Este artículo fue publicado originalmente en La conversación. La publicación contribuyó con el artículo a Space.com’s Voces de expertos: artículo de opinión y perspectivas.
Los físicos como yo no entendemos completamente lo que constituye 83% de la materia del universo – algo que llamamos “materia oscura.” Pero con un tanque lleno de xenón enterrado casi una milla bajo Dakota del Sur, algún día podríamos ser capaces de medir qué es realmente la materia oscura.
En el modelo típico, la materia oscura representa la mayor parte de la atracción gravitatoria en el universo, proporcionando el pegamento que permite que estructuras como las galaxias, incluida la nuestra. vía Láctea, formar. A medida que el sistema solar orbita alrededor del centro de la Vía Láctea, la Tierra se mueve a través de un halo de materia oscuraque constituye la mayor parte de la materia de nuestra galaxia.
soy fisico interesado en comprender la naturaleza de la materia oscura. Una conjetura popular es que la materia oscura es un nuevo tipo de partícula, la Partícula Masiva de Interacción Débil, o debilucho. “WIMP” capta bastante bien la esencia de la partícula: tiene masa, lo que significa que interactúa gravitacionalmente, pero por lo demás interactúa muy débilmente, o rara vez, con la materia normal. Los WIMP en la Vía Láctea teóricamente vuelan a través de nosotros en Tierra todo el tiempo, pero debido a que interactúan débilmente, simplemente no golpean nada.
Buscando WIMP
Durante los últimos 30 años, los científicos han desarrollado un programa experimental para tratar de detectar las raras interacciones entre los WIMP y los átomos regulares. En la Tierra, sin embargo, estamos constantemente rodeados de niveles bajos y no peligrosos de radiactividad proveniente de elementos traza (principalmente uranio y torio) en el medio ambiente, así como también de rayos cósmicos del espacio. El objetivo de la búsqueda de materia oscura es construir un detector lo más sensible posible, para que pueda ver la materia oscura, y colocarlo en un lugar lo más silencioso posible, para que la señal de la materia oscura pueda verse sobre la radiactividad de fondo.
Con resultados publicados en julio de 2023el LUX-ZEPLINo LZ, la colaboración ha hecho precisamente eso, construyendo el detector de materia oscura más grande hasta la fecha y operándolo a 4,850 pies (1,478 metros) bajo tierra en el Instalación de investigación subterránea de Sanford en Lead, Dakota del Sur.
En el centro de LZ descansan 10 toneladas métricas (10.000 kilogramos) de xenón líquido. Cuando las partículas pasan a través del detector, pueden chocar con átomos de xenón, lo que provoca un destello de luz y la liberación de electrones.
En LZ, dos redes eléctricas masivas aplican un campo eléctrico a través del volumen de líquido, que empuja estos electrones liberados hacia la superficie del líquido. Cuando rompen la superficie, son arrastrados hacia el espacio sobre el líquido, que está lleno de gas xenón, y son acelerados por otro campo eléctrico para crear un segundo destello de luz.
Dos grandes conjuntos de sensores de luz recogen estos dos destellos de luz y, juntos, permiten a los investigadores reconstruir la posición, la energía y el tipo de interacción que tuvo lugar.
Reducción de la radiactividad
Todos los materiales de la Tierra, incluidos los utilizados en la construcción de detectores WIMP, emitir algo de radiación que podría enmascarar potencialmente las interacciones de la materia oscura. Por lo tanto, los científicos construyen detectores de materia oscura utilizando los materiales más “radiopuros”, es decir, libres de contaminantes radiactivos, que puedan encontrar, tanto dentro como fuera del detector.
Por ejemplo, al trabajar con fundiciones de metal, LZ pudo utilizar la titanio más limpio en la Tierra para construir el cilindro central, o criostato, que contiene el xenón líquido. El uso de este titanio especial reduce la radioactividad en LZ, creando un espacio claro para ver cualquier interacción de materia oscura. Además, el xenón líquido es tan denso que en realidad actúa como un escudo contra la radiación y es fácil de purificar el xenón de los contaminantes radiactivos que podrían colarse.
En LZ, el detector de xenón central vive dentro de otros dos detectores, llamados la piel de xenón y el detector externo. Estas capas de soporte captan la radiactividad al entrar o salir de la cámara central de xenón. Debido a que las interacciones con la materia oscura son tan raras, una partícula de materia oscura solo interactuará una vez en todo el aparato. Por lo tanto, si observamos un evento con múltiples interacciones en el xenón o en el detector externo, podemos suponer que no está siendo causado por un WIMP.
la cacería continúa
En el resultado de publicación reciente, usando 60 días de datos, LZ registró alrededor de cinco eventos por día en el detector. Eso es alrededor de un billón de eventos menos de los que registraría un detector de partículas típico en la superficie en un día. Al observar las características de estos eventos, los investigadores pueden decir con seguridad que hasta el momento ninguna interacción ha sido causada por la materia oscura. El resultado, por desgracia, no es un descubrimiento de nueva física, pero podemos establecer límites sobre cuán débilmente debe interactuar la materia oscura, ya que LZ no la ve.
Estos límites ayudan a decirles a los físicos qué no es la materia oscura, y LZ lo hace mejor que cualquier otro experimento en el mundo. Mientras tanto, hay esperanza para lo que viene después en la búsqueda de materia oscura. LZ está recopilando más datos ahora y esperamos obtener más de 15 veces más datos en los próximos años. Una interacción WIMP ya puede estar en ese conjunto de datos, esperando ser revelada en la próxima ronda de análisis.
Este artículo fue publicado por primera vez por La conversación.