Cuando Michelle Galloway conduce al trabajo, toma un túnel hacia una montaña. En el fondo, a la entrada de las instalaciones, los guardias le piden una contraseña secreta. “Entonces, esta puerta tipo James Bond se abre en la roca”, explica Galloway, investigador principal de la Universidad de Zúrich. “Es super guay”.
Detrás de la puerta se encuentra el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia. Ubicado a 1.400 metros bajo la superficie, es el laboratorio subterráneo más grande de su tipo en el mundo. Y en uno de los cavernosos pasillos excavados en la roca de los Apeninos se encuentra una máquina que podría cambiar nuestra comprensión del universo entero.
Galloway y sus colegas en el experimento XENONnT tienen un objetivo en mente: descubrir de qué está hecha la materia oscura. La materia oscura, sea lo que sea, representa el 85 por ciento de la masa total del Universo. Curva la luz y une a las galaxias, evitando que se separen; los efectos gravitacionales como estos son la única razón por la que los físicos saben que existe.
El otro 15 por ciento, todo lo demás en el Universo, desde los anillos de Saturno hasta las células del revestimiento del estómago, está bien cubierto por el Modelo Estándar, la teoría que describe todas las partículas de materia esenciales conocidas.
Pero la materia oscura preocupa al modelo estándar, no encaja. Una idea, llamada supersimetría, es que existe una amplia gama de otras partículas difíciles de detectar que actúan como socios de las que ya conocemos. “Si encontramos algún apoyo para la supersimetría, entonces nos daría una forma de expandir el Modelo Estándar”, explica Galloway.
Ella y sus colegas esperan encontrar algunas respuestas con la ayuda de 8,6 toneladas de xenón líquido, un gas noble que a veces se usa como anestésico general. “Es extremadamente raro, por lo que es caro, por supuesto”, dice Galloway. La última vez que el equipo compró algunos, el precio fue de aproximadamente 12 € por litro. A ese precio, 8,6 toneladas costarían alrededor de 17 millones de euros, pero se adquirió gradualmente y se puede reciclar.
Alrededor de cinco toneladas de xenón, que se mantiene a -100 ° C, se bombean dentro de la más pequeña de las tres cámaras que componen el detector, que recientemente se ha sometido a una actualización masiva. Este compartimento interior se llama cámara de proyección de tiempo o TPC. Está diseñado para captar la débil señal de las partículas de materia oscura que atraviesan la Tierra. Una partícula candidata teórica que el equipo espera detectar se llama partícula masiva de interacción débil, conocida como “WIMP” para abreviar. El XENONnT está tratando efectivamente de captar un “viento de WIMP” que vuela a través del Universo, dice Galloway.
Si funciona según lo planeado, un WIMP entrará en el TPC cilíndrico y golpeará el núcleo de un átomo de xenón, haciendo que escape una pequeña cantidad de luz. Durante este evento de “retroceso nuclear”, algunos electrones también se liberarán del xenón. Viajarán hasta la parte superior del TPC y causarán una mayor emisión de luz al interactuar con una capa de gas xenón.
El problema es que los detectores de luz utilizados en el experimento pueden detectar todo tipo de interacciones físicas, incluida la radiactividad de fondo, que no es evidencia de materia oscura. Pero al señalar la ubicación precisa de los eventos emisores de luz, el equipo de investigación puede trazar exactamente dónde ocurrieron. Y si resultan haber ocurrido múltiples interacciones al nivel de energía apropiado en el corazón del TPC, justo en medio de ese xenón líquido, los investigadores pueden estar seguros de que fueron causadas por WIMP.
Eliminar el ruido es uno de los grandes desafíos de un experimento como este. El xenón debe purificarse constantemente para extraer las sustancias que se acumulan naturalmente en él de los materiales del detector. Dos cámaras externas (en la imagen) llenas de una solución salina especial ralentizan el paso de partículas que interrumpirían la detección de WIMP, y los dispositivos de detección de luz adicionales en estas cámaras externas detectan interacciones que no son de WIMP para que puedan descartarse. Piense en ello como tratar de escuchar a un pajarito piar débilmente en un bosque ventoso. Si de alguna manera puede bloquear el ruido ambiental y escuchar con mucha atención, tendrá muchas más posibilidades.
Es posible que, después de todo, la materia oscura no esté compuesta por WIMP. Podría ser una mezcla de diferentes partículas o algo completamente diferente. Pero XENONnT debería acercarnos a la respuesta, de una forma u otra. Como mínimo, todo el proyecto es un recordatorio de lo poco que sabemos sobre el Universo. “Incluso si no averiguamos qué es en mi vida”, dice Galloway, “creo que simplemente nos da una cierta perspectiva”.
Fuente:
Baraniuk, C. (2021, 13 octubre). Inside the hidden lab that’s digging for dark matter. Recuperado 13 de octubre de 2021, de https://www.wired.co.uk/article/xenonnt-dark-matter-experiment-laboratory