Ponen en marcha un nuevo detector que busca, en la más completa oscuridad bajo el suelo de Dakota del Sur (EE.UU.), un diminuto «flash» que suponga un hito en el mundo de la ciencia

A 1,5 kilómetros bajo la superficie terrestre, un grupo de científicos está intentando descubrir la identidad exacta de la materia oscura. Con un nuevo detector, que empezaron a construir en 2008 y han puesto en funcionamiento ahora, investigadores de 17 universidades de todo el mundo participan en el experimento LUX en las profundidades de una antigua mina de oro. Se trata de buscar en el ambiente más oscuro posible, a salvo de cualquier haz de luz de cualquier longitud de onda, un minúsculo flash que indicaría una colisión entre una partícula de materia oscura y una partícula de materia normal.

Los científicos que participan en el experimento Large Underground Xenon (LUX) han informado de unos primeros resultados prometedores, tanto desde el punto de vista tecnológico como científico. Este experimento se ha creado para determinar la naturaleza de la materia oscura, una sustancia invisible que los físicos creen que está a nuestro alrededor y que constituiría la mayor parte de la materia en el universo, pero que apenas tiene efecto en nuestras vidas cotidianas. Los científicos acaban de publicar los primeros resultados que, dicen, validan el diseño y el rendimiento de la prueba. Esta investigación desafía estudios previos que afirmaban ‘avistamientos’ de la materia oscura, y ahora está comenzando el proceso de descubrir la identidad exacta de la partícula de materia oscura, un proceso equivalente al trabajo realizado por el Large Hadron Collider en la identificación del bosón de Higgs.

El nuevo laboratorio está situado en una antigua mina de oro cerca de un kilómetro y medio por debajo de las montañas Black Hills, en el estado norteamericano de Dakota del Sur. Los trabajos en el LUX comenzaron en 2008, y el experimento quedó listo para una primera prueba a principios de 2013. En este entorno los científicos están operando algunos de los equipos más sensibles del mundo en un ambiente extremadamente protegido, porque están buscando los minúsculos y extremadamente raros flashes de luz que indicarían una colisión entre una partícula de materia oscura y una partícula de materia normal.

“Hacen falta muchos años para construir estos instrumentos, y siempre estamos empujando las nuevas tecnologías al límite”, afirma el Dr. Enrique Araújo, del Departamento de Física del Imperial College de Londres, quien dirige el equipo de esta universidad que está trabajando en LUX. “Es muy significativo que estuvimos trabajando mucho tiempo en el diseño de LUX hasta que finalmente pudimos presionar el botón “on”. Muchos experimentos nunca alcanzan esta etapa”. Los físicos creen que la materia oscura constituye alrededor de un cuarto de la energía del Universo. Esto es mucho si lo comparamos con la materia ordinaria, que constituye sólo una vigésima parte. El resto se compone de una energía oscura aún más misteriosa.

Datos de mayo de 2004. La zona verde representa el resultado del experimento DAMA, en comparación con los límites de precisión de los experimentos CDMS y EDELWEISS. (como podréis ver, son muchos los experimentos que han buscado las partículas de “materia oscura” sin resultado alguno (introducción del blog que nada tiene que ver con el reportaje).

Desde que el experimento fue instalado bajo tierra en febrero, los investigadores han estado buscando han estado buscando Particulas Masivas de Interacción Débild, WIWPs (Weakly Interacting Massive Particles), que son las principales candidatas a constituir la materia oscura en nuestra galaxia y en el resto del universo. Estas partículas se cree que tienen masa como las partículas normales y que crean una pequeña fuerza de gravedad, pero no pueden ser observados directamente ya que no emiten ni rebotan la luz en ninguna longitud de onda. En escalas más grandes su presencia puede inferirse a partir del movimiento de las estrellas en las galaxias, y de las galaxias individuales en los cúmulos galácticos.

Procedentes del espacio

Las colisiones entre las WIMPs y la materia normal son raras y muy difíciles de detectar porque las partículas de rayos cósmicos provenientes del espacio pueden enmascarar los ya tenues destellos que se esperan de las WIMPs. Sin embargo, pocos rayos cósmicos pueden penetrar tan profundamente como para alcanzar el subterráneo en el que han instalado el experimento LUX y, además, el detector está protegido de la radiación de fondo porque está sumergido en un tanque de blindaje de agua ultra-pura.

“Somos capaces de detectar las tenues destellos de luz usando de manera muy eficaz buenos materiales reflectores y sensores de fotones muy sensibles”, dice el Dr. Araújo, quien añade que “LUX tiene significativamente una mayor sensibilidad que los mejores experimentos sobre materia oscura que se han hecho anteriormente en el mundo, especialmente para las WIMPs más ligeras, que causan las señales más débiles . “

El experimento LUX no encuentra partículas WIMPs de “materia oscura” de menos de 33 GeV (Giga electrón Voltio).

