Los astrónomos no saben qué es la materia oscura, pero sí saben que ocupa aproximadamente el 25% del universo. Un detector poderoso, subterráneo en un pozo de minas en Minnesota podría llegar al fondo del misterio. El proyecto Cryogenic Dark Matter Search II intentará detectar partículas masivas que interactúan débilmente (también conocido como WIMPS). Estas partículas teóricas normalmente no interactúan con la materia, pero la colisión rara ocasional puede ser detectable.
"Es cada vez más difícil alejarse del hecho de que hay una sustancia que está formando la mayor parte del universo que no podemos ver", dice Cabrera. "Las estrellas y las galaxias mismas son como las luces de los árboles de Navidad en este enorme barco que está oscuro y no absorbe ni emite luz".
Enterrado bajo tierra en un pozo de minas en Minnesota se encuentra el proyecto de Cabrera, llamado Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). El físico de la Universidad de California-Berkeley, Bernard Sadoulet, sirve como portavoz del esfuerzo. Dan Bauer, de Fermilab, es su gerente de proyecto, y Dan Akerib, de la Universidad Case Western Reserve, es el gerente adjunto del proyecto. Un equipo de 46 científicos en 13 instituciones colabora en el proyecto.
Para atrapar un WIMP
El experimento es el más sensible del mundo con el objetivo de detectar partículas exóticas llamadas WIMPS (partículas masivas de interacción débil), que son una de las mejores conjeturas de los científicos sobre lo que constituye la materia oscura. Otras opciones incluyen neutrinos, partículas teorizadas llamadas axiones o incluso materia normal como agujeros negros y estrellas enanas marrones que son demasiado débiles para ver.
Se cree que los WIMPS tienen una carga neutral y pesan más de 100 veces la masa de un protón. Por el momento, estas partículas elementales existen solo en teoría y nunca se han observado. Los científicos creen que todavía no los han encontrado porque son terriblemente difíciles de capturar. Los WIMPS no interactúan con la mayoría de la materia (las partículas tímidas atraviesan nuestros cuerpos), pero CDMS II tiene como objetivo atraparlos en una rara colisión con los átomos en los detectores especiales del proyecto.
"Estas partículas pasan principalmente por la Tierra sin dispersarse", dice Cabrera. "La única razón por la que incluso tenemos la posibilidad de ver eventos es porque [hay] tantas partículas que muy raramente una entrará [en el detector] y se dispersará".
Los detectores están ocultos debajo de las capas de tierra en la mina Soudan de Minnesota para protegerlos de los rayos cósmicos y otras partículas que podrían chocar con los detectores y confundirse con materia oscura. De hecho, la mitad de la batalla para los científicos que trabajan en CDMS II es proteger sus instrumentos tanto como sea posible de todo menos WIMPS y desarrollar sistemas elaborados para diferenciar entre la materia oscura y las partículas más mundanas.
"Nuestro detector es una cosa con forma de disco de hockey que necesita vivir a 50 milésimas de grado por encima del cero absoluto", dice Walter Ogburn, un estudiante graduado en Stanford que trabaja en el proyecto. "Es difícil hacer las cosas tan frías".
Con ese fin, los instrumentos están ubicados en un recipiente llamado nevera, revestido con seis capas de aislamiento, desde la temperatura ambiente en el exterior hasta el más frío en el interior. Esto mantiene los detectores tan fríos que incluso los átomos no pueden temblar.
Los detectores están hechos de cristales de silicio sólido y germanio sólido. Los átomos de silicio o germanio se quedan quietos en una red perfecta. Si los WIMPS chocan contra ellos, se moverán y emitirán pequeños paquetes de calor llamados fonones. Cuando los fonones se elevan a la superficie de los detectores, crean un cambio en una capa muy sensible de tungsteno, que los investigadores pueden registrar. Un segundo circuito en el otro lado del detector mide iones, partículas cargadas que se liberarían de una colisión de un WIMP y un átomo en el detector.
"Esos dos canales nos permiten discriminar entre diferentes tipos de interacciones", dice Ogburn. "Algunas cosas producen más ionización y otras producen menos, por lo que puede notar la diferencia de esa manera".
