Descubrir la naturaleza de la materia oscura, la sustancia invisible que constituye la mayor parte de la masa de nuestro universo, es uno de los mayores enigmas de la física. Los nuevos resultados del detector de materia oscura más sensible del mundo, LUX-ZEPLIN (LZ), han reducido las posibilidades de uno de los principales candidatos a materia oscura: las partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP.
LZ, dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, busca materia oscura en una caverna aproximadamente a una milla bajo tierra en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Los nuevos resultados del experimento exploran interacciones de materia oscura más débiles que las exploradas anteriormente y limitan aún más lo que pueden ser los WIMP.
“Éstas son nuevas limitaciones mundiales sobre la materia oscura y los WIMP, por un amplio margen”, afirmó Chamkaur Ghag, portavoz de LZ y profesor del University College London (UCL). Señaló que las técnicas de detección y análisis funcionan mejor de lo esperado en cooperación. “Si los WIMP estuvieran en la región que buscamos, podríamos decir algo sobre ellos con certeza. Sabemos que tenemos la sensibilidad y las herramientas para ver si están allí, por lo que buscamos con baja energía y recolectamos la mayor parte. de ellos La vida útil del experimento “.
La colaboración no encontró evidencia de WIMP con una masa superior a 9 GV/c.2 (GeV/c2) (A modo de comparación, un protón tiene una masa ligeramente inferior a 1 GeV/c2.) La sensibilidad de la prueba a interacciones débiles ayuda a los investigadores a rechazar posibles modelos de materia oscura WIMP que no se ajustan a los datos, dejando mucho menos espacio para que los WIMP se oculten. Los nuevos resultados se presentaron el 26 de agosto en dos conferencias de física: TeV Particle Astrophysics 2024 en Chicago, Illinois y LIDINE 2024 en Sao Paulo, Brasil. La próxima semana se publicará un artículo científico.
Los resultados analizan datos de 280 días: un nuevo conjunto de 220 días (recopilados entre marzo de 2023 y abril de 2024) combinados con los 60 días anteriores a la primera ejecución de LZ. El experimento planea recopilar datos por valor de 1.000 días antes de finalizar en 2028.
“Si piensas que la búsqueda de materia oscura es como encontrar un tesoro enterrado, hemos excavado unas cinco veces más profundamente que nadie en el pasado”, dijo Scott Kravitz, coordinador adjunto de física de LZ y profesor de la Universidad de Texas. Austin. “Eso es algo que no se hace con un millón de palas: se hace inventando una nueva herramienta”.
La sensibilidad del LZ proviene de la infinidad de formas en que los detectores pueden reducir los fondos, señales espurias que pueden enmascarar u ocultar una interacción de materia oscura. En las profundidades del subsuelo, el detector está protegido de los rayos cósmicos procedentes del espacio. Para reducir la radiación natural de los objetos cotidianos, el LZ se fabricó con miles de piezas ultralimpias y de baja radiación. El detector está construido como una cebolla, y cada capa bloquea la radiación exterior o rastrea las interacciones de las partículas para descartar simulaciones de materia oscura. Y nuevas técnicas de análisis sofisticadas ayudan a descartar interacciones de fondo, especialmente aquellas del culpable más común: el radón.
Este resultado es también la primera vez que LZ aplica la “salación”, una técnica que agrega señales WIMP falsas durante la recopilación de datos. Al enmascarar los datos originales hasta que se “dessaltan” al final, los investigadores pueden evitar sesgos inconscientes y evitar sobreinterpretar o alterar sus análisis.
“Estamos superando los límites de un régimen en el que la gente no había buscado materia oscura antes”, dijo Scott Hasselshward, coordinador de física de LZ y reciente miembro Chamberlain del Laboratorio de Berkeley, que ahora es profesor asistente en la Universidad de Michigan. “Existe una tendencia humana a querer ver patrones en los datos, por lo que es muy importante que cuando entres en este nuevo régimen no haya sesgos. Si encuentras uno, querrás hacerlo bien”.
Se estima que la materia oscura, llamada así porque no emite, refleja ni absorbe luz, constituye el 85% de la masa del universo pero no ha sido detectada directamente, aunque ha dejado sus huellas en múltiples observaciones astronómicas. Sin esta parte misteriosa pero fundamental del universo no existiríamos; La masa de materia oscura contribuye a la atracción gravitacional que ayuda a que las galaxias se formen y permanezcan juntas.
LZ utiliza 10 toneladas de xenón líquido para proporcionar un material denso y transparente al que potencialmente empujar partículas de materia oscura. La esperanza de los WIMP es golpear los núcleos de xenón, provocando que se muevan, de forma muy parecida a golpear una bola blanca en un juego de billar. Al recopilar la luz y los electrones emitidos durante la interacción, LZ captura posibles señales WIMP, entre otros datos.
“Hemos demostrado lo poderosos que somos como instrumento de búsqueda WIMP, y vamos a continuar y mejorar, pero hay mucho más que podemos hacer con este detector”, dijo Amy Cottle, líder del esfuerzo de búsqueda WIMP y profesor asistente en la UCL. “En una etapa posterior, estos datos se utilizarán para observar otros procesos físicos raros e interesantes, como la rara desintegración de los átomos de xenón, la desintegración doble beta sin neutrinos, los neutrinos de boro-8 del Sol y otras físicas más allá del modelo estándar. Y este es el más interesante de los últimos 20 años, y además de probar algunos de los modelos de materia oscura anteriormente accesibles”.
LZ es una colaboración de unos 250 científicos de 38 instituciones de EE. UU., Reino Unido, Portugal, Suiza, Corea del Sur y Australia; La mayor parte del trabajo de construcción, realización y análisis de experimentos que establecen récords lo realizan investigadores que inician su carrera. La colaboración ya espera analizar el próximo conjunto de datos y utilizar nuevas técnicas de análisis para buscar materia oscura de masa aún menor. Los científicos también están pensando en posibles actualizaciones para mejorar el LZD y planean un detector de materia oscura de próxima generación llamado XLZD.
“Nuestra capacidad para buscar materia oscura está mejorando más rápido que la Ley de Moore”, dijo Kravitz. “Si miras la curva exponencial, ahora todo lo que había antes es nada. Espera hasta ver qué pasa después”.
LZ cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, la Oficina de Física de Altas Energías y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. LZ también cuenta con el apoyo del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido; Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología; Fundación Nacional Suiza para la Ciencia e Instituto de Ciencias Básicas, Corea. Más de 38 instituciones de educación superior e investigación avanzada han brindado apoyo a LZ. La colaboración LZ reconoce el apoyo del Centro de Investigación Subterránea de Sanford.