El nuevo resultado LUX desafía las evidencias de otros experimentos, como el CoGeNT y el DAMA, en los que los científicos afirmaron previamente disponer de datos sobre la naturaleza de las WIMPs. El Dr. Araújo cree que “una serie de resultados previos vieron unas WIMPs con una masa especialmente baja. Aunque esta situación pudiera llegar a darse, los nuevos datos revelan que, en esas ocasiónes, se trataba de un caso de identidad equivocada”.

Hace una década, los científicos del programa ZEPLIN, dirigido por el Reino Unido, desplegaron el primer detector de materia oscura de este tipo bajo tierra, en la mina Boulby en North Yorkshire. “Hemos tenido un papel pionero en lo que ha sido la más sensible tecnología de búsqueda de la materia oscura del mundo al construir y operar con tres detectores en Boulby”, explica Araújo. “El último y más sensible, el ZEPLIN III, permitió concluir nuestro programa en 2011, y poco después disfrutamos de LUX”.

Científicos como el Dr. Araújo ya están diseñando, y pronto comenzarán la construcción, del experimento de nueva generación LZ, que es la unión de los dos programas LUX y ZEPLIN. Con 7 toneladas de xenón líquido como objetivo, el LZ será 30 veces mayor que el LUX y tendrá más de 100 veces mejor alcance. Será tan sensible que estará solamente limitado por la interferencia de las señales de fondo de los neutrinos astrofísicos. Estas partículas igualmente teóricas fueron hace tiempo candidatas a explicar el problema de la materia oscura, pero los físicos ya saben hoy que no son lo suficientemente masivas como para conseguir este objetivo.

El detector de LUX contiene 370 kg de xenón líquido, de los que 250 kg son útiles para la búsqueda de materia oscura. El análisis de los resultados de LUX durante los primeros 100 días de ejecución del experimento equivalen a un estudio de 85,3 días de un volumen de 118 ± 6,5 kg de xenón. La eficiencia de detección de LUX es excelente, como muestra esta comparación de los eventos observados con las simulaciones por ordenador (en el caso de que no haya partículas WIMP de baja masa).

Como muestra esta figura se han observado 160 sucesos (unos 2 al día) entre 2 y 30 phe (S1), siendo todos ellos consistentes con el fondo esperado, es decir, con la hipótesis nula (que no hay partículas WIMP de baja masa).

Este resultado de LUX es unas 20 veces más sensible que los resultados publicados a día de hoy por su competencia: Edelweiss II, CDMS II, ZEPLIN-III y XENON100. La ausencia de partículas WIMP de baja masa contradice los resultados (o indicios) sobre la modulación anual observada en CoGeNT y DAMA/LIBRA, que deben tener otro tipo de explicación. Por supuesto, los resultados de LUX tratan la búsqueda de partículas WIMP cuya interacción elástica con los nucleones del núcleo de xenón es independiente del espín (interaccionan por igual con neutrones y protones). Por ello no se puede descartar la existencia de partículas WIMP cuya interacción con los nucleones sea dependiente del espín.

LUX continuará tomando datos durante 2014 y 2015 lo que mejorará su sensibilidad de forma significativa, aunque no se mejoras espectaculares. Lo dicho, un nuevo resultado negativo en la búsqueda la materia oscura, que cada día parece más escondida en lugares recónditos del espacio posible de parámetros.

Corazón de titanio

El corazón del experimento LUX es un “termo” de titanio de casi dos metros de altura con un tercio de tonelada de xenón líquido enfriado a menos 100 grados centígrados. Cuando una WIMP impacta contra un átomo de xenón retrocede -como una bola de billar blanca cuando golpea el triángulo de apertura de bolas de colores en el snooker- y se emiten fotones de luz al tiempo que se liberan electrones de los átomos circundantes. Los electrones son atraídos hacia arriba por un campo eléctrico y son absorbidos en una capa delgada de gas xenón en la parte superior del tanque, liberando más fotones.

Los detectores de luz en la parte superior y la parte inferior del tanque son cada uno capaz de detectar estas dos firmas de fotones. Las ubicaciones de las dos señales se puede establecer claramente en el espacio de unos pocos milímetros. La energía de la interacción puede medirse con precisión a partir de la luminosidad de los pulsos de luz. Las partículas que interactúan en el xenón causarán estas señales, pero se espera que las interacciones de las WIMP tengan tamaños característicos muy diferentes de los causados por las partículas ordinarias.

La historia de nuestro planeta está marcada por grandes eventos de extinción a gran escala

“¿Puede la materia oscura explicar las grandes extinciones masivas sucedidas en nuestro planeta? Un grupo de investigadores de la Universidad de Nueva York, dirigidos por el biólogo Michael Rampino, están convencidos de que sí. De hecho, acaban de publicar un estudio en el que se concluye que el «camino» que sigue la Tierra alrededor y a través del disco de nuestra galaxia podría tener efectos directos y significativos tanto en los fenómenos geológicos como biológicos que suceden en nuestro planeta y que amenazan, cada cierto tiempo, a las formas de vida que habitan en él.

