El grafeno en la búsqueda de las partículas de materia oscura

Dibujo20170403 wimp direct searches primary weak interactions aspen 2017

Tras muchos esfuerzos, aún no conocemos la naturaleza microscópica de la materia oscura. El rango de masas para la materia oscura es descomunal, entre 100 yeV (yoctoelectrónvoltios) para un bosón y 100 M☉ (masas solares) para un MACHO. ¡Noventa órdenes de magnitud! Explorar un rango de energías tan extenso raya lo imposible. La búsqueda más intensa ha sido en el rango de masas WIMP, entre 1 GeV y 10 TeV. Las WIMP son partículas que interacción vía bosones Z, W o Higgs con el resto del modelo estándar. No parece razonable afirmar que la materia oscura no es una partícula porque aún no la hayamos encontrado en dicho rango. ¡Queda tanto por explorar!

Para una partícula de tipo bosón, el límite inferior para su masa es de 100 yeV = 10−22 eV, que corresponde a una longitud de onda de De Broglie de un kilopársec; por debajo de esta cota no se pueden formar galaxias enanas. De hecho, ya se han descartado las masas por debajo de 2,9 zeV (zeptoelectrónvoltios). Para una partícula de tipo fermión, el límite inferior para su masa es de 70 eV; por debajo las simulaciones de la formación de galaxias enanas difieran de las observaciones astrofísicas. Muchos físicos de partículas prefieren un neutrino estéril de unos pocos keV, una partícula que termalice entre 1 keV y 100 TeV. Pero hay otras opciones y es necesario desarrollar novedosos detectores para su búsqueda directa.

El grafeno está en todas partes y, no podía ser de otra forma, también se ha propuesto como detector de materia oscura. En concreto, se usan transistores de efecto campo basados en grafeno (GFET). El proyecto PTOLEMY-G³, liderado por Chris Tully (Univ. Princeton, EE.UU.), nos lo presentó Mariangela Lisanti (Princeton University), “Detecting Dark Matter Down to keV Masses,” Aspen 2017 [PDF slides] (las figuras de esta entrada las he extraído de dicha charla, salvo la última). Sobre el rango de masas a explorar en las búsquedas de materia oscura recomiendo la charla de Rouven Essig (Stony Brook Univ.), “Dark Matter Overview,” MC4BSM, 12 May 2017 [PDF slides].

Dibujo20170607 Mariangela Lisanti Aspen 2017

La búsqueda directa de las partículas de materia oscura (el llamado sector oscuro del universo) se basa en la hipótesis de que interacciona (vía un portal) con las partículas del modelo estándar (sector visible). Por supuesto, esta interacción tiene que ser muy débil, o la masa de las partículas del sector oscuro debe estar en un rango que aún no hemos explorado, porque en caso contrario ya habríamos encontrado dichas partículas. Se habla de partículas WIMP cuando se supone que las partículas mediadoras de la interacción que conecta los sectores visible y oscuro son los bosones electrodébiles (incluyendo al Higgs). Pero nadie impide que el portal sea resultado de nuevas interacciones aún por descubrir, vectoriales como fotones oscuros o bosones Z-prima, escalares como el axión, o incluso fermiónicas como los neutrinos estériles.

Dibujo20170607 dark photons Mariangela Lisanti Aspen 2017

La charla de Mariangela Lisanti se centra en los fotones oscuros, una nueva interacción U(1) con un bosón vectorial de muy baja masa (si tuviera una masa mayor que la del bosón Z se hablaría de un bosón Z-prima). La búsqueda directa de estas partículas se suele basar en la interacción con núcleos atómicos, midiendo la energía de retroceso de dichos núcleos usando algún detector que lo convierta en electrones o en fotones fáciles de detectar. Pero existe otra posibilidad, la detección del retroceso de los electrones en un conductor cuando interaccionan con el portal.

