15 de Abril de 2021
Física de partículas

La última batalla de la materia oscura

Un nuevo experimento, XENONnT, aspira a descubrir las partículas invisibles que no hallaron sus predecesores.

VETO DE NEUTRONES: Entre las mejoras presentes en la última versión del experimento XENON, en el laboratorio italiano del Gran Sasso, se encuentra un sistema para identificar neutrones libres, los cuales pueden imitar los efectos de la materia oscura y generar una señal falsa. Esos neutrones pueden ser generados ocasionalmente por el acero inoxidable del tanque de agua que rodea al detector, así como por los rayos cósmicos. La jaula octogonal de este sistema de «veto de neutrones», tachonada con la parte posterior de los tubos fotomultiplicadores, se halla situada dentro del tanque de agua. [Fotografía: Enrico Sacchetti]

Los científicos acostumbran a decir que los resultados negativos son tan importantes como los positivos. Pero, tras varios decenios sin encontrar nada, es comprensible que estén impacientes. En los años noventa comenzaron los experimentos para detectar las hipotéticas partículas que componen la materia oscura, esa sustancia tan ubicua como invisible e intangible que parece llenar el cosmos. Desde entonces, los físicos han hallado cada vez más indicios de que la materia oscura es real, pero ni una sola señal de sus constituyentes. Ahora, una nueva versión del veterano experimento XENON aspira a romper esa dinámica.

Desde hace tiempo, una de las principales conjeturas para explicar la naturaleza de la materia oscura son las llamadas «partículas masivas que interaccionan débilmente», o WIMP, por sus siglas en inglés. Estas hipotéticas partículas elementales podrían tener una masa de entre 1 y 10.000 veces la del protón y solo interaccionarían con la materia ordinaria por medio de la gravedad y la fuerza nuclear débil, la misma que causa las desintegraciones radiactivas. Pero los años han ido apagando parte del entusiasmo inicial, a medida que los sucesivos experimentos que intentaban detectar WIMP acababan con las manos vacías.

«Empiezas a darle vueltas y a pensar que quizás hayamos apostado al caballo equivocado», admite Rafael Lang, físico de la Universidad Purdue que lleva más de una década trabajando en el experimento XENON, ubicado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia. No obstante, Lang asegura que por ahora sigue apostando por las WIMP y subraya que los experimentos han falsado muchas de las teorías que predicen sus propiedades, pero no todas ni mucho menos. «Si creíamos en las WIMP hace diez años, solo se han descartado la mitad de ellas», aduce. «La otra mitad sigue siendo viable.»

Por supuesto, también lo son muchos otros candidatos a dar cuenta de la materia oscura. Uno de los más prominentes es el axión, una partícula hipotética que sería mucho más ligera que las WIMP y que, en los últimos tiempos, se ha transmutado en una categoría flexible de posibilidades, las denominadas «partículas similares al axión». Otros científicos consideran que la materia oscura podría estar formada por partículas compuestas, conglomerados de «quarks oscuros» y «gluones oscuros», los cuales (al igual que los quarks y gluones ordinarios) se unirían para dar lugar a «núcleos oscuros». Pero también es posible que la materia oscura no se componga de partículas. Una de las ideas que aún se barajan es que esté hecha de agujeros negros primordiales, generados poco después de la gran explosión.

CAPAS DE CEBOLLA: Para impedir que entren partículas cuyos efectos puedan confundirse con los de la materia oscura, XENONnT posee varias capas protectoras concéntricas. La primera es la propia montaña bajo la que se encuentra el experimento, la cual detiene la mayoría de los rayos cósmicos. La siguiente es un tanque cilíndrico de agua de 10 metros de diámetro y 10 de alto que envuelve los distintos instrumentos y que bloquea la mayoría de las partículas generadas por la radiactividad de las paredes y rocas que rodean al laboratorio. En el tanque se encuentra el sistema de veto de neutrones, también lleno de agua y que aquí se muestra vacío desde dentro. Este contiene un criostato exterior (básicamente un termo) de color blanco, que a su vez incluye uno interior. Este último rodea al detector, lleno de xenón líquido. [Fotografía: Enrico Sacchetti]

La versión más reciente del experimento XENON, XENONnT, comenzó a operar a finales del año pasado. Su objetivo es detectar las partículas de materia oscura en las rarísimas ocasiones en que estas pudieran chocar contra los átomos ordinarios. En este experimento, los átomos en cuestión son de xenón. Un enorme tanque, enterrado bajo unos 1400 metros de roca que lo blindan frente a los rayos cósmicos y otros tipos de contaminación, contiene 8,3 toneladas de ese elemento en estado líquido.