En concreto, en un artículo recién aparecido en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Rampino y sus colegas concluyen que nuestro movimiento a través de la materia oscura que contiene la galaxia puede perturbar las órbitas de los cometas y causar, además,un calentamiento adicional del núcleo del planeta. Dos fenómenos que pueden conectarse de forma directa a los eventos de extinción masiva sufridos por la Tierra en el pasado.

El disco galáctico es la región de la Vía Láctea en la que reside nuestro Sistema Solar. Se trata de una zona densamente poblada por estrellas y grandes nubes de gas y polvo, pero en ella se da también una alta concentración de materia oscura, el «otro» tipo de materia que ninguno de nuestros instrumentos puede detectar y cuya existencia conocemos solo gracias a sus efectos gravitatorios.

Estudios anteriores han mostrado que la Tierra efectúa una rotación completa alrededor del núcleo galáctico cada 250 millones de años. Pero la «senda» que sigue nuestro planeta a través del disco galáctico no es recta, sino ondulada, con el Sol y el resto de planetas del Sistema Solar atravesando el disco apróximadamente una vez cada 30 millones de años. Analizando el patrón seguido por la Tierra en sus «pasadas» a través del disco, Rampino se ha dado cuenta de que coinciden en el tiempo con periodos de intensos bombardeos de cometas y con las mayores extinciones masivas. El famoso cometa que hace 66 millones de años acabó con los dinosaurios es solo un ejemplo.

Las trayectorias de los cometas

¿Pero cuál es la causa de la correlación entre las «pasadas» de la Tierra a través del disco galáctico y los impactos y extinciones que parecen acompañarlas? Para Rampino, a medida que la Tierra pasa a través del disco galáctico, la materia oscura que allí se concentra perturba las trayectorias de los cometas, que normalmente orbitan muy lejos de la Tierra, en los confines del Sistema Solar. Y eso significa que muchos cometas que deberían viajar a grandes distancias de nosotros toman, debido a esa perturbación, caminos inusuales que provocan que algunos de ellos choquen con nuestro planeta.

Pero no solo eso. Para el investigador resulta aún mucho más notable el hecho de que, con cada «zambullida» de la Tierraen el disco galáctico, la materia oscura parece irse acumulando en el interior del núcleo terrestre. Y las partículas de materia oscura, al irse aniquilando unas a otras mediante colisiones, producen un calor considerable que se suma al del núcleo y que puede desencadenar eventos como oleadas de erupciones volcánicas, elevación de cordilleras, reversiones del campo magnético y cambios en el nivel del mar, acontecimientos que también muestran «picos» de intensidad cada 30 millones de años.

Rampino, por lo tanto, sugiere que los fenómenos astrofísicos que se derivan del camino ondulante que sigue la Tierra a través del disco de la galaxia, y la consiguiente acumulación de materia oscura en el interior del planeta, pueden resultar en dramáticos cambios tanto en la actividad geológica como biológica de la Tierra. Su modelo de las interacciones de materia oscura con la Tierra a medida que ésta gira alrededor de la galaxia puede cambiar de forma radical nuestra comprensión del desarrollo geológico y biológico, tanto en nuestro mundo como en otros planetas de la galaxia.

«Tenemos la suerte de vivir en un planeta que es ideal para el desarrollo de vida compleja —afirma Rampino— pero la historia de la Tierra está marcada por grandes eventos de extinción a gran escala, algunos de los cuales, además, resultan difíciles de explicar. Y podría ser que la materia oscura, cuya naturaleza se desconoce pero que constituye cerca de la cuarta parte de la masa del Universo, tenga la respuesta. Además de ser importante a gran escala, la materia oscura puede tener una influencia directa sobre la Tierra».

El investigador considera que en el futuro los geólogos deberían incorporar estos hallazgos astrofísicos para comprender mejor acontecimientos que hoy creemos que se deben solo a causas inherentes a la Tierra. Este modelo, añade Rampino, también proporciona nuevos conocimientos sobre la posible distribución y comportamiento de la materia oscura en el interior de nuestra galaxia.”

Hasta aquí la publicación del diario ABC en su apartado de Ciencia que, se limita a publicar lo que Rampino y los suyos dicen sobre el tema tratado y, al leerlo, de inmediato se me vino a la mente el recuerdo de aquel grupo de físicos italianos que nos dijeron que habían descubierto neutrinos que se desplazaban  más rápidos que la Luz… ¡Cómo son algunos y cuántas ganas de notariedad denotan, en sus desmedidas ganas de destacar!

Veámos los comentarios.