Relojes atómicos espaciales podrían ayudar a descubrir la naturaleza de la materia oscura

Doble reloj atómico | foto N. Phillips/NIST en Wikimedia Commons

El estudio de un reloj atómico a bordo de una nave espacial situada en la órbita de Mercurio y muy cerca del Sol podría ser el truco para descubrir la naturaleza de la materia oscura, según sugiere un nuevo estudio publicado en Nature Astronomy.

La materia oscura constituye más del 80% de la masa del universo, pero hasta ahora no se ha detectado en la Tierra, a pesar de décadas de esfuerzos experimentales. Un componente clave de estas búsquedas es una suposición sobre la densidad local de la materia oscura, que determina el número de partículas de materia oscura que pasan por el detector en un momento dado y, por tanto, la sensibilidad experimental. En algunos modelos, esta densidad puede ser mucho mayor de lo que se suele suponer, y la materia oscura puede concentrarse más en unas regiones que en otras.

Una clase importante de búsquedas experimentales son las que utilizan átomos o núcleos, porque con ellas se ha logrado una sensibilidad increíble a las señales de materia oscura. Esto es posible, en parte, porque cuando las partículas de materia oscura tienen masas muy pequeñas, inducen oscilaciones en las propias constantes de la naturaleza. Estas oscilaciones, por ejemplo en la masa del electrón o en la fuerza de interacción de la fuerza electromagnética, modifican las energías de transición de átomos y núcleos de forma predecible.

Impresión artística de un reloj atómico espacial utilizado para descubrir la materia oscura | foto Kavli IPMU

Un equipo internacional de investigadores formado por el investigador del proyecto del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) Joshua Eby, de la Universidad de California en Irvine, el becario postdoctoral Yu-Dai Tsai y la profesora de la Universidad de Delaware Marianna S. Safronova, vieron potencial en estas señales oscilatorias. Afirmaron que en una región concreta del Sistema Solar, entre la órbita de Mercurio y el Sol, la densidad de la materia oscura puede ser excesivamente grande, lo que significaría una sensibilidad excepcional a las señales oscilantes.

Estas señales podrían ser captadas por los relojes atómicos, que funcionan midiendo cuidadosamente la frecuencia de los fotones emitidos en las transiciones de diferentes estados en los átomos. La materia oscura ultraligera en las proximidades del experimento del reloj podría modificar esas frecuencias, ya que las oscilaciones de la materia oscura aumentan y disminuyen ligeramente la energía de los fotones.

Cuanta más materia oscura haya alrededor del experimento, mayores serán estas oscilaciones, por lo que la densidad local de materia oscura importa mucho a la hora de analizar la señal, explica Eby.

Cartel de Halloween de la NASA | foto NASA-JPL/Caltech en Wikimedia Commons

Aunque no se conoce con exactitud la densidad de la materia oscura cerca del Sol, los investigadores sostienen que incluso una búsqueda de sensibilidad relativamente baja podría proporcionar información importante.

La densidad de la materia oscura sólo está limitada en el Sistema Solar por la información sobre las órbitas de los planetas. En la región comprendida entre el Sol y Mercurio, el planeta más cercano al Sol, no existe prácticamente ninguna restricción. Por tanto, una medición a bordo de una nave espacial podría revelar rápidamente los límites mundiales de la materia oscura en estos modelos.

La tecnología para poner a prueba su teoría ya existe. Eby dice que la Sonda Solar Parker de la NASA, que ha estado operando desde 2018 con la ayuda de blindaje, ha viajado más cerca del Sol que cualquier nave hecha por el hombre en la historia, y actualmente está operando dentro de la órbita de Mercurio, con planes de acercarse aún más al Sol dentro de un año.

Los relojes atómicos en el espacio ya están bien motivados por muchas razones, aparte de la búsqueda de materia oscura. Las misiones espaciales de larga distancia, incluidas las posibles misiones futuras a Marte, requerirán un cronometraje excepcional como el que proporcionarían los relojes atómicos en el espacio. Una posible misión futura, con un blindaje y una trayectoria muy similares a los de la Parker Solar Probe, pero que lleve un aparato de relojería atómica, podría ser suficiente para llevar a cabo la búsqueda, afirma Eby.


Fuentes

Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe | Tsai, YD., Eby, J. & Safronova, M.S. Direct detection of ultralight dark matter bound to the Sun with space quantum sensors. Nat Astron (2022). doi.org/10.1038/s41550–022–01833–6