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Materia oscura, una aguja en el pajar cósmico

 Investigadores de LUX deletrean con sus cuerpos el nombre del experimento en el interior del tanque que se llena de agua cuando la máquina está en funcionamiento. A sus espaldas se encuentra el cilindro de titanio relleno de xenón donde podrían detectarse las partículas de materia oscura. Matt Kapust/Sanford Underground Research Facility.


 

Un laboratorio a kilómetro y medio bajo el suelo de Dakota del Sur (EE. UU.) se prepara para intentar detectar en 2014 la materia oscura, el esquivo elemento que compone el 85% de la materia del universo

“Imaginemos que disparamos una partícula de materia oscura hacia un bloque de plomo. Para tener una probabilidad de 50-50 de que la partícula interactúe con el plomo, necesitaríamos estirar el bloque hasta una longitud de unos 200 años luz, 50 veces más lejos que la estrella más cercana a la Tierra, sin contar el Sol”. Con esta analogía, el astrofísico Rick Gaitskell, de la Universidad de Brown (EE. UU.), ejemplifica cómo el viejo tópico de encontrar una aguja en un pajar es casi un juego de niños en comparación con lo improbable que resulta detectar la materia oscura, un ingrediente del universo enormemente abundante –supone hasta el 85% de toda la materia existente– pero extremadamente difícil de atrapar. Sin embargo, Gaitskell confía en lograrlo en 2014.

Son pocos los astrofísicos que dudan de la existencia de la materia oscura, a pesar de que por el momento es solo una entelequia, un término fantasma que hay que añadir para cuadrar las ecuaciones. Como la famosa Fuerza de la saga Star Wars, la materia oscura es lo que cohesiona el universo. Si no existiera, sin su influjo gravitatorio sobre la materia visible, las galaxias se alejarían disparadas unas de otras. Pero como la Fuerza, la materia oscura no se puede ver ni tocar. Su interacción con la materia convencional es “increíblemente rara”, en palabras de Gaitskell.

Esta casi ausencia de interacción es el mayor obstáculo para detectarla, pero al mismo tiempo ofrece a los científicos una gran ventaja: dado que las partículas de materia oscura pueden atravesar la Tierra sin inmutarse, esto permite utilizar una buena capa de nuestro planeta como aislante para apantallar toda la radiación cósmica que podría interferir en la detección. Es por este motivo que los laboratorios que tratan de pescar la materia oscura suelen estar situados a varios cientos de metros bajo tierra.

El detector más sensible del mundo se encuentra en Dakota del Sur (EE. UU.), a casi un kilómetro y medio bajo el suelo de la sierra de Black Hills, la misma en la que se ubica el archiconocido Monte Rushmore con sus retratos esculpidos de los presidentes. Perteneciente a la Sanford Underground Research Facility y dependiente de la Universidad de Brown, el Large Underground Xenon Detector (LUX) acaba de concluir sus primeros tres meses de funcionamiento, en los cuales han colaborado 17 universidades e institutos de EE. UU., Reino Unido, Portugal y Rusia. Con tal ocasión los responsables del experimento, con Rick Gaitskell como portavoz, ofrecieron esta semana una rueda de prensa en el propio laboratorio en la que explicaron que la materia oscura aún no ha caído en sus redes, pero que esperan que lo haga el próximo año.

Gaitskell no escatimó los elogios hacia su máquina: “LUX está alumbrando el camino para iluminar la naturaleza de la materia oscura”, postuló el científico. “Lo que hemos hecho en estos primeros tres meses es ver lo bien que funciona el detector, y estamos muy complacidos con lo que vemos. Esta primera ronda demuestra una sensibilidad mayor que la de cualquier otro experimento destinado a detectar directamente la materia oscura”.

 


Los sensores de LUX son capaces de registrar un solo fotón aislado, que podría corresponder a la interacción de una partícula de materia oscura con un átomo del relleno de xenón. El recubrimiento de teflón blanco ayuda a aumentar la sensibilidad a las señales débiles. Matt Kapust/Sanford Underground Research Facility.


El corazón de LUX es un cilindro relleno con 370 kilos de xenón en dos fases de líquido y gas a una temperatura muy fría. El tanque está tachonado con sensores de luz capaces de detectar fotones individuales y sumergido en 271.000 litros de agua desionizada. Cuando una partícula interactúa con el xenón, produce un diminuto destello y una carga iónica, ambos detectables por los sensores. Esto es lo que debe ocurrir si alguna partícula de materia oscura casualmente hace carambola con alguno de los átomos de xenón.

Los principales candidatos como componentes de la materia oscura son unas partículas aún hipotéticas llamadas WIMP, siglas en inglés de Partículas Masivas de Interacción Débil. Teóricamente las WIMP deberían tener una masa enorme, 40 veces la de un protón. “La materia oscura interactuará con el núcleo del átomo de xenón, mientras que la mayoría de la radiación de fondo tenderá a hacerlo con los electrones externos”, detalló Gaitskell. “Cada una de esas interacciones provoca un retroceso, bien del núcleo o bien de los electrones”.

Pero a pesar de la “suprema quietud” en la que se encuentra sumido LUX, el silencio no es absoluto y existe cierto grado de interferencia. “En torno a una vez al día, vemos estas interacciones y las analizamos para saber si son retrocesos de electrones o de núcleo. Hasta ahora, todos los eventos que hemos visto parecen ruido de fondo electromagnético”, precisó Gaitskell.

De acuerdo a sus reponsables, LUX dobla la sensibilidad de otros detectores directos de materia oscura cuando se trata de WIMP de alta masa. Pero según los físicos, estas partículas también podrían encontrarse en una forma de baja masa. De hecho, otros experimentos han sugerido la posible detección de esta encarnación ligera de las WIMP, pero para los investigadores de LUX se trata de falsas alarmas: “En los últimos años, ciertos experimentos de materia oscura han registrado eventos en los rangos de baja energía que podrían ser consistentes con el descubrimiento de materia oscura”, señaló Gaitskell. “Con LUX, hemos trabajado muy duro para calibrar el funcionamiento del detector en estos rangos de baja energía, y no hemos visto ninguna prueba de partículas de materia oscura”. Para el físico, se trata una vez más de simple ruido de fondo.

 


Uno de los tubos sensores de LUX. Matt Kapust/Sanford Underground Research Facility.


Con todo, los científicos de LUX no descartan ninguna posibilidad, y el detector también posee una sensibilidad ventajosa para registrar eventuales WIMP de masa ligera. “Cada día que operamos un detector como este, estamos sondeando nuevos modelos de materia oscura. Esto es muy importante, porque aún no comprendemos el universo lo suficiente como para saber cuál de los modelos es el correcto. LUX está ayudando a clarificarlo”, dijo Gaitskell.

Tras esta primera ronda de tres meses, los investigadores se preparan ahora para una nueva etapa de 300 días en 2014, tras realizar ciertos ajustes finos. Con este nuevo envite, los científicos confían en cazar por fin la materia oscura o, en su defecto, revelar dónde no se encuentra. Quizá los resultados obtenidos hasta ahora no parezcan muy alentadores, pero Gaitskell asegura que un periodo más largo de funcionamiento aumentará drásticamente las posibilidades de éxito. Claro que hay otra interpretación alternativa. Tras la comparecencia de los responsables de LUX, la edición digital del diario The New York Times titulaba con cierto sarcasmo: “Experimento de materia oscura no ha detectado nada, dicen con orgullo los científicos”.
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