Exploran la ionosfera de la Tierra en busca de señales de conversión de materia oscura

La materia oscura, que se predice que representa la mayor parte de la masa del universo, sigue siendo muy esquiva. Los físicos han estado buscando varias partículas que podrían ser candidatas prometedoras a materia oscura, como los fotones oscuros y los axiones, centrándose en las señales asociadas con su presencia o interacciones con otras partículas en condiciones específicas.

Investigadores de la Universidad de Ginebra, el CERN y la Universidad La Sapienza de Roma exploraron recientemente la posibilidad de buscar partículas de materia oscura centrándose en su conversión predicha en ondas de radio de baja frecuencia en la ionosfera de la Tierra. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría abrir nuevas posibilidades para futuras búsquedas de materia oscura, al destacar un espacio de parámetros que hasta ahora ha sido inexplorado.

«Muchos investigadores han considerado la conversión resonante de candidatos a materia oscura ultraligera (ULDM), como los axiones o los fotones oscuros, en fotones del modelo estándar en entornos astrofísicos», dijo Carl Beadle, primer autor del artículo, a Phys.org.

«Esto se ha estudiado, por ejemplo, en las estrellas de neutrones, la corona solar e incluso en planetas de nuestro sistema solar como Júpiter. Nos preguntamos si una señal de este tipo podría llegarnos desde nuestro plasma local, que se produce de forma natural: la ionosfera. Dado que está muy bien controlada y se entiende, nos pareció un lugar muy bueno para buscar».

En los modelos teóricos, una gran parte o la totalidad de la materia oscura puede estar compuesta de axiones o fotones oscuros. La idea propuesta por Beadle y sus colegas es que estas partículas pueden convertirse en fotones normales dentro de la ionosfera, lo que las haría detectables utilizando antenas asequibles en la Tierra.

«La conversión resonante se produce si la masa de las partículas de materia oscura coincide en valor con una frecuencia que caracteriza al plasma», explicó Beadle. «Se puede pensar en esta ‘frecuencia del plasma’ como si fuera la densidad numérica de electrones libres en el plasma, y ​​como esta densidad cambia con la altura en el plasma ionosférico, esta coincidencia puede ocurrir si la masa de la materia oscura cae en algún lugar del rango correcto».

Los investigadores calcularon la tasa de conversión de la señal que predijeron, teniendo en cuenta varios efectos que podrían debilitarla. Luego compararon los fotones que exhibían esta señal con el ruido (es decir, fotones no relacionados) que podrían alcanzar una antena potencial, para estimar el potencial de su método para detectar axiones de materia oscura o fotones oscuros en un experimento del mundo real.

Sus hallazgos sugieren que una antena dipolar eléctricamente pequeña podría detectar la señal predicha. Esta hipótesis podría probarse en futuros experimentos.

«Debemos enfatizar que creemos que este experimento sería razonablemente barato de producir y ejecutar, y permite que una gran parte del espacio teórico se investigue experimentalmente», dijo Beadle. «También hay menos incertidumbre astrofísica asociada con esta propuesta porque la ionosfera es muy conocida y debido a su ubicación».

El estudio reciente de este equipo de investigadores presenta una nueva vía para explorar regiones inexploradas del espacio de parámetros de materia oscura. Beadle y sus colegas ya han comenzado a trabajar con otros físicos experimentales para planificar futuras búsquedas de materia oscura basadas en sus predicciones.

«Hemos estado en contacto con varios grupos experimentales y ya hay datos preexistentes que analizar para buscar nuestra señal», añadió Beadle. «Hay otros investigadores interesados ​​en desarrollar nuestra propuesta. Ahora estamos muy entusiasmados por colaborar con los experimentadores para realizar pruebas, al tiempo que trabajamos para mejorar los cálculos de la señal».

Con información de Physical Review Letters