Dibujo20170607 graphene detector ptolomy g3 Mariangela Lisanti Aspen 2017

Se coloca una hoja de grafeno sobre un sustrato. Hay dos opciones para la interacción del fotón oscuro con el electrón de un átomo. La primera es que el electrón arrancado del átomo se propague por el vacío encima de la hoja de grafeno, pudiendo ser dirigido por un intenso campo eléctrico (o magnético) hacia un detector. Y la segunda es que dicho electrón se propague por el sustrato sobre el que está adherido el grafeno y sea indetectable. Asumiendo que la fuente de las partículas de materia oscura es el halo oscuro de nuestra galaxia que atraviesa la Tierra en su movimiento, las dos opciones anteriores producirán una modulación diaria de la corriente de electrones en el detector. Esta modulación será señal de la existencia de la materia oscura.

Dibujo20170607 graphene field-effect transistor Mariangela Lisanti Aspen 2017

La propuesta del proyecto PTOLEMY-G³ es usar transistores de efecto campo de grafeno (GFET). En la región interna del detector, los electrones que escapan de la hoja de grafeno son dirigidos por el campo eléctrico externo hacia otras hojas de grafeno, generando una corriente eléctrica. En la región externa del detector, los electrones son dirigidos a calorímetros que detectan su energía. Ambos sistemas de detección permiten buscar partículas de materia oscura usando grafeno. Sin embargo, el grafeno tiene un grave problema, su alta movibilidad electrónica; en los detectores interiores solo se pueden detectar los electrones que se muevan más rápido que la velocidad de Fermi. Una alternativa es usar los semimetales llamados grafeno 3D, que tienen una velocidad de Fermi mucho más reducida. Está posibilidad también se está explorando en dicho proyecto.

Dibujo20170607 dark matter landscape Rouven Essig MC4BSM 2017

En resumen, el rango de energías (o masas) para los candidatos a la materia oscura es enorme. En la región más explorada, la asociada a la masa de los átomos, buscamos partículas WIMPs. Pero hay muchas alternativas en otras regiones. El futuro de las búsquedas de las partículas de materia oscura está en el uso de alternativas radicales a las técnicas que se usan hoy en día. Gracias a ellas exploramos otras regiones de energía (o masa). El futuro de este campo de la física es arduo, pero esplendoroso.


3 Comentarios

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EduEdu

Pensaba que los MACHOs estaban descartados por su aparente escasez. Entiendo que tendrán una pequeña contribución, pero la mayoría será debida a otras alternativas, ¿no es así?

Juan Francisco JiménezJuan Francisco Jiménez

¿Podría ocurrir que la materia oscura fueran restos de curvatura provenientes del Big Bang? Si fuera así no habría partículas de materia oscura que detectar.
Me pregunto si el espacio curvado almacena algún tipo de energía “mecánica”, del mismo modo que un muelle almacena energía al estar comprimido, y que al perder curvatura pudiera expandirse empujando al resto del universo igual que el muelle empujaría una masa al expandirse.

¿Se sabe , mirando galaxias lejanas, si había más materia oscura en el pasado?
Muchas gracias.

Francisco R. Villatoro

Juan, lo que llamas “restos de curvatura” se llaman defectos; pueden ser puntuales, que se comportan como monopolos magnéticos, lineales, que se comportan como cuerdas cósmicas, planos, que se comportan como paredes de dominio, etc. Se han propuesto estos defectos como candidatos a la materia oscura; sin embargo, aún no han sido observados. El análisis del fondo cósmico de microondas solo descarta estos defectos a gran escala (escala cosmológica).

La materia oscura se conserva, ni se crea ni se destruye, igual que la materia (bariónica). Aún así, la proporción del contenido de materia oscura cambia con el tiempo. Ahora mismo la materia (bariónica) es el 5%, la materia oscura el 27% y la energía oscura el 68% del contenido total del universo (Planck 2015); pero cuando el universo tenía unos 380 mil años, la materia oscura era el 63%, la materia bariónica el 12%, los neutrinos el 10% y la radiación (los fotones) el 15%.

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