La materia oscura sigue siendo uno de los grandes enigmas de la física: su existencia está confirmada por observaciones gravitatorias y cosmológicas, pero sus propiedades no gravitatorias son desconocidas. La materia oscura ultraligera resulta especialmente interesante, porque su naturaleza ondulatoria abre nuevas estrategias de detección. A diferencia de los experimentos habituales, basados en excitar partículas, la materia oscura ultraligera puede dispersarse de forma coherente en todos los nucleones de un blanco macroscópico, amplificando muchas veces la sección eficaz. Las propuestas existentes emplean blancos macroscópicos únicos, por ejemplo balanzas de torsión, pero el satélite MICROSCOPE, con su estructura multicapa concéntrica, es cualitativamente distinto. Cuando los tamaños y las distancias entre componentes son comparables a la longitud de onda de la materia oscura, la descripción estándar de la dispersión en un solo objeto deja de funcionar y aparecen efectos de interferencia, análogos a los de la óptica de dos rendijas. Este trabajo se sitúa junto a las investigaciones que usan balanzas de torsión e interferómetros atómicos para buscar materia oscura, pero por primera vez considera la interferencia entre varios blancos macroscópicos en un experimento espacial.
Los autores desarrollaron un formalismo teórico para la dispersión de ondas de materia oscura en varios blancos macroscópicos, generalizando la primera aproximación de Born. Calcularon la fuerza que actúa sobre cada cilindro a través de las amplitudes de dispersión, usando la ecuación de Lippmann-Schwinger y el teorema de Ehrenfest. Para el caso concreto de MICROSCOPE se consideran dos cilindros huecos coaxiales con un espacio radial de alrededor de 1 cm. La señal depende del ángulo de incidencia de la onda de materia oscura respecto al eje de sensibilidad, que cambia por la rotación del satélite. El análisis de los datos se hizo en el dominio de la frecuencia: la aceleración diferencial en la frecuencia de rotación se aproximó mediante la suma de un polinomio cúbico para la deriva y una plantilla de señal de materia oscura con sección eficaz desconocida. Las incertidumbres estadísticas se estimaron por mínimos cuadrados con pesos basados en la densidad espectral de ruido, y los errores sistemáticos se tomaron del análisis de equivalencia en esa misma frecuencia.
Los cálculos mostraron que, para longitudes de onda de materia oscura muy superiores al espacio radial entre los cilindros, la interferencia suprime por completo la aceleración diferencial, mientras que sin tenerla en cuenta esta tendería a un valor constante. Para la sesión 218, la señal estaba modulada por la rotación del satélite con una amplitud que depende de la masa de la materia oscura. El análisis de todas las sesiones de MICROSCOPE dio restricciones sobre la sección eficaz de dispersión de la materia oscura en los nucleones: para una masa de 5×10⁻³ eV, la sección eficaz fue de (−5,5±1,6estat±4,2sist)×10⁻⁵³ cm² para SUREF y de (14,9±5,3estat±4,5sist)×10⁻⁵³ cm² para SUEP. No se detectó ninguna señal significativa, por lo que se establecieron límites superiores a un nivel de 2σ. Las restricciones más estrictas, del orden de 10⁻⁵² cm², se alcanzaron con una masa de 5×10⁻³ eV, donde la longitud de coherencia es comparable a las dimensiones de los cilindros. Incluir la carcasa exterior como tercer dispersor refuerza la señal y mejora las restricciones.
Este trabajo demuestra por primera vez que la interferencia cuántica en la dispersión de ondas de materia oscura sobre varios objetos macroscópicos produce señales observables en acelerómetros de precisión. A diferencia de estudios cercanos que usan blancos únicos o balanzas de torsión, aquí se aprovecha la estructura concéntrica de MICROSCOPE, lo que permite explorar un régimen en el que la longitud de onda es comparable a las dimensiones de los cuerpos y a las distancias entre ellos. Las restricciones obtenidas sobre el acoplamiento cuadrático de la materia oscura con los nucleones en el rango de masas 10⁻³–10⁻² eV son dos órdenes de magnitud más fuertes que las anteriores. Esto consolida a los acelerómetros de precisión multicomponente como una nueva clase de detectores de la interferencia ondulatoria de la materia oscura.
El tema puede avanzar hacia el diseño de interferómetros especializados para materia oscura, con una geometría de los cuerpos optimizada. Tener en cuenta la interferencia con la carcasa exterior ya mostró un refuerzo de la señal, lo que abre el camino a aumentar la sensibilidad añadiendo más dispersores. Futuras misiones espaciales con acelerómetros más precisos y orientación controlada podrían aprovechar este efecto para buscar materia oscura en un rango de masas más amplio.
Los resultados influirán en el diseño de futuros experimentos de búsqueda de materia oscura ultraligera, en especial en los tests espaciales de equivalencia y en la gravimetría de precisión. También estimulan la investigación teórica sobre los efectos de interferencia en la dispersión de ondas de materia oscura sobre estructuras complejas.
El siguiente paso puede ser analizar los datos de otras misiones espaciales, como LISA Pathfinder, teniendo en cuenta la interferencia entre las masas de prueba. También es importante desarrollar modelos más precisos de los errores sistemáticos en la frecuencia de rotación para mejorar las restricciones.
El trabajo se relaciona con el problema no resuelto de la naturaleza de la materia oscura, en particular con la cuestión de sus interacciones no gravitatorias. También aborda el problema fundamental de la interferencia cuántica de objetos macroscópicos, que todavía no se ha observado para masas tan grandes como las masas de prueba de MICROSCOPE.
Los dos cilindros de MICROSCOPE están separados por un espacio de solo 1 centímetro, pero para las ondas de materia oscura con una masa de 5×10⁻³ eV la longitud de coherencia es de unos 10 centímetros, lo que les permite interferir como la luz en el experimento de Young.