Este artículo se publica en colaboración con Futurity.
El detector de materia oscura más sensible del mundo acaba de recibir una importante mejora.
El detector, denominado el experimento de materia oscura Large Underground Xenon (LUX), opera a casi una milla bajo tierra, en Dakota del Sur, en el Sanford Underground Research Facility. Un nuevo conjunto de técnicas de calibración ha mejorado notablemente su sensibilidad.
Los investigadores de LUX buscan WIMP (weakly interacting massive particles, partículas masivas de interacción débil), que se encuentran entre los principales candidatos a materia oscura.
“Es vital que sigamos ampliando las capacidades de nuestro detector en la búsqueda de las esquivas partículas de materia oscura”, afirma Rick Gaitskell, catedrático de física de la Universidad de Brown y codirector científico del experimento LUX. “Hemos mejorado la sensibilidad de LUX más de 20 veces para partículas de materia oscura de baja masa, lo que aumenta significativamente nuestra capacidad para buscar WIMP.”
La nueva investigación se describe en un artículo enviado a Physical Review Letters y publicado en ArXiv. El trabajo reexamina los datos recogidos durante la primera serie de tres meses de LUX, en 2013, y ayuda a descartar la posibilidad de detectar materia oscura en rangos de baja masa en los que otros experimentos habían comunicado posibles detecciones previamente.
“Hemos buscado partículas de materia oscura durante la primera serie de tres meses del experimento, pero estamos explotando nuevas técnicas de calibración que permiten precisar mejor cómo aparecerían ante nuestro detector”, afirma Alastair Currie, del Imperial College London. “Estas calibraciones han profundizado nuestra comprensión de la respuesta del xenón a la materia oscura y a los fondos. Esto nos permite buscar, con mayor confianza, partículas que antes no sabíamos que serían visibles para LUX.”
Cómo funciona LUX
Se cree que la materia oscura es la forma dominante de materia en el universo. Los científicos están seguros de su existencia porque sus efectos gravitatorios pueden observarse en la rotación de las galaxias y en la forma en que la luz se curva al viajar por el universo.
Dado que se cree que los WIMP interactúan con otra materia solo en muy raras ocasiones, todavía no se han detectado directamente.
LUX consta de un tercio de tonelada de xenón líquido rodeado de detectores de luz sensibles. Está diseñado para identificar las muy raras ocasiones en que una partícula de materia oscura colisiona con un átomo de xenón dentro del detector.
Cuando se produce una colisión, el átomo de xenón retrocede y emite un pequeño destello de luz, que es detectado por los sensores de luz de LUX. La ubicación del detector bajo una milla de roca ayuda a protegerlo de los rayos cósmicos y de otra radiación que interferiría con una señal de materia oscura.
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Hasta ahora, LUX no ha detectado una señal de materia oscura, pero su excepcional sensibilidad ha permitido a los científicos descartar casi por completo amplios rangos de masa en los que podrían existir partículas de materia oscura. Estas nuevas calibraciones aumentan aún más esa sensibilidad.
Una técnica de calibración utilizó neutrones como sustitutos de las partículas de materia oscura. Hacer rebotar neutrones contra los átomos de xenón permite a los científicos cuantificar cómo responde el detector LUX al proceso de retroceso.
“Es como un gran juego de billar en el que un neutrón es la bola blanca y los átomos de xenón son las bolas lisas y rayadas”, explica Gaitskell. “Podemos seguir el neutrón para deducir los detalles del retroceso del xenón y calibrar la respuesta de LUX mejor que nunca antes.”
Se cree que la naturaleza de la interacción entre neutrones y átomos de xenón es muy similar a la interacción entre la materia oscura y el xenón. “Solo que las partículas de materia oscura interactúan mucho más débilmente: alrededor de un millón de millones de millones de millones de veces más débilmente”, afirma Gaitskell.
‘Y así continúa la búsqueda’
Los experimentos con neutrones ayudan a calibrar el detector para las interacciones con el núcleo de xenón. Pero los científicos de LUX también han calibrado la respuesta del detector ante la deposición de pequeñas cantidades de energía por parte de electrones atómicos golpeados. Para ello se inyecta metano tritiado, un gas radiactivo, en el detector.
“En una campaña científica típica, la mayoría de lo que LUX registra son eventos de retroceso de electrones de fondo”, afirma Carter Hall, de la Universidad de Maryland. “El metano tritiado es una fuente conveniente de eventos similares, y ahora hemos estudiado cientos de miles de sus desintegraciones en LUX. Esto nos da confianza en que no confundiremos estos eventos corrientes con materia oscura.”
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Otro gas radiactivo, el criptón, se inyectó para ayudar a los científicos a distinguir entre las señales producidas por la radiactividad ambiental y una posible señal de materia oscura.
“El criptón se mezcla uniformemente en el xenón líquido y emite radiación con una energía conocida y específica, pero luego se desintegra rápidamente hasta convertirse en un isótopo estable no radiactivo”, afirma Dan McKinsey, catedrático de física de la Universidad de California, Berkeley y codirector científico de LUX, que también está afiliado al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. “Al medir la luz y la carga producidas por estos eventos de criptón en todo el xenón líquido, podemos uniformizar la respuesta del detector, lo que permite separar mejor los eventos de materia oscura de la radiactividad natural.”
Las mejoras de LUX, junto con las simulaciones informáticas avanzadas, han permitido a los científicos probar modelos adicionales de partículas de materia oscura que ahora pueden excluirse de la búsqueda.
“Y así continúa la búsqueda”, afirma McKinsey. “LUX vuelve a estar en modo de búsqueda en el Laboratorio Sanford. La última serie comenzó a finales de 2014 y se prevé que continúe hasta junio de 2016. Esta serie representará un aumento de la exposición de más de cuatro veces en comparación con nuestra anterior serie de 2013.”
“Tendremos muchas ganas de ver si alguna partícula de materia oscura se ha manifestado en los nuevos datos.”
La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autor: Kevin Stacey es autor en Futurity y responsable de noticias de Ciencias Físicas de la Universidad de Brown.
Imagen: La Vía Láctea REUTERS/NASA, ESA y el equipo Hubble Heritage.