Se necesita un escuadrón de científicos en múltiples instalaciones para construir los detectores. El equipo compra los cristales de una compañía externa, y los investigadores del Centro de Sistemas Integrados de Stanford fabrican instrumentos de medición en las superficies de los detectores. "Utilizamos las mismas cosas para hacer esto que la gente usa para hacer microprocesadores porque también son muy pequeños", dice Matt Pyle, otro estudiante graduado en el laboratorio de Cabrera.
Grupos de pistas
Un subconjunto de WIMPS, llamados neutralinos, son las partículas más livianas esperadas por la supersimetría, una teoría que predice un mate para cada partícula que ya hemos observado. Si CDMS II tiene éxito en encontrar neutralinos, esta sería la primera evidencia de supersimetría. "La supersimetría sugiere que hay un sector completamente diferente de partículas que son socios de nuestras partículas existentes", dice Cabrera. “Hay muchas formas en que la supersimetría parece muy probable. Pero todavía no hay evidencia directa de ningún par de partículas coincidentes [supersimétricas] ".
Las débiles interacciones de WIMPS son la razón por la cual, aunque las partículas de materia oscura tienen masa y obedecen las leyes de la gravedad, no se agrupan en galaxias y estrellas como la materia normal. Para agruparse, las partículas deben chocar y pegarse. Pero los WIMPS a menudo volarían uno al lado del otro. Además, debido a que los WIMPS son neutros, no forman átomos, lo que requiere la atracción de protones cargados positivamente a electrones cargados negativamente.
"La materia oscura impregna todo", dice Cabrera. "Simplemente nunca colapsó como lo hicieron los átomos".
Como la materia oscura nunca formó estrellas y otros objetos celestiales familiares, durante mucho tiempo los científicos nunca supieron que estaba allí. El primer indicio de su existencia se produjo en la década de 1930 cuando Fritz Zwicky, un astrónomo suizo-estadounidense, observó cúmulos de galaxias. Agregó las masas de galaxias y notó que no había suficiente masa para dar cuenta de la gravedad que debe existir para mantener unidos los cúmulos. Algo más debe proporcionar la masa faltante, dedujo.
Más tarde, en la década de 1970, Vera Rubin, un astrónomo estadounidense, midió la velocidad de las estrellas en la Vía Láctea y otras galaxias cercanas. Mientras miraba más hacia los bordes de estas galaxias, descubrió que las estrellas no giran más lentamente como lo esperaban los científicos. "Eso no tenía ningún sentido", dice Cabrera. "La única forma de entenderlo es si hubiera mucha más masa allí que la que viste a la luz de las estrellas".
Con los años, se ha acumulado más y más evidencia de materia oscura. Aunque los científicos aún no saben qué es, tienen una mejor idea de dónde está y cuánto debería haber. "Queda muy poco margen de maniobra para tener diferentes cantidades", dice Cabrera.
"No hemos visto nada que parezca una señal interesante hasta la fecha", dice. Pero los investigadores de CDMS II continúan la búsqueda. También lo hacen otros grupos. ZEPLIN, un experimento realizado por físicos de la Universidad de California-Los Ángeles y el Reino Unido Dark Matter Collaboration, tiene como objetivo atrapar WIMP en depósitos líquidos de xenón en una mina cerca de Sheffield, Inglaterra. Y en el Polo Sur, se está construyendo un proyecto de la Universidad de Wisconsin-Madison llamado IceCube que utilizará sensores ópticos enterrados profundamente en el hielo para buscar neutrinos, partículas de alta energía que son firmas de aniquilaciones WIMP.
Mientras tanto, CDMS II continúa evolucionando. Sus investigadores están construyendo detectores cada vez más grandes para aumentar sus posibilidades de encontrar WIMPS. En el futuro, el equipo espera construir un detector de 1 tonelada que pueda descubrir muchos de los tipos más probables de WIMPS, si existen. "Estamos tomando datos ahora con más del doble de masa objetivo de germanio que antes, por lo que definitivamente estamos explorando nuevos territorios en este momento", dice Ogburn. "Pero hay mucho más por cubrir".
Fuente original: Comunicado de prensa de Stanford
