Enorme experimento de materia oscura sólo encuentra más misterios

La búsqueda de la materia oscura se pone cada vez más confusa. Los científicos publicaron los resultados de los tres primeros meses del experimento Large Underground Xenon, que busca directamente las partículas invisibles que se piensa son la materia oscura

Muchos físicos esperaban que los resultados podrían aclarar la situación en torno a los experimentos de materia oscura, que han conducido hasta ahora a conclusiones contradictorias sobre la naturaleza de la misteriosa sustancia. Algunos pensaban que LUX podría indicarles qué camino tomar, reduciendo los tipos de partículas que podrían ser consideradas. En cambio, el experimento los dejó con las manos vacías.

«Básicamente, no vimos nada. Pero no vimos nada mejor que nadie hasta ahora», dijo el físico de partículas Daniel McKinsey de Yale, miembro de la colaboración LUX.

Podría parecer extraño al resto de nosotros, pero un hallazgo nulo es realmente alentador para los físicos, que usarán los resultados para establecer límites estrictos sobre qué tipo de materia oscura se podría esperar encontrar en el futuro. También parece descartar los resultados de varios experimentos anteriores, que habían visto indicios de lo que podría ser la materia oscura.

«Algo que habían pensado que entraba en el juego está siendo expulsado del campo», dijo el físico Richard Gaitskell de la Universidad de Brown, quien también trabaja en LUX.

Pero otros científicos no están convencidos de que el LUX haya excluido sus resultados, y es probable que el debate continue.

Cuando los astrónomos observan el universo, ven materia oscura en todas partes. Es cierto, no la ven directamente (es oscura, después de todo). Pero ellos saben cómo funciona la gravedad y sus ecuaciones indican que para que las estrellas giren alrededor de las galaxias a la velocidad que lo hacen debe haber un montón de masa invisible tirando de ellas. Por otra parte, las simulaciones del universo muestran que es necesaria la materia oscura para que el cosmos tenga la estructura a gran escala que posee.

Motivados por estas observaciones, los físicos calculan que por cada protón, neutrón, y otras partículas de la materia ordinaria en el universo, debe haber más de cinco partículas de materia oscura. A pesar de que esto la convierte en la masa dominante en las galaxias y supercúmulos galácticos en el cosmos, la materia oscura es básicamente un fantasma.

Los físicos creen que la materia oscura está compuesta de lo que se conoce como partículas masivas de interacción débil o WIMPs. ¿Qué tan débil es la interacción de estas partículas? Si se va a construir un cubo de plomo 200 años luz en cada lado y enviar una partícula de materia oscura a través de ese cubo, tendría alrededor de un 50/50 oportunidad de llegar al otro lado sin interactuar con nada. Sí, hemos dicho años luz.

Es muy difícil para los científicos ponerse a buscar algo así. Pero son personas inteligentes y han construido una serie de impresionantes detectores que tratan de detectar una partícula de materia oscura.

LUX, como la mayoría de los experimentos de búsqueda directa de materia oscura, utiliza el principo de esperar a que algo golpee. El detector se compone de un número extremadamente grande de átomos, aumentando la probabilidad de que la materia oscura impacte contra ellos. En el caso de LUX, son átomos de xenón, un elemento muy estable que no presenta reacciones químicas molestas que puedan complicar los resultados.


En el Cúmulo Bala se ven dos cúmulos galácticos que se estrellan entre sí. Ofrece algunas de las mejores pruebas cosmológicas de la existencia de materia oscura en el universo. Imagen: Radiografía: NASA / CXC / CfA / M.Markevitch et al; óptico:. NASA / STScI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.

La idea es que una partícula de materia oscura podría pasar por un átomo de xenón, golpeando un electrón, al que LUX podría detectar como un aumento en la carga. Alternativamente, una partícula de materia oscura podría golpear plenamente en un átomo de xenón, llevando a uno de sus electrones a una órbita más alta. Cuando ese electrón vuelve a su estado fundamental, lanzaría un fotón, creando un pequeño destello de luz que uno de los 122 detectores fotomultiplicadores de LUX podría detectar.

La mayoría de los otros métodos de detección de dirección funcionan según principios similares y los experimentadores creen que sus sensores deben ser bien buenos para detectar la materia oscura. El problema en los últimos años fue que cada experimento parece estar indicando algo diferente a los demás.

Los principales resultados están más o menos dividido en dos bandos: los que piensan que las partículas WIMP de materia oscura son relativamente pesadas, y los que sospechan que podrían ser bastante livianas. Pesada en este caso significa una partícula de alrededor de 100 gigaelectronvoltios (GeV), o aproximadamente 100 veces la masa de un protón. Los WIMPs pesados son predichos por una teoría conocida como supersimetría, que añade una serie de nuevas partículas a los quarks, neutrinos y electrones que ya conocemos. Si un detector encuentra una partícula WIMP de 100 GeV, sería trascendental no sólo por ser la primera detección de la materia oscura, sino también como la primera evidencia real a favor de la supersimetría. Debido a que la supersimetría es considerada por muchos los científicos como el futuro de la física, una partícula de materia oscura de 100 GeV tiene un gran respaldo en el campo.

