NeoFronteras

Si las actualizaciones de los actuales detectores de materia oscura no consiguen detectar WIMPs quizás haya que plantearse la construcción de otros basados en nuevas ideas.

Hay un gran problema en la Física moderna: no sabemos en qué consiste el 80% de la masa del Universo, la famosa materia oscura que no emite, ni absorbe, ni refleja la luz.

Hasta ahora se creía que la materia oscura estaba constituida por partículas débilmente interactuantes o WIMPs en sus siglas en ingles. Estas partículas tendrían una masa que podría estar entre la del protón o mil veces la del protón. Ello daría fácilmente cuenta de la masa “perdida”.

Si estas partículas estuvieran en la parte baja de esa horquilla de masas entonces se podrían generar en el LHC fácilmente, de otro modo sería complicado producirlas.

Pero si el 80% de la masa del Universo está hecho de estas partículas entonces nos deben de llover de cualquier dirección. Sólo hay que exponer un volumen de masa de materia normal que haga de blanco y esperar que una WIMP interaccione con una partícula de materia normal de ese blanco. Para ello hay que poner esa masa (nuestro detector) a salvo de los rayos cósmicos y otras formas de radiación en una mina profunda.

Así por ejemplo, el experimento LUX en Dakota del Sur estuvo explorando esta posibilidad con xenon líquido. Ya vimos en su día por NeoFronteras que los resultados fueron negativos. Igual suerte han corrido otros experimentos como CDMS.

Sin embargo, los equipos de científicos que llevan estos experimentos no se rinden y están actualizando estos experimentos o sustituyéndolos por otros para así tener mayor sensibilidad, básicamente aumentan la masa que hace de blanco. De este modo, LUX pasará a ser LUX-ZEPLIN, XENON100 en Italia pasará a ser XENON1T y CDMS de Minnesota pasará de Minnesota a Canadá y a llamarse SuperCDMS una vez mejorado.

Lo malo es que puede que ni así se llegue a detectar WIMPs si tales partículas no existen. Se han venido haciendo propuestas de diversos tipos de materia oscura a lo largo de los años (a los teóricos les sale gratis), pero hasta hora no habría propuestas serias para poder detectarlas. Recientemente se han propuesto dos métodos nuevos.

Kathryn Zurek lidera dos estudios en los que propone nuevas maneras en la que detectar la materia oscura, pero en las que la materia oscura no está constituida por WIMPs, sino por materia oscura asimétrica. Estas hipotéticas partículas interaccionarían con la materia ordinaria a través de una fuerza aún por descubrir. Serían partículas, pero mucho más ligeras que las WIMPs, por lo que deberían ser más abundantes para dar cuenta de la masa perdida.

En el primer método que propone se usaría un bloque de aluminio enfriado cerca del cero absoluto. A esa temperatura el aluminio es superconductor y en él se forman pares de Cooper, que son, precisamente, los que permiten esa superconducción y que están constituidos por dos electrones.

Según esta idea, una partícula de materia oscura podría interaccionar con un par de Cooper rompiéndolo y enviando vibraciones de red (fonones) a las paredes del bloque en donde estos fonones serían detectados por detectores de calor hipersensibles (transition edge sensors o TESs). Esta propuesta fue publicada en enero pasado.

El segundo método, que fue publicado el mes pasado, se basa en el uso de helio líquido superfluido, que también opera a temperatura cercana al cero absoluto. Este elemento se torna en un líquido sin viscosidad a esas temperaturas porque sus átomos pueden moverse entre ellos sin que haya resistencia mecánica alguna. Una partícula de materia oscura podría interaccionar con un núcleo de helio provocando una reacción en cadena que envíe vibraciones (fonones) a detectores TESs dispuestos convenientemente.

Estos métodos podrían detectar partículas de materia oscura con masas tan ligeras como 1 keV, que es la milésima parte de la masa de un protón. Normalmente los experimentos para detectar materia oscura están diseñados para detectar partículas de una masa bastante mayor de los 10 MeV. Incluso los nuevos diseños de detectores tradicionales a lo sumo llegarán a los 10 MeV, por lo que no podrán detectar partículas más ligeras que eso. Así que estos nuevos detectores serían complementarios.

Los nuevos métodos tienen el potencial de detectar partículas de materia oscura ligeras (si es que existen). Además, tecnológicamente no supone un gran desafío desarrollar estos nuevos detectores propuestos por Zurek. Tampoco serían muy costosos económicamente hablando. Pero habrá que desarrollar nuevos sistemas, como los que bloqueen todo tipo de ondas electromagnéticas, incluidas las de los teléfonos móviles. Lo de la mina profunda se da por sentado.

Hay que explorar las regiones de baja masa sin estudiar aún. Al fin y al cabo, seguro que los teóricos encuentran propuestas a partículas ligeras que sean matemáticamente consistentes.

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Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.