Nuevo experimento prueba señales controvertidas de materia oscura

En la sala limpia: Karoline Schäffner y su equipo terminan su trabajo en el criostato. (Foto: Colaboración COSINUS)

Estructura esquemática del experimento COSINUS (Dibujo: Colaboración COSINUS) / Configuración del experimento COSINUS (Dibujo: Colaboración COSINUS)

Un equipo de científicos y técnicos durante la instalación del criostato. (Foto: Colaboración COSINUS) / A team of scientists and technicians are installing the cryostat. (Photo: COSINUS Collaboration)

El detector: Un cristal de yoduro de sodio, el mismo material que en el experimento DAMA/LIBRA. (Foto: Colaboración COSINUS) / The detector: A crystal of sodium iodide - the same material as in the DAMA/LIBRA experiment. (Photo: COSINUS Collaboration)

En Italia se inauguró el 18 de abril de 2024 un gran experimento para la detección de Materia Oscura. COSINUS es un proyecto de investigación internacional, en el que también participa un equipo del Instituto Max-Planck de Física (MPP).

La naturaleza de la Materia Oscura sigue siendo hasta hoy una de las grandes preguntas de la física moderna. Según el conocimiento actual, la Materia Oscura invisible constituye el 85 por ciento de la masa total del universo. En el laboratorio subterráneo de Gran Sasso en Italia (Laboratori Nazionali del Gran Sasso del INFN) comienza hoy la operación del experimento COSINUS*. El proyecto de investigación busca verificar si otro experimento (DAMA/LIBRA) realmente ha medido señales de Materia Oscura — o no. COSINUS es una cooperación entre la TU Viena, el Instituto de Física de Altas Energías de la ÖAW, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia), el Instituto de Física de Helsinki (Finlandia) y el MPP.

Para el proyecto COSINUS se ha desarrollado un instrumento especial. Se enfría un cristal a temperaturas extremadamente bajas para poder medir con alta precisión la energía de partículas. Si la Materia Oscura está compuesta por partículas desconocidas hasta ahora, la Tierra debería chocar con ellas en su camino a través del espacio. Estas colisiones podrían detectarse en el aparato de medición.

El experimento DAMA/LIBRA ha recopilado datos que están en línea con esta hipótesis, aunque son controvertidos, ya que hasta hoy no ha sido confirmada por otro experimento.

¿La Tierra atraviesa una niebla de Materia Oscura?

Si la Materia Oscura realmente pudiera detectarse, las mediciones variarían a lo largo del año. ¿Por qué? La Tierra y todos sus planetas — también la Tierra — se mueven a una velocidad de aproximadamente 220 kilómetros por segundo alrededor del centro de la Vía Láctea. La Tierra, a su vez, orbita alrededor del Sol a unos 30 kilómetros por segundo, completando una vuelta en un año. Durante medio año, la Tierra se mueve en la misma dirección que el Sol, y en los otros seis meses en la dirección opuesta.

«Si nuestra galaxia estuviera atravesada por partículas de Materia Oscura, la Tierra se movería más rápido o más lento a través de esa 'niebla'», explica la científica del MPP Karoline Schäffner, directora técnica de COSINUS. «La situación es como un viaje en coche bajo la lluvia: cuanto más rápido vamos, más gotas de lluvia golpean el parabrisas. Por lo tanto, esperamos detectar diferentes cantidades de Materia Oscura en distintos momentos.»

Eso es exactamente lo que ha mostrado el experimento DAMA/LIBRA, que lleva en marcha desde 1995: se detectó una señal cuya intensidad variaba regularmente a lo largo del año, lo que indica la presencia de Materia Oscura. Sin embargo, otros experimentos no han podido reproducir estos resultados.

La falta de confirmación por parte de otros experimentos ha sido motivo de preocupación para la comunidad científica internacional durante años. «Con nuestro nuevo proyecto, existe la oportunidad de resolver este enigma», dice Karoline Schäffner. «Utilizamos en nuestro detector yoduro de sodio, el mismo material que en el experimento DAMA/LIBRA, para poder comparar los resultados. Sin embargo, nuestra configuración tendrá una precisión mucho mayor.»

Calor y luz

En el experimento DAMA/LIBRA solo se mide la luz, no el calor. Ya existen otros dos experimentos en los que los científicos trabajan para reproducir los resultados de DAMA/LIBRA. Como el original, ambos solo detectan luz, en contraste con COSINUS, que está diseñado para detectar dos señales diferentes.

El corazón de COSINUS es un cryostat — una especie de refrigerador para temperaturas extremadamente bajas — en el que un cristal de yoduro de sodio puede enfriarse a 1-2 centésimas de grado por encima del cero absoluto (-273 grados Celsius). Cuando partículas de Materia Oscura impactan ese cristal, se producen dos reacciones en el detector: en primer lugar, los átomos del cristal vibran — la red cristalina comienza a temblar y se calienta. La energía térmica absorbida puede medirse con extrema precisión. En segundo lugar, en el cristal también se produce luz, que COSINUS puede «ver» también.

¿Partículas conocidas o desconocidas?

El estudio de dos señales también proporciona pistas sobre qué partículas podrían ser. «Esto es importante, porque no toda señal que se mide en un detector así indica Materia Oscura», explica Karoline Schäffner. «Por ejemplo, puede tratarse de electrones comunes generados por la radiactividad natural. O también de neutrones producidos por partículas cósmicas.»

Para detectar señales de Materia Oscura, los investigadores deben proteger el cristal de cualquier ruido de fondo de manera lo más efectiva posible. Por eso, el experimento está bien protegido en una montaña, en el mayor laboratorio subterráneo del mundo: en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso del INFN (INFN-LNGS, Italia), a unos cien kilómetros de Roma. Bajo 1.400 metros de roca, un sistema de túneles alberga una gran variedad de experimentos altamente sensibles — también allí se encuentra el experimento DAMA/LIBRA. Además, los detectores están colocados en un tanque de siete metros de altura lleno de agua de alta pureza.

El proyecto COSINUS será inaugurado el 18 de abril de 2024 en el INFN-LNGS. Se esperan los primeros resultados de las mediciones en 2025/26.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches