NeoFronteras

Proponen un sistema basado en helio líquido superfluido para detectar directamente las supuestas partículas que componen la materia oscura.

Un tema todavía sin resolver en la Física actual es la materia oscura, esa materia que no interacciona con la luz y que compone la mayor parte de la materia del Universo (más de un 80%).

El problema es que la materia oscura está ahí. No sólo explica las curvas de rotación de las galaxias y las lentes gravitatorias, sino que es indispensable para explicar la estructura a gran escala del Universo y para tener el patrón que vemos en el Fondo Cósmico de Microondas. Casos como el cúmulo de bala, en donde la materia oscura está parcialmente desligada de la bariónica (la materia ordinaria), nos dicen que la mejor explicación a los fenómenos observados es que exista esta materia oscura y que las teorías MOND de modificaciones de la gravedad y similares (como la idea errónea de Verlinde) no funcionan.

Desde hace ya décadas numerosos equipo de investigadores se han embarcado en la detección directa de las partículas de materia oscura y han supuesto que estas debían de ser WIMPs o partículas masivas débilmente interactuantes. La masa de estas partículas debería ser diez veces la masa del protón: unos 10GeV/c².

Pero las noticias han sido malas siempre y recientemente también. El pasado 30 de octubre el equipo de XENON1T, ubicado en el laboratorio de Gran Sasso en Italia, anunciaba sus resultados negativos al respecto. Este experimento usa 3,5 toneladas de xenón líquido como blanco para las elusivas partículas. Es, además, el experimento de este tipo más sensible hoy en día en uso.

El mismo día el equipo chino responsable de PandaX ubicado en Jinping (Sichuan, China), que pretende hacer lo mismo, también anunciaba sus resultados negativos.

Tampoco el observatorio Fermi ha confirmado la detección de rayos gamma procedentes de la aniquilación de WIMPs.

Por otro lado, tampoco han aparecido las prometidas partículas supersimétricas en el LHC, pues algunas de ellas podrían ser candidatas a formar la materia oscura.

Simplemente parece que no compremos cómo funciona el Universo a un nivel profundo que lo que estamos dispuesto a admitir.

Estos resultados parece descartar las teorías de supersimetría más elegantes y simples. Si la supersimetría no es viable, entonces las WIMPs deben de interaccionar con la materia ordinaria (de la que están hechos nuestros detectores) de una manera aun más débil o sutil de lo que se pensaba. Quizás no haya que abandonar aún el barco de las WIPMs, pero esta idea está ya bastante tocada.

Por ello, algunos físicos ya piensan en sustitutos a la idea de WIMPs. Quizás la materia oscura esté compuesta por axiones, una especie de fotón masivo, pero el miedo es que la famosa materia oscura esté compuesta por partículas que no interaccionan de ningún modo. Esto reduciría grandemente las posibilidades de que la idea sea falsable.

Pero la caía en desgracia de las WIMPs no eliminaría el problema de saber de qué está hecha la materia oscura. Incluso muchos se resisten a abandonar la idea de las WIMPs en sí.

Una de las últimas ideas recientemente propuesta es usar un tanque de helio 4 superfluido a modo de campo de ionización cuando un ión de helio sea producido por una interacción con una partícula de materia oscura de relativa baja masa (¿WIP?).

Humphrey Maris, George Seidel y Derek Stein (Brown University) proponen este mecanismo para tratar de observar en una ventana diferente a la explorada actualmente. Se trataría de observar WIPs con una masa tres o cuatro órdenes menor que la masa que pueden medir los detectores actuales.

La razón de usar helio es porque recibiría más energía por colisión que elementos más pesados como el xenón y por tener menor radiactividad propia que falsee los resultados.

Cuando una WIP interaccione con un núcleo de He, el retroceso del helio liberaría fonones y rotones, que son cuasipartículas procedentes de excitaciones de vibraciones y rotaciones respectivamente. Al tratarse de helio superfluido, estas cuasipartículas se propagarían sin dispersarse. Cuando estas excitaciones alcanzasen la superficie, algunos átomos de helio se evaporarían.

Una técnica similar ya fue desarrollada en Brown University para el detector de neutrinos HERON. En ese caso, un calorímetro de silicio recibe los átomos evaporados y registra un aumento de la temperatura. Pero esta idea tiene que ser modificada porque el número de átomos de He evaporados sería mucho, además su energía por partículas de materia oscura sería mucho menor. Esto se debería que la masa de las WIPs sería del orden de 1 MeV. Para poder detectar este tipo de evento sería necesario medir la evaporación de sólo un átomo de He.

La solución adoptada es acelerar los átomos de He evaporados, con ello ganan energía y así pueden ser detectados mejor. La mínima energía de partida sería la energía de ligadura de un átomo de He a la superficie, que a su vez sería a la energía mínima que podría medir del detector en una interacción con WIP, que a su vez estaría relacionada con la masa de la WIP incidente.

El átomo o átomos evaporados se harían pasar por una formación de puntas metálicas cargadas positivamente. El campo eléctrico local sería suficiente para ionizar ese átomo, que sería acelerado hacia un cátodo hasta que se consiguiera una energía suficiente como para que fuera detectado por el calorímetro. El detector sería capaz de detectar WIPs con una masa mínima de 0,6 MeV/c², es decir, menos de una milésima de la masa de un protón.

Una variación de este esquema es usar como detector un cristal recubierto de unas pocas monocapas de cesio y una fina película de helio. El helio se evaporaría al llegarle un fonón al estar al estar el He ligado muy débilmente al cesio. Este esquema incluso podría rebajar el umbral de detección a masas aún menores.

Puede parece todo demasiado difícil y preciso, pero igual se pensaba cuando se trataba de detectar ondas gravitacionales con el interferómetro de LIGO y al final sí se detectaron. Quizás algún día haya una rueda de prensa en la que nos cuenten (previa publicación del artículo), que por fin se han detectado directamente la materia oscura.

Pero el misterio no sería porqué no se habrían detecto estas partículas no ya en el LHC (que opera a muy alta energía), sino en todos los colisionadores anteriores.

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Fuentes y referencias:
Artículo original 1.
Artículo original 2.
Artículo original 3.
Copia en ArXiv.
Esquema: Humphrey Maris, George Seidel y Derek Stein.