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12 de Octubre de 2020
Física

La última oportunidad de las WIMP: se quiere buscarlas hasta las últimas consecuencias

Los investigadores llevan muchos años buscando esas partículas que, sin embargo, no aparecen. La generación final de detectores no debería dejar rincones donde se escondan.

El experimento XENON es uno de los que ha estado buscando la materia oscura [xenon1t.org].

Los físicos están haciendo planes para darle la última oportunidad de comparecer a una candidata a ser la materia negra, que ha contado con mucha aceptación pero que no se ha manifestado nunca pese a todos los intentos. Durante muchos años se ha estado proponiendo que las partículas masivas que interaccionan débilmente (WIMP) son las mejores candidatas a ser las constituyentes de la materia oscura, esa misteriosa sustancia que suma el 85 por ciento de la masa del universo. Pero experimentos diversos no han encontrado pruebas de las WIMP, de lo que se sigue, si existen, que sus propiedades no son las originalmente predichas. Ahora, los investigadores están empeñados en construir una generación final de detectores supersensibles (o bien un único detector «definitivo») que no les dejen a las partículas dónde esconderse.

«La hipótesis WIMP encarará su veredicto final con la tanda de observaciones de la próxima generación de detectores», dice Mariangela Lisanti, física de la Universidad de Princeton.

Se predijo hace mucho que el universo está impregnado de una sustancia invisible, que tiene masa pero no interacciona con la luz. Los efectos gravitatorios de la materia oscura explicarían por qué las galaxias no se disgregan al rotar a la velocidad a que lo hacen y el patrón desigual que se ve en el «rescoldo» de microondas de los primeros tiempos del universo. Las WIMP se convirtieron en las principales candidatas a ser la materia oscura en la década de 1980. Se solía predecir que su masa era entre una y mil veces la del protón y que sus interacciones con la materia eran muy poco intensas y se producían por medio de la fuerza nuclear débil, la que origina las desintegraciones radiactivas, o quizá de otra forma aún más débil.

Xenón superenfriado

En los meses venideros se reemprenderá en tres detectores subterráneos ya existentes (de Estados Unidos, Italia y China) la busca de partículas de materia oscura mediante sus interacciones en depósitos superenfriados de xenón. Con un método afinado hace más de diez años, podrían captar los destellos de luz reveladores del retroceso de los núcleos atómicos tras su interacción con las partículas de la materia oscura.

Los físicos tienen la esperanza de que estos experimentos, u otros detectores de WIMP que usan materiales como el germanio y el argón, detecten por fin de forma directa la materia oscura. Pero si no es así, los que investigan con el xenón ya están diseñando sus detectores definitivos de WIMP. Estos experimentos seguramente serían la última generación de su especie, ya que su sensibilidad sería tal que alcanzarían el «suelo neutrínico», un límite natural más allá del cual la materia oscura interaccionaría tan poco con los núcleos de xenón que su detección quedaría nublada por los neutrinos, que apenas interaccionan con la materia pero que llueven sobre la Tierra a un ritmo de billones por segundo. «No cubrir esa laguna sería de locos», dice Laura Baudis, física de la Universidad de Zúrich. «Las generaciones futuras nos dirían que cómo es posible que no lo hiciésemos».

De estos proyectos, el más avanzado es el planeado experimento DARWIN. De sacar adelante este detector, cuyo coste se calcula que estaría entre los 100 y 150 millones de dólares, se encarga la colaboración internacional XENON, que ya se encarga de uno de los tres experimentos de este año, un detector de seis toneladas, el XENONnT, instalado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en la región de los Abruzos, en Italia. DARWIN contendría casi diez veces ese volumen de xenón. Los miembros de la colaboración cuentan con subvenciones de varios organismos para desarrollar la tecnología del detector, como, por ejemplo, las técnicas de detección precisa que se aplicarían en la escala mucho mayor de DARWIN, explica Baudis, miembro destacado de XENON y portavoz de DARWIN.

