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Jul 29, 2023

¿La búsqueda de partículas de materia oscura e invisibles?

Nuestro Universo está lleno de misterios esperando ser resueltos. Uno de los mayores enigmas de la física moderna es la naturaleza de las partículas de materia oscura y los neutrinos. A pesar de que constituyen un

Nuestro Universo está lleno de misterios esperando ser resueltos. Uno de los mayores enigmas de la física moderna es la naturaleza de las partículas de materia oscura y los neutrinos. A pesar de que constituyen una parte importante del Universo, todavía sabemos poco sobre estas esquivas partículas. Sin embargo, con la ayuda de tecnologías innovadoras, estamos cada vez más cerca de comprender sus propiedades, de modo que podamos utilizarlas como una nueva ventana al Universo oculto. Esta búsqueda de conocimiento no sólo profundiza nuestra comprensión del Universo sino que tiene el potencial de revolucionar nuestra forma de vida.

Aquí veremos cómo DarkWave, un proyecto financiado por la Comisión Europea (Subvención No 952480) e implementado por un consorcio de cinco institutos de investigación: AstroCeNT/Centro Astronómico Nicolaus Copernicus (un Centro de Excelencia en física de astropartículas recientemente establecido en Polonia) , Laboratoire Astropicule & Cosmologie/CNRS, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare y el Instituto Científico Gran Sasso de la Universidad Técnica de Múnich – contribuyen a este esfuerzo científico.

En el modelo estándar actual de cosmología, las partículas de materia oscura constituyen el 27% del Universo y están impulsando la forma en que se forman, evolucionan y se mueven las estructuras observadas a escala de galaxias y de mayor tamaño. La materia normal aporta el 5%, de los cuales los neutrinos aportan el 0,3%. El resto está lleno de energía oscura, que afecta la tasa de expansión del Universo.

A diferencia de la materia ordinaria, los neutrinos y la materia oscura no responden a la fuerza electromagnética. Ni siquiera son sólo oscuros sino absolutamente transparentes: no absorben, reflejan ni dispersan fotones. Esto les dificulta tener algún efecto sobre la materia normal: una gran cantidad de neutrinos cósmicos y partículas de materia oscura fluyen constantemente a través de la Tierra sin un efecto perceptible. Sin embargo, tanto el modelo estándar de cosmología como el modelo estándar de física de partículas sólo tienen sentido si hay una partícula de materia oscura, y las propiedades de los neutrinos y la materia oscura son clave para nuestra comprensión de la evolución del Universo. Por eso construimos detectores para observarlos.

Las interacciones de los neutrinos con la materia inducen cargas eléctricas detectables, pero son tan raras que se deben observar grandes cantidades de átomos objetivo para lograr incluso una pequeña cantidad de interacciones. En el caso de la materia oscura, la situación es aún más complicada: aún no sabemos qué tipo de partícula es la materia oscura.

Algunas teorías de la física de partículas predicen una partícula masiva de interacción débil (WIMP) que podría dispersarse en los núcleos atómicos, impartiéndoles algo de energía cinética. Se deben observar toneladas de átomos objetivo para detectar esta repentina liberación adicional de energía cinética durante años. Estos experimentos se realizan en laboratorios subterráneos profundos, como el INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italia, donde se está construyendo DarkSide-20k, el siguiente detector de materia oscura más sensible. Se necesitan kilómetros de roca para proteger la radiación cósmica natural, que de otro modo ahogaría por completo las señales exóticas buscadas.

Detectar estas partículas invisibles de materia oscura se reduce a detectar los fotones que inducen indirectamente en la materia. Una de las mejores formas de ser sensible a las interacciones WIMP y neutrinos es con un centelleador, un material que emite destellos de luz. Esta luz viaja a través del gran volumen del detector y se detecta con fotosensores dispuestos alrededor del volumen objetivo. El argón líquido es un excelente centelleador, pero detectar su emisión es otro desafío. La mayoría de los sensores comerciales no son sensibles a la luz ultravioleta lejana que emiten; debe convertirse en luz visible utilizando los llamados materiales desplazadores de longitud de onda (WLS). Uno de los desafíos para la próxima generación de detectores de materia oscura y neutrinos es ampliar las tecnologías WLS y de fotosensores a 100 m2 y más. El proyecto DarkWave aborda aspectos clave de este desafío: generación, captación y detección de luz.

