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.