sus mediciones no revelaron ningún pulso de ese tipo. Esta falta de resultados implica importantes dificultades sobre el tipo de materia oscura que podría estar presente y su densidad, y también con otros tipos de partículas que los físicos especulan que podrían existir.

Uno de ellos es el "fotón oscuro", que básicamente es el equivalente oscuro de un fotón ordinario. Si este fotón existe, el nuevo sensor tampoco detectó ninguno. "Los resultados de este dispositivo presentan límites importantes en las interacciones entre la materia oscura y los electrones, incluidos los límites terrestres más fuertes en la absorción de los fotones oscuros sub-eV hasta la fecha", detalla la investigación.

Es un trabajo impresionante, dado que la masa de los nanocables es solo de un puñado de nanogramos. La siguiente fase consistirá en fabricarlos a una escala mayor. Hochberg y sus colegas consideran que su tecnología está relativamente madura, por lo que debería poder construirse dentro de poco. De hecho, estiman que un laboratorio académico podría producir 1.000 detectores de 200 nanómetros con una masa total de 1,3 gramos en solo un año. "Un esfuerzo industrial podría multiplicar esa producción", señalan.

Por lo tanto, un detector a escala de kilogramos podría ser factible en un futuro no muy lejano. Una máquina así rivalizaría con las que ya están trabajando en la búsqueda de la materia oscura, pero analizaría la energía de una manera distinta. Entonces, puede que algún día, los nanocables superconductores descubran pruebas de que existe la materia oscura, si es que existe.

Ref: arxiv.org/abs/1903.05101Detecting Dark Matter with Superconducting Nanowires

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