Los científicos han aprendido mucho sobre el universo, pero ese conocimiento representa sólo una pequeña parte del panorama total. Aproximadamente el 95% del universo está compuesto de materia y energía oscuras, dejando sólo el 5% de la materia conocida que podemos ver a nuestro alrededor. El Dr. Rupak Mohapatra, físico experimental de partículas de la Universidad Texas A&M, está trabajando para descubrir esta mayoría oculta mediante el diseño de detectores semiconductores avanzados equipados con sensores cuánticos criogénicos. Estas tecnologías respaldan experimentos en todo el mundo y ayudan a los investigadores a profundizar en uno de los mayores misterios de la ciencia.
Mahapatra compara la comprensión limitada (o la falta de ella) del universo por parte de la humanidad con una analogía bien conocida. “Es como intentar tocar la cola de un elefante y tratar de describirlo. Experimentamos algo enorme y complejo, pero sólo captamos una pequeña parte”.
Mohapatra y sus coautores publicaron recientemente su trabajo en una revista respetada. Artículos de física aplicada.
¿Qué es la materia oscura y la energía oscura?
La materia oscura y la energía oscura llevan el nombre de lo que los científicos aún no saben. La materia oscura constituye la mayor parte de la masa que se encuentra en las galaxias y los cúmulos de galaxias, y desempeña un papel importante en la configuración de su estructura a través de vastas distancias cósmicas. La energía oscura se refiere a la fuerza detrás de la expansión acelerada del universo. En pocas palabras, la materia oscura actúa como pegamento cósmico, mientras que la energía oscura hace que el espacio se expanda cada vez más rápido.
Aunque ambas son abundantes, ni la materia oscura ni la energía oscura emiten, absorben o reflejan luz, lo que hace extremadamente difícil la observación directa. En cambio, los científicos estudian sus efectos a través de la gravedad, que afecta la forma en que las galaxias se mueven y forman estructuras a gran escala. La energía oscura es el componente dominante y representa alrededor del 68% de la energía total del universo, mientras que la materia oscura contribuye alrededor del 27%.
Detectando susurros en huracanes
En Texas A&M, el equipo de investigación de Mohapatra está desarrollando detectores con una sensibilidad extraordinaria. Estos instrumentos están diseñados para detectar partículas que interactúan con la materia ordinaria sólo en raras ocasiones, interacciones que podrían proporcionar pistas críticas sobre la naturaleza de la materia oscura.
“El desafío es que la materia oscura interactúa tan débilmente que necesitamos detectores capaces de detectar eventos que ocurren una vez al año o incluso una vez por década”.
Su equipo desempeñó un papel destacado en la búsqueda mundial de materia oscura utilizando un detector conocido como TESSERACT. “Se trata de innovación”, dijo. “Estamos encontrando formas de amplificar señales que antes estaban enterradas en ruido”.
Texas A&M se encuentra entre un pequeño grupo de instituciones que participan en el experimento TESSERACT.
Superando los límites de detección
Los esfuerzos actuales de Mohapatra se basan en décadas de experiencia en el avance de métodos de detección de partículas. Durante los últimos 25 años, ha contribuido al experimento SuperCDMS, que ha llevado a cabo la búsqueda de materia oscura más sensible del mundo. En un artículo histórico de 2014 publicado en Physical Review Letters, Mohapatra y sus colegas introdujeron la detección de ionización calorimétrica asistida por voltaje en el experimento SuperCDMS, un gran avance que hizo posible estudiar los WIMP de baja masa, uno de los principales candidatos a materia oscura. Este avance ha mejorado significativamente la capacidad de los científicos para detectar partículas que antes estaban fuera de su alcance.
En 2022, Mohapatra fue coautor de otro estudio que examinó múltiples métodos para encontrar un WIMP, incluida la detección directa, la detección indirecta y las búsquedas de colisionadores. El trabajo destaca la importancia de combinar diferentes técnicas para abordar el problema de la materia oscura.
“Ninguna prueba nos dará todas las respuestas”, señala Mohapatra. “Necesitamos coordinación entre diferentes métodos para armar el panorama completo”.
La curiosidad académica contribuye en gran medida a comprender la materia oscura. Puede revelar los principios fundamentales que gobiernan el universo. “Si podemos detectar la materia oscura, abriremos un nuevo capítulo en la física”, afirmó Mohapatra. “La búsqueda requiere tecnología de detección altamente sensible y podría conducir a tecnologías que hoy ni siquiera podemos imaginar”.
¿Qué son los WIMP?
Las WIMP (partículas masivas de interacción débil) se consideran una de las posibilidades más prometedoras para la materia oscura. Estas hipotéticas partículas interactuarían a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil, lo que explica por qué son tan difíciles de detectar.
- Por qué son importantes: Si existen WIMP, podrían explicar la masa que falta en el universo.
- Cómo buscamos: Experimentos como SuperCDMS y TESSERACT se basan en detectores ultrasensibles para capturar interacciones raras entre WIMP y materia ordinaria enfriada hasta casi el cero absoluto.
- Desafío: Un WIMP puede atravesar la Tierra sin dejar rastro, lo que significa que los investigadores pueden necesitar años de datos para detectar incluso un solo evento.