El xenón, con 54 protones, otros tantos electrones y aún más neutrones, es muy denso y constituye una buena diana para los posibles impactos de la materia oscura. Si una partícula exótica chocara contra uno de esos átomos, su núcleo o uno de los electrones podría salir disparado a través del líquido. Eso produciría un destello de luz que los fotomultiplicadores, situados en la parte superior e inferior del tanque, podrían detectar. XENONnT contiene cuatro veces más xenón que la versión anterior del experimento, lo que multiplica por cuatro las probabilidades de observar una señal.

ESPEJOS PERFECTOS: Los tubos fotomultiplicadores rodean el tanque de agua. Este se encuentra revestido por una lámina reflectante que actúa como un espejo casi perfecto e impide que los fotones escapen. Gracias a ello y a la sensibilidad de los instrumentos, el experimento es capaz de detectar un fotón individual liberado por la interacción con una partícula. En este caso los tubos están diseñados para registrar las señales originadas por muones, los cuales pueden infiltrarse en el experimento en forma de rayos cósmicos. El sistema de veto de neutrones y el detector más interno poseen tubos fotomultiplicadores ligeramente distintos. [Fotografía: Enrico Sacchetti]

Otras mejoras consisten en una mayor purificación del xenón y en la incorporación de sistemas más sensibles para detectar los rayos cósmicos y las trazas de elementos radiactivos presentes en el experimento o en su carcasa, las cuales podrían generar señales similares a las de la materia oscura y falsear los resultados. «Cada tuerca y cada tornillo del detector se han fabricado a partir de materiales cuidadosamente seleccionados», destaca Lang. «Los tornillos de acero inoxidable que venden en las ferreterías son demasiado radiactivos para lo que necesitamos.»

Desde fuera, podría parecer que todos estos años de arduo trabajo sin la recompensa de un descubrimiento suponen una decepción. Pero muchos físicos no lo ven así. «Si nuestra vara de medir es si [el experimento] ha detectado materia oscura, no lo ha hecho. Pero a los ojos de la comunidad científica, se trata de un experimento tremendamente exitoso», asegura Dorota Grabowska, física teórica del CERN que no forma parte del proyecto. Su valor, prosigue, radica en las muchas posibilidades que ha descartado y en la creciente sensibilidad que ha ido adquiriendo.

PUESTA A PUNTO: Un miembro de la colaboración efectúa las últimas comprobaciones en el tanque de agua, aún vacío. XENONnT operará durante cinco años antes de alcanzar su sensibilidad de diseño. Para entonces, habrá descubierto WIMP o habrá descartado más de dos tercios de las opciones teóricas que aún se consideran viables. El experimento se desarrolla en paralelo a otro similar, el proyecto LUX-ZEPLIN, en Dakota del Sur. Ambos emplean configuraciones ligeramente distintas, por lo que podrán comprobar de manera independiente cualquier señal detectada por el otro. [Fotografía: Enrico Sacchetti]

La búsqueda de WIMP se halla en un punto de inflexión. En un futuro relativamente cercano, los experimentos subterráneos que buscan materia oscura habrán analizado la mayor parte del espacio teórico a su alcance. Si no han encontrado WIMP, puede que estas partículas no existan o que simplemente posean unas propiedades que las han hecho pasar inadvertidas.

Pero los científicos son ingeniosos y conciben constantemente nuevas ideas sobre lo que podría ser la materia oscura y nuevas maneras de buscarla, las cuales avanzan mucho más deprisa que la construcción de los detectores. «Hay mucho entusiasmo y creatividad en torno a la identificación de nuevos métodos para detectar candidatos a materia oscura», valora la física teórica Tongyan Lin, de la Universidad de California en San Diego. Una de las ideas en las que trabaja Lin se basa en usar cristales para detectar partículas oscuras. En forma cristalina, algunos elementos, como el silicio, podrían registrar las interacciones de la materia oscura a energías menores que las que exploran los detectores tradicionales, lo que abriría una nueva vía para descubrir su naturaleza.

Aunque la materia oscura se ha mostrado más esquiva de lo que algunos esperaban al principio, los físicos no piensan darse por vencidos. «Mucha gente cree que la ciencia es como en Star Trek», señala el físico teórico Tim Tait, de la Universidad de California en Irvine. «Ves algo, sacas un tricodificador y obtienes una respuesta. Pero en realidad se trata de un proceso muy enrevesado, en el que hay que intentar muchas cosas hasta encontrar algo que funciona. Todo lo que no funciona constituye una parte importante del proceso.»

Clara Moskowitz

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