Experimento mundial

El proyecto aparece también en los planes nacionales suizos de futuras infraestructuras científicas, y el ministro alemán de investigación ha convocado concesiones de fondos para investigaciones relacionadas con DARWIN; estos pasos dan a entender que es probable que las naciones contribuyan con más dinero en el futuro. Y aunque DARWIN no tiene todavía finalmente casa, puede que acabe en el Gran Sasso. En abril, el laboratorio invitó formalmente a la colaboración a que remitiese para finales de 2021 un proyecto conceptual de su diseño. «Nos dice con mucha claridad que el laboratorio está muy interesado en albergar un experimento así», dice el coportavoz Marc Schumann, físico de la Universidad de Friburgo, en Alemania. El equipo espera poder tomar datos en 2026.

Auque DARWIN está dirigido actualmente por la colaboración XENON, Baudis tiene la esperanza de que sus colegas chinos, que ponen en marcha este año un experimento llamado Panda-X-4t, o el equipo del experimento con xenón llamado Lux-Zeppelin, en Estados Unidos, se  unan a ella para construir un solo detector «definitivo». Estos equipos han pensado también en construir instalaciones de experimentos que les lleven al suelo neutrínico, pero «la meta es, por supuesto, tener un único experimento mundial de la materia oscura basado en el xenón», explica Baudis.

Los físicos quizá no tengan otra opción que asociarse, tanto es el xenón que hace falta. Resulta difícil conseguir este gas noble en grandes cantidades: los procesos con los que se lo extrae del aire son intensivos en energía y las industrias de la electrónica, la iluminación y el espacio compiten con su propia demanda. Un kilogramo puede costar más de 2500 dólares. Las 50 toneladas de DARWIN están cerca del total de la producción mundial por año, unas 70 toneladas, así que, y aunque los tres detectores existentes combinasen sus 25 toneladas, un experimento futuro tendría que comprar el resto en lotes a lo largo de varios años. «Tenemos que hacer ya planes minuciosos para ello», dice Baudis.

Los investigadores que para buscar la materia oscura usan argón en experimentos parecidos esperan también construir un detector que llegue al suelo neutrínico. Es probable que un experimento de 300 toneladas llamado ARGO empiece a funcionar hacia 2029; seguramente podría confirmar cualquier señal vista por DARWIN.

¿Por qué las WIMP?

Docenas de experimentos se han centrado en las WIMP porque hay fuertes razones teóricas en favor de su existencia. No solo explicarían por qué las galaxias parecen moverse como lo hacen, sino que su existencia concuerda con teorías de la física de partículas. El grupo de teorías que realizan la idea de la supersimetría, concebida en la década de 1970 para rellenar los huecos del modelo estándar de la física de las partículas fundamentales y sus interacciones, predice una partícula del tipo WIMP. Y cuando los físicos de partículas modelizan el universo primitivo, ven que las partículas con propiedades de tipo WIMP sobreviven a la sopa caliente de interacciones precisamente en cantidades suficientes para que concuerden con las abundancias que se observan hoy.

Pero los resultados nulos, de los detectores directos de materia oscura y de los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Partículas, significan que, si las WIMP existen, o la probabilidad de que interaccionen con la materia o su masa deben encontrarse en el extremo inferior de las predicciones iniciales. Que no se hayan detectado las WIMP ha hecho que los físicos «hagan una pausa y reflexionen» sobre el estado de la cuestión, dice Tien-Tien Yu, física de la Universidad de Oregón en Eugene. Muchos físicos, entre ellos Yu, buscan ahora otros candidatos para la materia oscura, a veces mediante experimentos más pequeños y baratos.

Con todo, las WIMP siguen siendo lo suficientemente atractivas desde un punto de vista teórico como para proseguir una búsqueda que empezó hace décadas, dice Yu. Y el equipo de DARWIN relata que su detector supersensible tendría una miríada de usos; por ejemplo, podría abordar los urgentes problemas de la física de los neutrinos, explica Baudis. Un misterio que DARWIN podría ayudar a resolver es el de si los neutrinos son su propia antipartícula.

Se trate de un solo experimento o de muchos, «me apostaría una buena cantidad de dinero a que se construirá un detector del estilo de DARWIN», dice Schumann.

Elizabeth Gibney / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Más información en el sitio en la red del experimento DARWIN.

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