Una 'cámara bola de nieve' detectaría la materia oscura utilizando agua sobreenfriada

El descubrimiento podría usarse para detectar armas nucleares

Aunque la materia oscura constituye aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia, todavía no se ha detectado directamente.

Sistemas cada vez más sensibles están trabajando, observando y esperando a que las partículas de materia oscura errantes interactúen con ellos, y ahora los investigadores de la Universidad Estatal de Nueva York en Albany han desarrollado un nuevo detector de materia oscura que utiliza agua superenfriada.

Contrariamente a la creencia popular, es posible enfriar el agua a menos de 0°C (32°F) sin que se congele. Para formar cristales de hielo, las moléculas de agua necesitan superficies sólidas para adherirse. La suciedad u otras impurezas pueden iniciar ese proceso, y mientras se formen más cristales de hielo, más área de superficie habrá para los nuevos cristales.

Bajo condiciones cuidadosamente controladas, el agua pura puede permanecer líquida muy por debajo de su punto de congelación habitual, un proceso conocido como sobreenfriamiento.

Pero no hace falta mucho para que el agua enfriada en exceso se congele repentinamente. Se pueden formar rápidamente cristales de hielo si se perturba de alguna manera, por ejemplo, si se agita o se derrama o, en el caso de nubes sobreenfriadas, si son removidas por un avión que pasa.

Ciertas partículas también podrían provocar la congelación cuando chocan con las moléculas de agua, y tal vez eso incluya a las elusivas partículas de materia oscura.

En sus pruebas, los investigadores sobreenfriaron el agua hasta -20°C (-4°F) y luego la expusieron a diferentes tipos de partículas. Efectivamente, encontraron que algunas partículas provocaban la congelación en el nivel subatómico.

"Logramos descubrir una nueva propiedad del agua subenfriada", dice Matthew Szydagis, autor principal del estudio.

"Para nuestra gran sorpresa, encontramos que algunas partículas (neutrones) pero no otras (rayos gamma) provocan la congelación. Algunas partículas como los neutrones pueden incluso dispersarse varias veces dentro del agua. Pudimos mostrar esto no solo con las fuentes de partículas disponibles comercialmente, sino también con una placa "radiactiva" roja de Fiestaware con pintura a base de uranio naranja de los años 50".

Esto podría hacer que una gran tina de agua subenfriada sea un detector decente de materia oscura, que el equipo denomina "cámara bola de nieve". Se cree que la materia oscura está flotando a nuestro alrededor todo el tiempo, pero casi nunca interactúa con la materia normal.

Si sucede que interactúa con las moléculas de agua sobreenfriada, podría provocar una congelación de apariencia espontánea, siempre que se descarten todas las demás alteraciones. Este es un mecanismo similar al de los detectores de corriente que usan xenón líquido o helio superfluido, pero el agua superenfriada puede ser una sustancia mucho más barata y fácil de producir en grandes cantidades.

Además de ayudar en la búsqueda de materia oscura, los investigadores dicen que su descubrimiento también podría usarse para detectar armas nucleares en la carga, aumentar la comprensión de la formación de nubes y ayudar a aclarar cómo algunos mamíferos en hibernación, como la ardilla de tierra del Ártico, mantienen su líquido sanguíneo incluso por debajo de su punto de congelación.

Los investigadores presentaron sus hallazgos este fin de semana en la reunión de la American Physical Society 2019 en Denver. El estudio "The Snowball Chamber: Neutron-Induced Nucleation in Supercooled Water" ^[PDF], ha sido presentado para su publicación.