Científicos se acercan a resolver el mayor misterio del universo

Los científicos han aprendido mucho sobre el universo, pero ese conocimiento representa solo una pequeña fracción de la imagen completa. Aproximadamente el 95% del cosmos está compuesto de materia oscura y energía oscura, dejando solo un 5% de la materia familiar que podemos observar. El Dr. Rupak Mahapatra, físico experimental de partículas en la Universidad de Texas A&M, trabaja para descubrir esta mayoría oculta mediante el diseño de detectores semiconductores avanzados equipados con sensores cuánticos criogénicos. Estas tecnologías apoyan experimentos en todo el mundo y ayudan a los investigadores a profundizar en uno de los mayores misterios de la ciencia.

Mahapatra compara la limitada comprensión de la humanidad sobre el universo con una conocida parábola. "Es como intentar describir un elefante tocando solo su cola. Percibimos algo masivo y complejo, pero solo estamos comprendiendo una pequeña parte de ello".

Mahapatra y sus coautores recientemente vieron su trabajo publicado en la revista Applied Physics Letters.

¿Qué son la materia oscura y la energía oscura?

La materia oscura y la energía oscura reciben su nombre por lo que los científicos aún no saben sobre ellas. La materia oscura constituye la mayor parte de la masa encontrada en galaxias y cúmulos de galaxias, desempeñando un papel importante en la formación de su estructura a través de vastas distancias cósmicas. La energía oscura se refiere a la fuerza detrás de la aceleración de la expansión del universo. En términos simples, la materia oscura actúa como un pegamento cósmico, mientras que la energía oscura impulsa el espacio a expandirse cada vez más rápido.

A pesar de su abundancia, ni la materia oscura ni la energía oscura emiten, absorben o reflejan luz, lo que dificulta su observación directa. Los científicos estudian su influencia a través de la gravedad, que afecta cómo se mueven las galaxias y cómo se forman las estructuras a gran escala. La energía oscura es el componente dominante, representando aproximadamente el 68% de la energía total del universo, mientras que la materia oscura contribuye con alrededor del 27%.

Detectando susurros en un huracán

En Texas A&M, el grupo de investigación de Mahapatra desarrolla detectores con una sensibilidad extraordinaria. Estos instrumentos están diseñados para detectar partículas que interactúan con la materia ordinaria solo en raras ocasiones, interacciones que podrían proporcionar pistas críticas sobre la naturaleza de la materia oscura.

"El desafío es que la materia oscura interactúa de manera tan débil que necesitamos detectores capaces de ver eventos que podrían ocurrir una vez al año, o incluso una vez en una década", afirmó Mahapatra.

Su equipo participó en una búsqueda global 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 el ruido".

Pushing the Limits of Detection

Los esfuerzos actuales de Mahapatra se basan en décadas de experiencia en la mejora de métodos de detección de partículas. Durante los últimos 25 años, ha contribuido al experimento SuperCDMS, que ha realizado algunas de las búsquedas de materia oscura más sensibles del mundo. En un artículo fundamental de 2014 publicado en Physical Review Letters, Mahapatra y sus colaboradores introdujeron la detección de ionización calorimétrica asistida por voltaje en el experimento SuperCDMS, un avance que permitió estudiar WIMPs de baja masa, un candidato principal para la materia oscura. Este avance mejoró significativamente la capacidad de los científicos para detectar partículas que anteriormente habían estado fuera de su alcance.

En 2022, Mahapatra coautorizó otro estudio que examinó múltiples enfoques para encontrar un WIMP, incluyendo detección directa, detección indirecta y búsquedas en colisionadores. El trabajo destaca la importancia de combinar diferentes estrategias para abordar el problema de la materia oscura.

"Ningún experimento único nos dará todas las respuestas", señala Mahapatra. "Necesitamos sinergia entre diferentes métodos para armar el cuadro completo".

Comprender la materia oscura va mucho más allá de la curiosidad académica. Podría revelar principios fundamentales que rigen el universo mismo. "Si podemos detectar la materia oscura, abriremos un nuevo capítulo en la física", dijo Mahapatra. "La búsqueda necesita tecnologías de detección extremadamente sensibles y podría llevar a tecnologías que ni siquiera podemos imaginar hoy".

¿Qué son los WIMPs?

Los WIMPs (Partículas Masivas Débilmente Interactivas) se consideran una de las posibilidades más prometedoras para la materia oscura. Estas partículas hipotéticas 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 los WIMPs existen, podrían explicar la masa faltante del universo.
• Cómo buscamos: Experimentos como SuperCDMS y TESSERACT dependen de detectores ultra sensibles enfriados a casi cero absoluto para capturar interacciones raras entre WIMPs y materia ordinaria.
• El desafío: Un WIMP podría atravesar la Tierra sin dejar ningún signo, lo que significa que los investigadores podrían necesitar años de datos para identificar incluso un solo evento.

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