Pero hay otro contingente que considera que la materia oscura es mucho más liviana. Aunque no está previsto por ninguna teoría particular, los WIMPs livianos tienen algo que los hace muy atractivos: Varios experimentos pueden haber visto pruebas de ellos. Una colaboración llamada Coherent Germanium Neutrino Tecnology (CoGeNT), que utiliza cristales de germanio en su detector, encontró una señal que podría ser interpretada como materia oscura con una masa de entre 7 y 11 GeV. Otro equipo, Búsqueda Criogénica de Materia Oscura (CDMS), publicó resultados en abril que muestran lo que podrían ser tres partículas de materia oscura en el mismo rango de masa. Estos resultados son posibles indicios, pero no obstante son sólo meros indicios. Una colaboración aún más controversial, DAMA/LIBRA, ha afirmado haber observado señales de materia oscura durante la última década, más o menos.

Se suponía que LUX ayudaría a poner orden en esta desconcertante situación. Es más sensible que los experimentos anteriores por ser más grande, lo que significa que hay más átomos de xenón y por lo tanto una mayor probabilidad de que uno sea impactado, y está mejor protegido. Hay un millón de otras cosas dando vueltas en el mundo subatómico —rayos cósmicos, partículas cargadas, radiación— que podría confundirse con un impacto de materia oscura.

El detector LUX evita todas estas otras posibles falsos positivos mediante «la creación de lo que es esencialmente el lugar más tranquilo de la Tierra» en el rango de energías que se está buscando, dijo Gaitskell.

LUX está situado cerca de 1,6 kilómetros bajo tierra en un pozo de extracción de Dakota del Sur llamado Sanford Underground Research Facility. Eso mantiene fuera a las extrañas partículas cargadas y los rayos cósmicos que podrían venir desde el universo. Un tanque de agua que rodea al xenón líquido aísla aún más. El detector en sí está hecho de materiales que, naturalmente, no emiten mucha radiación, tales como el titanio y el teflón. Y, sólo por las dudas, el experimento sólo observa los átomos de xenón en el mismo centro del detector, ya que los átomos de xenón exteriores podrían recoger fragmentos subatómicos viajeros que hubiesen logrado penetrar a través de todas las otras protecciones.

Debido a lo cuidadosos que son, el equipo LUX tiene una buena reputación en la comunidad de la física y sus resultados se tomarán en serio. La colaboración calcula que sus detectores son dos veces más sensibles a las partículas de materia oscura WIMP pesadas y casi 20 veces más sensibles a los WIMPs livianos que la colaboración que le sigue, XENÓN 100. El resultado nulo de LUX sugiere que la idea de encontrar materia oscura WIMP liviana podría llegar a su fin.

«Es difícil conciliar nuestra completa falta de observación de una señal con los otros resultados», dijo Gaitskell. Si los tres impactos vistos en el experimento CDMS hubiesen sido verdaderas partículas de materia oscura, LUX, mucho más grande, debería haber detectado cerca de 1.600 eventos, agregó.

Pero los científicos que buscan WIMPs livianos no creen del todo que las conclusiones del equipo signifiquen la perdición para ellos. Los resultados de LUX recién han sido presentados a una revista revisada por pares, por lo que otros físicos todavía no le han dado una buena mirada.

Es posible que los detectores de xenón líquido de LUX no sean tan sensibles a los WIMPs livianos como cree el equipo, dijo el físico Juan Collar de la Universidad de Chicago, que dirige el experimento CoGENT. Un átomo de xenón tiene una masa que es aproximadamente 131 veces mayor que la de un protón, por lo que está más en sintonía con las partículas más pesadas que con las más livianas. El equipo LUX tiene que extrapolar sus resultados mediante modelos que predicen la cantidad de WIMPs de poca masa que podrían observar, y esos modelos pueden tener incorporados muchos supuestos.

«Mi opinión es que no han realizado ninguna de las calibraciones de baja energía que esperamos», dijo Collar en un correo electrónico.

El físico teórico Jonathan Feng de la Universidad de California, Irvine, tampoco está seguro de que el escenario de las WIMP livianas haya quedado descartado. La comparación de la tasa esperada de detecciones de partículas entre los cristales de germanio, como los de CoGENT y CDMS, y el xenón líquido, es un poco como comparar manzanas y naranjas.

«Al comparar la tasa de germanio con la del xenon, usted tiene que hacer el supuesto teórico» de que la materia oscura interactúa con todas las partículas de la misma manera, dijo Feng.

Pero los científicos no tienen idea de lo que es la materia oscura y qué posibles propiedades exóticas podría tener. Podría ser, simplemente, que las suposiciones sean erróneas y que la naturaleza sea más compleja que lo que sugieren los modelos más simples. Sin embargo, Feng reconoce que los resultados de LUX están empezando a corroer las predicciones de algunas teorías.

«Se está poniendo incómodo», dijo. «Uno de mis modelos favoritos [de la supersimetría] está siendo excluido. Queda un poco de margen de maniobra, pero está muy cerca».

Como es casi siempre el caso, se necesitan más datos para determinar cuál es la situación de la materia oscura. El CDMS está aún en marcha, al igual que CoGENT, que se espera produzcan nuevos resultados en un futuro próximo. LUX seguirán tomando datos y posiblemente observará algunos impactos algún día. Dos detectores más grandes, XENON 1T en Europa y el sucesor de LUX, denominado LZ, deberían entrar en funcionamiento dentro de unos años.

«Esto sigue siendo una batalla de peso pesado de 15 asaltos», dijo Feng. Pero con suerte la situación será aclarada dentro de los próximos 5 a 10 años, agregó.

Fuente: Wired. Aportado por Eduardo J. Carletti

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