Un nuevo detector abre la puerta a descubrir la materia oscura más difícil de encontrar

Se estima que cerca del 80 % de la masa total del universo está compuesta por materia oscura, una forma aún enigmática que plantea interrogantes clave a los científicos. A pesar de su peso gravitacional, persisten las dudas sobre la naturaleza y composición de las partículas que la constituyen. Para intentar desentrañar sus misterios, los investigadores buscan fotones (partículas de luz) que podrían surgir como consecuencia de colisiones entre materia oscura y la materia ordinaria que conocemos.

Hasta el momento, la mayoría de experimentos han intentado identificar partículas de materia oscura cuyas masas se asemejan, en mayor o menor grado, a las de las partículas elementales ya conocidas. Sin embargo, si estas partículas fueran más ligeras que un electrón, los detectores actuales probablemente serían incapaces de registrarlas. Ningún experimento ha logrado hasta ahora detectar directamente estas partículas. No obstante, la ausencia de resultados también resulta reveladora, ya que permite acotar el rango de masas y de fuerzas de interacción en el que las partículas de materia oscura podrían no encontrarse.

En este contexto, un grupo de investigadores internacionales, encabezado por Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning y Andreas Schilling, todos ellos vinculados al Departamento de Física de la Universidad de Zúrich (UZH), ha conseguido avanzar en el rastreo de partículas de materia oscura con masas inferiores a un megaelectronvoltio (MeV).

Para ello, han perfeccionado un detector superconductor de fotón único en forma de nanocable (SNSPD, por sus siglas en inglés), logrando una sensibilidad capaz de detectar partículas cuya masa equivalga a tan solo una décima parte de la del electrón. Por encima de ese umbral, la presencia de materia oscura resulta cada vez menos probable. Según explicó Laura Baudis, autora principal del estudio, «esta es la primera vez que hemos podido buscar partículas de materia oscura en un rango de masas tan bajo, gracias a una nueva tecnología de detector».

En una prueba inicial realizada en 2022, el equipo ya había experimentado con un primer SNSPD capaz de registrar fotones de muy baja energía. El funcionamiento del dispositivo se basa en un fenómeno físico preciso: cuando un fotón impacta sobre el nanocable, genera un leve aumento de temperatura que interrumpe momentáneamente la superconductividad del alambre. Este cambio provoca una breve transición a un estado conductor convencional, lo que incrementa la resistencia eléctrica y permite registrar el suceso.

En su experimento más reciente, los investigadores suizos ajustaron el SNSPD para adaptarlo específicamente a la detección de señales compatibles con materia oscura. Sustituyeron los nanocables originales por microalambres superconductores, incrementando así la sección transversal del detector, y adoptaron un diseño plano y delgado con gran sensibilidad direccional. Este último rasgo resulta crucial, ya que se parte de la hipótesis de que la Tierra está atravesada por un flujo constante de partículas de materia oscura, cuya dirección varía a lo largo del año debido al movimiento del planeta en su órbita. Un aparato capaz de identificar esos cambios direccionales podría distinguir entre señales genuinas y falsos positivos ajenos a la materia oscura.

Titus Neupert señala que «nuevas mejoras tecnológicas del SNSPD podrían permitirnos detectar señales de partículas de materia oscura con masas aún menores. También queremos desplegar el sistema bajo tierra, donde estará mejor protegido de otras fuentes de radiación». No obstante, advirtió que, por debajo de la masa del electrón, los modelos teóricos actuales para explicar la materia oscura enfrentan serias restricciones de orden astrofísico y cosmológico.