Para maximizar la cantidad de luz generada, se utilizará argón líquido especialmente purificado. Antes de llenar el detector DarkSide-20k, el argón se refinará en las instalaciones Aria recientemente inauguradas en Cerdeña, donde se está construyendo una torre de destilación criogénica de 350 m de altura. Cada fotón es importante, por lo que se utiliza una combinación de WLS altamente eficiente y materiales reflectores para revestir las paredes del detector. El detector de veto, que rodea al detector WIMP principal y suprime los fondos de radiación natural, tiene una superficie de 200 m2. Después de extensas pruebas y creación de prototipos dirigidas por AstroCeNT, y mediciones en argón líquido en Gran Sasso, la Universidad de Zúrich y el CERN, se seleccionó como WLS un plástico común, el naftalato de polietileno (PEN), normalmente utilizado para fabricar cosas como botellas de cerveza. por el veto. La eficiencia de PEN es menor que la de los materiales fabricados específicamente, pero la compensa por su bajo costo y sus instalaciones industriales de fabricación de gran superficie existentes.

Luego se necesitarán 26 m2 de fotosensores, para los que se utilizarán novedosos módulos fotomultiplicadores de silicio. La colaboración DarkSide-20k ha sido pionera en esta tecnología para argón líquido y ha desarrollado unidades de fotodetección (PDU) de 20 cm x 20 cm, que reemplazan los grandes tubos fotomultiplicadores de vidrio tradicionales, tienen mayor eficiencia y aportan menos fondos. Participar en la producción en masa de PDU en LNGS, así como en sus pruebas criogénicas en AstroCeNT, son parte de nuestro proyecto. Esto se complementa con el desarrollo de herramientas avanzadas de simulación y análisis de los datos de la PDU, liderado por APC. Aún se están realizando más investigaciones para futuros detectores aún más sensibles. En AstroCeNT y TUM se estudian nuevos WLS mejorados, con posibles aplicaciones también en energía fotovoltaica. En INFN Torino se desarrollan fotomultiplicadores digitales de silicio (SiPM). También encuentran uso en la tomografía por emisión de positrones (PET) para diagnosticar el cáncer, como en el proyecto 3Dπ en el que participan miembros de DarkWave.

Otra sinergia explotada por DarkWave implica la observación de ondas gravitacionales en detectores muy sensibles, como LIGO y su homólogo europeo, Virgo. Las fluctuaciones extremadamente pequeñas en el espacio-tiempo debidas al paso de una onda gravitacional hacen que una distancia de varios kilómetros se expanda o contraiga menos que el diámetro de un protón. Estas pequeñas contracciones pueden detectarse siempre que se minimicen, supervisen y resten adecuadamente de los datos el ruido y las vibraciones externos. El ruido newtoniano, causado por el movimiento de masas en las proximidades del detector, puede obstaculizar futuras mejoras en la sensibilidad.

En Virgo se han instalado redes de sensores sísmicos e infrasonidos muy sensibles, desarrollados y prototipados con éxito por AstroCeNT, que ahora se utilizan para medir el ruido sísmico e infrasonido y para estimar el ruido newtoniano. También se utilizan para caracterizar las ubicaciones candidatas para el Telescopio Einstein, el observatorio de próxima generación. Aunque no se utilizan directamente en detectores de materia oscura y neutrinos, siguen desempeñando un papel para ayudar a controlar el ruido de fondo y el rendimiento del detector. En la primavera de 2023, se instaló un gran conjunto de sensores sísmicos en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso para estudiar el ruido sísmico en la ubicación DarkSide-20k.

Unas sensibilidades sin precedentes para la detección de señales ultradébiles del Universo oculto requieren una importante I+D para ampliar los detectores y nuevas tecnologías disruptivas, que también benefician a la sociedad. Esto es particularmente cierto en las áreas de recolección y detección de luz, donde DarkWave ha fomentado con éxito la cooperación y unido múltiples colaboraciones experimentales trabajando con partículas de materia oscura, neutrinos y ondas gravitacionales.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimocuarta edición de nuestra publicación trimestral.

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