Detectores de ondas gravitacionales de última generación podrían precisar la materia oscura        

Por Andy Tomaswick, Universe Today.

03 de julio de 2023.

Límites superiores del percentil 90 proyectados en señales de DM estocásticas de LIGO, LISA, GQuEST y Holometer, asumiendo T = 1 año de tiempo de observación y densidad de DM local ρDM = 0,46 GeV/c 2 / cm 3 . Los límites se obtienen estableciendo la SNR del percentil 10 definida en la ecuación. (43) para ser dos. Crédito: arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2306.13122

La astronomía gravitacional es una disciplina relativamente nueva que ha abierto muchas puertas para que los astrónomos entiendan cómo funciona el extremo enorme y violento de la escala. Se ha utilizado para mapear la fusión de agujeros negros y otros eventos extremos en todo el Universo. Ahora, un equipo del Instituto Walter Burke de Física Teórica de Cal Tech cree que tiene un nuevo uso para la nueva tecnología: restringir las propiedades de la materia oscura.

Como hemos informado muchas veces antes, la materia oscura es lo que constituye la gran mayoría de la masa en el Universo, pero es invisible para las ondas electromagnéticas normales, lo que hace que sea literalmente imposible para nosotros "ver" en la forma en que normalmente lo haríamos. Sin embargo, estas partículas, si eso es lo que son, interactúan con otra de las fuerzas fundamentales: la gravedad.

Lo que las convertiría en un objetivo potencial para estudios de observatorios de ondas gravitacionales (GW). Pero hay algunas suposiciones que subyacen a ese trabajo. La primera es que la materia oscura es un fenómeno "macro", es decir, no está sujeta al mundo de la mecánica cuántica. Es probable que las ondas gravitacionales solo funcionen en lo que los autores llamaron materia oscura ultrapesada, que en su contexto se refiere a la masa de los propios artículos.

Los interferómetros diseñados para detectar vías gravitatorias podrían potencialmente captar señales afectadas por partículas que son lo suficientemente pesadas como para entrar en esta categoría. En particular, esas partículas afectarían tres características diferentes de la onda gravitacional, dos de las cuales los autores de un nuevo artículo en el servidor de preimpresión arXiv están calculando por primera vez.

El primero es el efecto Doppler, que todos los estudiantes de física de la escuela secundaria aprenden, generalmente con un ejemplo de cómo las ambulancias suenan diferente cuando se acercan a ti y cuando se alejan de ti. El mismo fenómeno ocurre con las ondas gravitacionales, ya que afectan el espacio-tiempo de manera similar dependiendo de cómo se mueva su fuente en relación con el observatorio GW.

Para una mirada más matizada de cómo la materia oscura puede afectar a las GW, los autores observan el retraso de Shapiro y Einstein. El retraso de Shapiro es un cambio en el tiempo que tarda una señal en viajar de un extremo al otro de un interferómetro. Esto se puede cambiar en función de si hay una compactación del espacio-tiempo en algún lugar a lo largo del brazo del interferómetro. Por otro lado, el retraso de Einstein es un retraso real en el reloj que utiliza el interferómetro para medir las ondas gravitacionales. Sin embargo, este efecto se anula en configuraciones de interferómetro específicas.

Lo que los autores derivan de todo esto es que los modernos observatorios GW que se espera que entren en funcionamiento en breve, como la gravedad del experimento Quantum Entanglement of Space-Time (GQuEST) en CalTech, deberían poder detectar el tránsito de materia oscura si es lo suficientemente grande como para ser considerado "ultrapesado". Pero hay otro matiz en el documento que es intrigante y apunta a una comprensión potencialmente más profunda de la física subyacente.

A los estudiantes de física de todo el mundo se les enseña sobre las fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Pero, podría haber una quinta fuerza, que hasta ahora ha sido invisible para nuestra detección. Esta fuerza, conocida como la interacción de Yukawa, es una quinta fuerza fundamental teórica que opera entre la materia oscura y los tipos más tradicionales de partículas más familiares para los estudiantes de física clásica; en física teórica, se conocen como bariones. Hasta el momento, no ha habido ninguna evidencia concluyente sobre la existencia de esta fuerza, pero algunos experimentos han comenzado a funcionar para restringirla. Si existe, estos mismos detectores GW pueden desempeñar un papel para ayudar a restringirlo aún más, según el documento.

Encontrar una nueva fuerza fundamental y resolver un misterio que ha plagado a la física teórica durante décadas es una carga pesada para una ciencia relativamente nueva. Pero así es precisamente como la ciencia misma avanza: utilizando nuevas tecnologías para realizar más mediciones y probar o refutar nuevas teorías. Ahora, después de mucho tiempo, es el momento de brillar de la astronomía gravitacional.

Fuente:

https://phys.org/news/2023-07-generation-gravitational-detectors-pin-dark.html