Nuevo capítulo en la búsqueda de materia oscura

XENON1T en Halle B del LNGS: a la derecha el edificio, una estructura de acero con paredes de cristal, que alberga el sistema de preparación de xenón, así como el control del experimento y la recopilación de datos, a la izquierda el gran tanque de agua, en cuyo centro está instalado el detector. (© Colaboración XENON)

Montaje de los detectores XENON1T en la sala limpia. (© Colaboración XENON)

En el universo debe haber cinco veces más materia oscura que la materia visible que conocemos. Sin embargo, todavía se desconoce de qué está compuesta esa materia oscura. El 11.11.2015, un equipo internacional de científicos inauguró en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso en Italia el instrumento XENON1T, que abre un nuevo capítulo en la búsqueda de materia oscura.

La materia oscura es una parte esencial del universo, y desde hace décadas se busca mediante experimentos de laboratorio. Sin embargo, hasta la fecha, la materia oscura solo ha sido observada indirectamente, a través de su gravedad, que domina todos los movimientos de estrellas y galaxias. Las evidencias sugieren que la materia oscura está formada por una especie desconocida de partículas elementales estables, llamadas WIMPs, que hasta ahora han eludido la observación. Los WIMPs serían partículas fantasmas similares a los neutrinos, que también fueron postulados inicialmente a partir de indicios. «Suponemos que aproximadamente cien mil partículas de materia oscura atraviesan la superficie de una uña cada segundo», dice el Prof. Manfred Lindner, director del Instituto Max-Planck de Física Nuclear en Heidelberg. «La probabilidad de que interactúen con los átomos en nuestro detector debe ser extremadamente baja, de lo contrario ya las habríamos encontrado. Sin embargo, aún no se ha explorado completamente el rango en el que deberían ser visibles los WIMPs. Por eso necesitamos XENON1T, un instrumento mucho más sensible que profundiza en la región donde se esperan las señales raras». El detector fue construido por la colaboración internacional XENON, que incluye a 21 grupos de investigación de EE. UU., Alemania, Italia, Suiza, Portugal, Francia, Países Bajos, Suecia, Israel y Abu Dabi, y que hoy celebró la inauguración de su nuevo instrumento XENON1T.

La ceremonia con representantes de las instituciones financiadoras y periodistas tuvo lugar en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italia, uno de los mayores laboratorios subterráneos del mundo. Aproximadamente 80 invitados se reunieron para la ceremonia en la sala B, de 110 m de largo, 15 m de ancho y 15 m de alto, del LNGS, justo junto al instrumento XENON1T. «Nuestro detector se encuentra a 1400 m de profundidad en roca para protegerlo de la radiación cósmica», explica el Prof. Uwe Oberlack de la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz, sobre la ubicación del instrumento. «Incluso a esa profundidad, necesitamos una protección adicional que rodea el experimento, hecha de 750 metros cúbicos de agua de alta pureza, que detecta la radiación cósmica residual mediante pequeños destellos de luz y también actúa como blindaje contra la radiación de fondo». En el evento introductorio previo en el auditorio del LNGS, con otros invitados, se presentaron en conferencias la motivación física y la estrategia del proyecto, así como la estructura del detector.

Combate contra cantidades mínimas de radiación ambiental

Como detector de materia oscura, XENON1T utiliza 3,5 toneladas del gas noble xenón en estado líquido a -95 °C. «Para detectar las interacciones raras de las partículas de materia oscura en el detector, necesitamos una gran cantidad de material y una pureza radiactiva extremadamente alta», explica el Prof. Christian Weinheimer de la Universidad de Münster. «De lo contrario, no tendríamos ninguna oportunidad de encontrar las señales reales entre las señales de ruido». Por eso, los científicos de XENON examinaron cuidadosamente todos los materiales utilizados en la construcción del instrumento en busca de contaminantes radiactivos y seleccionaron los más puros. Añade: «No existen objetos completamente libres de radiactividad; pequeñas huellas de radiactividad están presentes en todas partes, en metales, en las paredes del laboratorio e incluso en nuestro propio cuerpo. Nos esforzamos por reducir al máximo estas contaminaciones radiactivas».

Los investigadores de XENON miden señales de luz y carga extremadamente débiles, a partir de las cuales reconstruyen la ubicación de la interacción en el detector, así como la energía liberada. Solo las señales provenientes de la parte interna de 1 tonelada del xenón líquido se consideran potencialmente causadas por partículas de materia oscura. La luz es detectada por 248 sensores de luz, tan sensibles que pueden detectar fotones individuales. Estos sensores están ubicados junto con el xenón líquido en una especie de enorme termo, el criostato. La limpieza y licuación del gas de xenón se realizan en el edificio XENON, que consta de tres niveles, junto a la gran piscina de agua. En la planta baja hay una enorme esfera de acero con tuberías y válvulas. «Este sistema llamado ReStoX puede contener 7,6 toneladas de xenón en estado gaseoso y líquido», dice Uwe Oberlack. «Eso es más que la cantidad necesaria para XENON1T, pero queremos estar preparados para aumentar rápidamente la sensibilidad del detector en el futuro mediante una ampliación con más xenón».

Esperanza de detectar una señal de materia oscura

«La inauguración coincide exactamente con la finalización del nuevo instrumento», comenta Christian Weinheimer. «Y ya estamos probando el funcionamiento de sus componentes. Cuando entre en funcionamiento, XENON1T será el experimento más sensible del mundo en la búsqueda de materia oscura». Se esperan los primeros resultados ya en la primavera de 2016, porque XENON1T superará en solo una semana de medición a todos los experimentos anteriores. Después de 2 años de medición, la capacidad del instrumento se habrá agotado, según un estudio publicado recientemente. «Por supuesto, queremos encontrar materia oscura», dice Manfred Lindner. «Pero, incluso si en 2 años solo encontramos algunas pistas, estaremos en una posición excelente, porque podremos ampliar rápidamente el instrumento a XENONnT para cubrir también los últimos restos del rango WIMP». La infraestructura existente en su mayoría es suficiente para ello».