El detector más sensible de materia oscura arrojó sus primeros resultados

Cámara de xenón sin las capas protectoras. 
Enrico Sacchetti

El proyecto de colaboración XENON ha concluido con el procesamiento de los primeros datos recabados por el nuevo detector ultrasensible de materia oscura, el XENON1T. La primera etapa de la toma de muestra duró 34 días y concluyó antes de lo previsto debido al terremoto de enero del presente año en Italia, país en donde se encuentran las instalaciones del estudio. Sin embargo, los científicos consideran que la muestra recolectada durante esos días es suficiente como para actualizar el cálculo que se tiene de la posible dispersión de materia oscura en los nucleones del experimento. Una pre-impresión del artículo ha sido publicado en Arxiv.org.
 
El concepto de materia oscura ha sido postulado en la ciencia durante los años 70’s y surgió como un intento de explicar el movimiento anormal de las galaxias en los cúmulos de galaxias. Las observaciones han demostrado que las galaxias alejadas del centro de un cúmulo tienen una velocidad mayor a la predicha por la Teoría de la Relatividad y otras teorías de la física.
 
De este modo, para “ajustar” la velocidad de una galaxia según la Teoría de la Relatividad, los científicos agregaron una nueva sustancia hipotética al Universo: la materia oscura. Así, con la presencia de esta sustancia, la modificación del movimiento de una galaxia se explicaría gracias a la acción de su masa. A pesar de  participar de las interacciones gravitacionales, la materia oscura recibe su nombre debido a la imposibilidad de detectarla en el espectro de ondas, desde las gamma hasta las de radio. Los científicos calculan que la masa de la materia oscura en el Universo observable es aproximadamente cinco veces mayor que la masa de una sustancia “común”. En este artículo explicamos a mayor detalle en qué consiste esta sustancia y los avances tecnológicos para su investigación. 
 
La materia oscura consiste en una serie de partículas hipotéticas llamadas WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, "partículas masivas que interactúan débilmente"), las cuales interactúan de modo muy débil en la materia común. En 2008, la colaboración de investigación DAMA, ubicada en las mismas instalaciones que XENON1T, anunció que detectó un WIMP estacional. Los científicos han intentado explicar los resultados de esta investigación de laboratorio a través del siguiente modelo: como el Sistema Solar se mueve alrededor del centro de la Vía Láctea y la Tierra alrededor del Sol; entonces, en diferentes momentos del año, la Tierra se mueve más rápido o más lento en relación a su velocidad media relativa al centro de la Vía Láctea. Por lo tanto, la Tierra recibe distintas cantidades de WIMP por intervalos. 
 
En noviembre de 2016 se iniciaron las operaciones del detector más preciso de materia oscura conocido hasta la fecha, el XENON1T. Este es una versión mejorada de su antecesor, el XENON100. Las instalaciones están ubicadas 1400 m debajo de una montaña cerca del Laboratorio Nacional Gran Sasso, en Italia, para proteger al detector de interferencias de radiación externas. El equipo consiste en un cilindro que contiene aproximadamente 3.2 toneladas de una mezcla de xenón en estado líquido y gaseoso, suspendido a una temperatura de -96 °C y una presión de 1.9 bar. Además, a manera de proteger el contenido de partículas accidentales no WIMP, es decir, interferencias, el xenón está sumergido en un tanque con varias capas de agua y otros materiales. 
 
El proceso de detección de la materia oscura en el XENON1T se basa en la búsqueda de generar fotones e ionizar átomos dispersos de xenón por partículas WIMP. Los electrones liberados por acción del campo eléctrico externo pasarían del estado líquido al gaseoso, el cual genera una señal centellante. Al analizar las características de las señales de los fotones y electrones se podrían distinguir WIMP de eventos asociados con la desintegración normal del xenón, entre otros efectos colaterales. 
 

Gráfica de un corte transversal de la distribución de WIMP en relación a su masa. La línea negra corresponde a un resultado de 90% de fiabilidad. La probabilidad de caer en un punto de la gráfica en la línea verde es de 1σ; y en la amarilla, de 2σ. Los resultados de otros experimentos han sido presentados a modo de comparación. 
Purdue University


Durante el desarrollo del experimento, no se registró una dispersión de WIMP en los nucleones, con lo cual tampoco se puede obtener un cálculo superior de la presencia de estas partículas en un corte transversal de la muestra (recordemos que a mayores cortes, mayores probabilidades). Pero por ahora, la mejor noticia es que los científicos obtuvieron resultados con un nivel de fiabilidad del 90% que ayudará a acumular información muy útil que a su vez permitirá probar la hipótesis de los WIMP en una región de de masa y corte transversal con átomos normales como nunca antes se hizo.  Una futura colaboración continuará recolectando muestras y analizará información para por fin “atrapar” a la tan ansiada partícula WIMP. 
 
Alexander Chepilko

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