Los físicos que trabajan con el detector de materia oscura más grande del mundo, un gigante en los Estados Unidos conocido como LUX-ZEPLIN (LZ), publicaron sus primeros resultados hoy. No ven ninguna señal de lo que están buscando, las llamadas partículas masivas de interacción débil o WIMP. Aún así, el resultado está despertando interés entre los físicos de partículas, ya que la búsqueda de WIMP de casi 4 décadas se acerca a su clímax. El detector de EE. UU. se enciende al mismo tiempo que detectores similares en Italia y China, y juntos probablemente representen la penúltima generación de detectores WIMP, si no la última.
El nuevo hallazgo proviene de 65 días de datos tomados durante 4 meses a partir de diciembre de 2021, dice Richard Gaitskell, físico y miembro de LZ de la Universidad de Brown. Esa es una pequeña fracción de los 1000 días de datos que los investigadores de LZ pretenden obtener durante los próximos 3 a 5 años, dice, pero suficiente para demostrar que el detector funciona bien y ahora es el más sensible del mundo. “Estaríamos en condiciones de ver un exceso [of events] si hubiera uno”, dice Gaitskell, “pero no lo hay”.
Se cree que la materia oscura representa el 85% de toda la materia. Las observaciones astronómicas muestran, por ejemplo, que las estrellas en una galaxia típica giran tan rápido que su gravedad colectiva no es suficiente para evitar que vuelen al espacio. Entonces, los físicos asumen que algún tipo de materia oscura invisible, presumiblemente, una nueva partícula, proporciona la gravedad adicional necesaria para controlar las estrellas.
Desde la década de 1980, muchos físicos han pensado que la materia oscura se compone de WIMP, que interactuarían con la materia ordinaria a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil. Los WIMP habrían surgido de forma natural después del Big Bang y deberían persistir en cantidades suficientes para dar cuenta de la materia oscura, siempre que sean unas 100 veces más masivos que un protón. Penetrarían en la galaxia e incluso nos atravesarían, pero de vez en cuando uno debería chocar contra un núcleo atómico. Entonces, para buscar WIMP, los físicos solo necesitan buscar núcleos de retroceso en detectores subterráneos profundos, donde están protegidos de otros tipos de radiación que también pueden causar eventos de retroceso.
Durante 20 años, los científicos han desarrollado detectores cada vez más grandes que consisten en tanques de xenón líquido revestidos en la parte superior e inferior con fototubos de detección de luz. Cuando un WIMP golpea un núcleo, el núcleo en retroceso produce un destello de luz detectable. Además, los electrones liberados por el veloz núcleo son arrastrados por un campo eléctrico hacia la parte superior del tanque, produciendo un segundo destello. Comparando el tamaño y el momento de los destellos, los investigadores pueden distinguir los núcleos en retroceso de, por ejemplo, los electrones en retroceso, que pueden generarse cuando los rayos gamma golpean el detector. El propio xenón ayuda a proteger el corazón del tanque, reduciendo en gran medida la radiación de fondo allí.
El tanque central de LZ contiene 7 toneladas métricas de xenón líquido agazapado a 1480 metros de profundidad en las Instalaciones de Investigación Subterráneas de Sanford, en una mina de oro abandonada cerca de Lead, Dakota del Sur. Los investigadores de LZ ven 335 eventos de retroceso nuclear en su detector, Hugh Lippincott, físico de la Universidad de California, Santa Bárbara, y portavoz del equipo LZ de 287 miembros, informó hoy en un seminario en línea. Sin embargo, ese número equivale aproximadamente a los eventos de fondo esperados de los rastros inevitables de isótopos radiactivos como el plomo-214 en el xenón y otras fuentes, informó Lippincott, por lo que LZ no puede afirmar que ha detectado WIMP.
Pero el resultado nulo todavía tiene valor. Los físicos no pueden predecir con precisión la masa del WIMP o con qué fuerza debería interactuar con la materia ordinaria. Los investigadores de LZ pusieron los límites más estrictos hasta ahora en la fuerza de esas interacciones para masas WIMP entre aproximadamente 10 y 10,000 veces la de un protón. Los nuevos límites de LZ superan a los publicados en diciembre de 2021 por un equipo que utiliza PandaX-4T, un detector de xenón líquido de 3,7 toneladas ubicado en el laboratorio subterráneo Jinping de China.
Dada la modesta cantidad de datos de LZ y el límite experimental anterior de PandaX, el resultado nulo no sorprende, dice Dan Hooper, teórico del Fermi National Accelerator Laboratory. Aún así, Hooper dice que está emocionado de ver los resultados de LZ, PandaX-4T y un tercer experimento, XENONnT, un detector de 5,9 toneladas en el Laboratorio Nacional subterráneo Gran Sasso de Italia. Es la cuarta iteración de la colaboración XENON y se espera que publique sus primeros resultados a finales de este año. La competencia empujará a todos los equipos a trabajar más duro, dice Hooper. “El físico-capitalista en mí piensa que esto es algo bueno”.
Parte del entusiasmo por los WIMP como candidatos a la materia oscura se ha desvanecido en los últimos años, no solo porque hasta ahora las búsquedas han resultado vacías, sino también porque el mayor destructor de átomos del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones de Europa, aún tiene que explotar algo que parezca como un WIMP. Sin embargo, los físicos recién ahora están comenzando a investigar el corazón de los posibles rangos de masa y fuerza de interacción para los WIMP, sostiene Rafael Lang, físico y miembro del equipo XENON en la Universidad de Purdue. “En otras palabras, la mitad de los [possibilities] que estabas entusiasmado hace una o dos décadas todavía están vivos y bien”.
Los cazadores de WIMP ya están esbozando el último detector de xenón líquido, un gigante de 80 toneladas. “Eso es lo que puede hacer la tecnología”, dice Gaitskell. Tal detector llevaría el enfoque del xenón líquido a su límite, porque con ese tamaño, sería lo suficientemente sensible como para comenzar a detectar una avalancha de partículas llamadas neutrinos del Sol. Esos eventos inevitables serían indistinguibles de las colisiones WIMP, por lo que sería más o menos inútil construir un detector de xenón líquido más grande. Lang dice que los equipos de LZ y XENON ya han comenzado a trabajar juntos en un concepto. “Estoy encantado de que nuestras colaboraciones hayan unido fuerzas”.
