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Los primeros datos de LUX descartan la existencia de WIMPs con una masa por debajo de 33 GeV/c².

Había una gran expectación sobre lo que se publicaría sobre los resultados del experimento LUX (Large Underground Xenon) de búsqueda de materia oscura acerca las medidas tomadas en sus primeros 90 días de funcionamiento. Los resultados que se acaban de hacer públicos son compatibles con la inexistencia de partículas de materia oscura con masas menores de 33 GeV/c². Es un varapalo para la esperanzas de detectar este tipo de partículas, pues había indicios experimentales que apoyaban esta posibilidad.
Como ya sabemos, la materia oscura constituye una gran parte de la masa del Universo, ya que las observaciones astronómicas sugieren que debe existir esa materia oscura que ni emite ni bloquea la luz. Pero esta materia no parece interaccionar con la materia ordinaria (ni obviamente con la luz) y de hecho todavía no hemos detectado directamente las partículas que la componen directamente. Por esta razón se ha llamado partículas débilmente interactuantes, o WIMPs, a las supuestas partículas que componen la materia oscura. Resultados teóricos y experimentales sugieren que o bien estas partículas tienen baja masa o tienen alta masa.
Para hacernos una idea de la baja probabilidad de estas interacciones. Sólo mencionar que se necesitarían 200 años luz de plomo para que una partícula que materia oscura interacciones con algún átomo de plomo con un 50% de probabilidad.
Esta baja interacción dificulta enormemente la detección de estas partículas desconocidas, pues nuestros instrumentos están hechos de materia ordinaria. Los eventos en los que interaccionan son muy escasos, así que es una buena idea acumular una gran masa como blanco del detector para así aumentar el número de sucesos registrados. Además, lo ideal es alejar estos detectores de cualquier fuente radiactiva o de los rayos cósmicos, por lo que estos se suelen instalar en minas profundas.
El experimento LUX consta de un blanco de 370 kilogramos de xenon criogénico y se encuentra en una mina de Dakota del Sur a 1480 metros de profundidad. Para minimizar el efecto de la radiactividad de las rocas circundantes y los rayos cósmicos que se puedan colar, el detector se encuentra rodeado por 32.500 litros de agua desionizada. Este experimento es el más sensible hasta el momento para la misión de detectar partículas de materia oscura de baja masa y, al parecer, ha funcionado técnicamente muy bien.

El evento que se espera detectar con este tipo de experimento es el choque de una WIMP contra un núcleo de xenon. El retroceso del núcleo de xenon a raíz de este choque haría que este emitiera luz CherenKov que sería detectada gracias a 122 tubos fotomultiplicadores. Se puede detectar incluso un solo fotón de luz Cherenkov.
La mayoría son falsos positivos producidos por otro tipo de interacciones, generalmente las producidas otro tipo de partículas interaccionando con los electrones de los átomos de xenon.
El problema es que, hasta ahora, no se han detectado sucesos de este tipo con la suficiente significación estadística en LUX. Entre los 1600 eventos registrados en este tiempo ninguno se corresponde con una colisión con una WIMP. Es decir, en 90 días no han visto nada interesante y no se han detectado WIMPs. Con los datos y cálculos en la mano se puede afirmar que no hay WIMPs de masa menor a los 33 GeV/c².
LUX es el último de los experimentos para la detección de materia oscura realizados en las tres últimas décadas y es el más sensible, con mucho, de todos los experimentos actuales de búsqueda de materia oscura.
Los experimentos DAMA, CoGeNT y CDMS parecían indicar que sí podría haber WIMP de baja masa, pero este nuevo resultado siembra dudas sobre ello. Naturalmente, otros investigadores, generalmente pertenecientes a los experimentos de la competencia, ponen pegas a los resultados de LUX, como que el xenon no sea lo suficientemente sensible a los choques contra WIMPs.
El experimento continuará durante otros 300 días y acumulará una estadística mejor que la actual (o una nada mayor). Si al final no se obtienen resultados distintos, ¿se descartaría casi por completo la existencia de WIMPs de baja masa?
Este mismo grupo planea crear otra versión aún mayor del experimentos de 7 toneladas de peso denominada LUX-ZEPLIN que sería 100 veces más sensible. El grupo que dirige un experimento similar de la competencia (XENON) planean otra versión del suyo de 1 tonelada.
La alternativa sería que sólo hay WIMPs de alta masa, que serían, además, más escasas. Lo malo es que estas WIMPs masivas quedarían probablemente fuera de ser creadas en una colisionador de partículas, precisamente debido a esta alta masa, y sólo podrían ser detectadas en experimentos del tipo que se han venido realizando en los últimos 30 años.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Fotos: Matt Kapust/Sanford Underground Research Facility.