La búsqueda de la materia oscura, un componente que se estima representa la mayor parte de la masa del universo, continúa siendo uno de los grandes desafíos de la física contemporánea. A pesar de los esfuerzos de la comunidad científica por identificar partículas que podrían ser candidatas a esta enigmática sustancia, como los fotones oscuros y los axiones, su existencia y naturaleza siguen siendo altamente elusivas.
Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Ginebra, CERN y la Universidad Sapienza de Roma ha propuesto una nueva vía para la búsqueda de partículas de materia oscura. Su estudio, publicado en Physical Review Letters, sugiere que es posible detectar señales de materia oscura a través de su conversión en ondas de radio de baja frecuencia en la ionosfera terrestre. Este enfoque podría abrir nuevas posibilidades para futuras investigaciones, destacando un espacio de parámetros que hasta ahora no había sido explorado.
La conversión resonante en la ionosfera
Según Carl Beadle, primer autor del estudio, muchos investigadores han considerado la conversión resonante de candidatos ultraligeros de materia oscura, como los axiones o los fotones oscuros, en fotones del modelo estándar en entornos astrofísicos. Ejemplos de esto han sido explorados en estrellas de neutrones, la corona solar e incluso en planetas de nuestro sistema solar, como Júpiter. Sin embargo, este equipo se ha preguntado si se podría obtener una señal a partir de nuestro plasma local, la ionosfera, un entorno que es extremadamente bien monitoreado y comprendido.
Dentro de modelos teóricos, una fracción considerable o la totalidad de la materia oscura podría estar compuesta por axiones o fotones oscuros. La idea que proponen Beadle y sus colegas es que estas partículas pueden convertirse en fotones regulares dentro de la ionosfera, lo que permitiría su detección mediante antenas asequibles en la Tierra.
Beadle explica que la conversión resonante se produce si la masa de las partículas de materia oscura coincide con una frecuencia característica del plasma, conocida como «frecuencia de plasma», que está relacionada con la densidad de electrones libres en el plasma. Dado que esta densidad varía con la altura en la ionosfera, esta coincidencia puede ocurrir si la masa de la materia oscura se encuentra dentro del rango adecuado.
Los investigadores han calculado la tasa de conversión para la señal prevista, considerando diversos efectos que podrían debilitarla. Compararon los fotones que exhiben esta señal con el ruido de fondo que podría llegar a una antena potencial, estimando así el potencial de su enfoque para detectar axiones o fotones oscuros en un experimento real.
Los hallazgos sugieren que una antena dipolo eléctricamente pequeña podría detectar la señal que predicen. Esta hipótesis está lista para ser probada en futuros experimentos, que se anticipan como accesibles en términos de coste y que permiten explorar una gran parte del espacio teórico de la materia oscura.
Beadle subraya que existe menos incertidumbre astrofísica asociada con esta propuesta debido al profundo conocimiento que se tiene de la ionosfera y su ubicación. El reciente estudio del equipo de investigadores introduce una nueva vía para explorar regiones inexploradas del espacio de parámetros de la materia oscura. Beadle y sus colegas ya han comenzado a colaborar con otros físicos experimentales para planificar futuras búsquedas de materia oscura basadas en sus predicciones.
El avance en este campo podría no solo ampliar nuestro entendimiento sobre la materia oscura, sino también proporcionar herramientas de investigación más accesibles para la comunidad científica. La colaboración entre teóricos y experimentales es clave para avanzar en la identificación y comprensión de uno de los mayores misterios del universo.
