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| El detector exterior de LUX-ZEPLIN está diseñado para captar las señales creadas por partículas conocidas, reduciendo el ruido de fondo de las posibles detecciones de materia oscura. Crédito: Matthew Kapust |
El detector de materia oscura más sensible del mundo está en marcha, listo para abordar uno de los misterios más desconcertantes del universo. Con una sensibilidad al menos 50 veces superior a la de sus predecesores, el experimento LUX-ZEPLIN (LZ) está acechando silenciosamente a una milla bajo tierra, a la espera de señales de estas hipotéticas partículas.
Desde hace casi un siglo, los científicos se han dado cuenta de que nuestras observaciones del universo no coinciden con lo que predice el Modelo Estándar. Cada vez hay más pruebas de que existe una enorme cantidad de materia invisible que influye en lo que podemos ver a través de la gravedad. Pero, frustrantemente, esta llamada "materia oscura" sigue eludiendo la detección directa.
Y no es por falta de intentos. A lo largo de las décadas, muchos experimentos han buscado señales de diversas maneras, sin que se haya producido ningún resultado. Sin embargo, los resultados nulos no son un lavado de cara total: cada uno de ellos ayuda a descartar partículas candidatas con determinadas masas u otras propiedades, reduciendo el terreno de caza para la siguiente generación de detectores de materia oscura.
Y ahora la última generación se está poniendo en marcha. El experimento LUX-ZEPLIN es, como su nombre indica, el sucesor de dos experimentos anteriores, LUX y ZEPLIN, pero éste es al menos 50 veces más sensible a posibles señales de materia oscura que sus antecesores.
LZ busca un tipo específico de candidato a materia oscura llamado partículas masivas de interacción débil (WIMP), que se supone que fueron creadas en el universo primitivo y que aún estarían rondando hoy en día. De ser así, interactuarían con la materia regular a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil, produciendo las anomalías astronómicas asociadas a la materia oscura.
Al desplazarse por el cosmos, estas WIMP ignoran en su mayoría la materia normal, pasando por encima de planetas enteros e incluso de nosotros. Pero de vez en cuando, una choca con el núcleo de un átomo, produciendo una señal que es detectable con el equipo adecuado.
Y LZ es el equipo adecuado. El experimento consiste en un enorme volumen de átomos para que los WIMP choquen contra ellos, rodeado de detectores para vigilar cualquier evento de este tipo. El objetivo es un tanque de xenón líquido ultrapuro que, si es perturbado por un WIMP errante, emite un destello de luz y desprende un electrón, que pueden ser captados por los sensores del tanque. La instalación está construida a 1,5 km bajo tierra y encerrada en un gran tanque de agua, para protegerla de otras partículas, como los neutrones, que producen falsos positivos.
Se trata de la misma instalación básica que utilizaron LUX y ZEPLIN, pero LZ presenta algunos trucos nuevos. En primer lugar, el propio tanque es mucho más grande: mientras que el LUX original utilizaba 370 kg de xenón para la detección activa, el LZ lleva 7 toneladas, lo que aumenta considerablemente su sensibilidad.
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| Un par de esquemas que ilustran el funcionamiento del detector de materia oscura LUX-ZEPLINIzquierda: colaboración LZ. A la derecha: LZ/SLAC |
Para ayudar a separar los eventos producidos por partículas viejas y aburridas de las detecciones de WIMP potencialmente innovadoras, el tanque de agua exterior también contiene un nuevo conjunto de sensores que pueden detectar cuando las partículas conocidas están pasando. De este modo, cualquier evento en el xenón que vaya acompañado de señales en el agua puede descartarse como detecciones de materia oscura.
En conjunto, estos avances hacen que LZ sea más de 50 veces más sensible que sus experimentos predecesores, y le permiten reclamar el título actual de detector de materia oscura más sensible del mundo.
LZ funcionó durante una prueba de 60 días a partir de diciembre de 2021, y en ese tiempo no detectó ningún exceso de eventos por encima del ruido de fondo esperado. Pero eso es solo el principio, ya que se espera que el experimento recopile datos durante 1.000 días a lo largo de su vida.
Tal vez, cuando termine, tengamos por fin una respuesta a este misterio cósmico.
Fuentes, créditos y referencias:
Projected WIMP sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment, arXiv:1802.06039v2 [astro-ph.IM] doi.org/10.48550/arXiv.1802.06039