En el ámbito de la investigación de la materia oscura, como en una tienda de porcelana, hay un elefante: una afirmación que es difícil de creer, imposible de confirmar y sorprendentemente difícil de explicar. Pero ahora tenemos cuatro instrumentos con el mismo tipo de detector que la colaboración que posee esta controvertida afirmación. Durante los próximos tres años, estos experimentos confirmarán la existencia de materia oscura o refutarán la afirmación de una vez por todas, dicen los físicos que trabajan en ellos.
"Todo saldrá bien", dice Frank Kalaprice de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, quien dirige uno de los experimentos.
El anuncio inicial lo hizo la colaboración DAMA, cuyo detector se encuentra en un laboratorio en las profundidades de la cordillera del Gran Sasso al este de Roma. Hace más de una década, proporcionó una evidencia asombrosa de la materia oscura, una sustancia invisible que se cree que une a las galaxias mediante su atracción gravitacional. El primero de los nuevos detectores comenzará a funcionar en Corea del Sur en tan solo unas semanas. El resto se lanzará en los próximos años en España, Australia y Gran Sasso. Todos ellos usarán cristales de yoduro de sodio para buscar materia oscura, lo que no ha hecho ningún experimento a gran escala, excepto DAMA.
Los científicos tienen mucha confianza en la existencia de materia oscura y que es al menos cinco veces más grande que la materia normal. Pero su naturaleza sigue siendo misteriosa. La hipótesis principal es que al menos parte de su masa está compuesta por partículas de interacción débil (WIMP), que ocasionalmente deben colisionar con núcleos atómicos en la Tierra.
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Los cristales de yoduro de sodio deben emitir un destello de luz si esto sucede en el detector. Si bien la radioactividad natural también produce tales llamaradas, DAMA anunció el descubrimiento de WIMP en 1998, citando el hecho de que la cantidad de llamaradas producidas por día fluctuaba con las estaciones.
Esto es lo que se esperaría si la señal es generada por WIMP que se derraman sobre la Tierra a medida que el sistema solar se mueve a través del halo de materia oscura de la Vía Láctea. En este caso, la cantidad de partículas que cruzan la Tierra debería alcanzar su punto máximo cuando el movimiento orbital del planeta se alinea con el movimiento del Sol, a principios de junio, y disminuir cuando el movimiento va en contra del Sol, a principios de diciembre.
Pero hay un gran problema. “Si fuera realmente materia oscura, muchos otros experimentos ya la habrían visto”, dice Thomas Schwetz-Mangold, físico teórico del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, y nadie lo ha visto todavía. Pero al mismo tiempo, todos los intentos de encontrar debilidades en el experimento DAMA, incluidos los efectos ambientales, que los científicos no tomaron en cuenta, no han tenido éxito. "Hay una señal de modulación", dice Kaijuan Ni de la Universidad de California, San Diego, que está trabajando en el experimento de materia oscura XENON1T. "Pero cómo interpretar esta señal, a favor de la materia oscura u otra cosa, no está claro".
Ningún otro experimento a gran escala utilizó yoduro de sodio en su detector, aunque KIMS en Corea del Sur usó yoduro de cesio. Por lo tanto, existe la posibilidad de que la materia oscura interactúe con el sodio de alguna manera diferente que con otros elementos. "Hasta que alguien dispare un detector en el mismo elemento que dejó la pista, no se puede estar seguro de nada", dice Juan Collar de la Universidad de Chicago en Illinois, quien ha trabajado en varios experimentos de materia oscura.
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Muchos se han enfrentado a la dificultad de cultivar cristales de yoduro de sodio con la pureza requerida. También se destaca la contaminación por potasio, que tiene un isótopo radiactivo natural.
Pero tres equipos de científicos, KIMS, DM-Ice de la Universidad de Yale en New Haven y ANAIS de la Universidad de Zaragoza en España, lograron obtener cristales con un nivel de radioactividad de fondo la mitad que el de DAMA. Es lo suficientemente limpio como para probar sus resultados, dicen los científicos.
Los científicos de KIMS y DM-Ice han construido un detector de yoduro de sodio junto con el laboratorio subterráneo de Yangyang, a 160 kilómetros al este de Seúl. La herramienta utiliza un sensor de "veto activo" que distinguirá mejor la materia oscura del ruido de fondo que DAMA, dice Yengduk Kim, director del Centro de Física Subterránea de Corea del Sur en Daejeon, que administra KIMS.
ANAIS está construyendo un detector similar en el laboratorio subterráneo de Canfranc en los Pirineos españoles. Juntos, KIMS, DM-Ice y ANAIS transportarán más de 200 kilogramos de yoduro de sodio e intercambiarán datos. En comparación con los 250 kilogramos que tenía DAMA, los científicos esperan atrapar un número similar de WIMP. Y aunque los nuevos detectores tendrán niveles más altos de ruido de fondo, podrán falsificar o reproducir la señal DAMA más fuerte, dice Reina Maruyama de la Universidad de Yale, que dirige DM-Ice.
Pero Kalapris sostiene que la alta pureza es más importante que la masa. Junto con sus colegas, desarrolló una forma de reducir la contaminación, y en enero anunció la recepción de cristales que son más limpios que los cristales DAMA. Espera reducir aún más el nivel de fondo, hasta una décima parte del DAMA.
Su proyecto SABRE (yoduro de sodio de rechazo de fondo activo) albergará un detector en Gran Sasso y otro en el Laboratorio de Física Subterráneo Stowell, que se está construyendo en una mina de oro en Victoria, Australia. SABRE utilizará un detector que separa la señal de materia oscura del ruido y pesará unos 50 kilogramos.
SABRE completará su investigación y desarrollo en aproximadamente un año y comenzará a construir sus detectores poco después, dice Kalapris. Entonces, la tecnología estará disponible para otros laboratorios, algo que DAMA no hizo. Y si tiene dos detectores idénticos en los hemisferios norte y sur, puede comprender si los efectos ambientales podrían simular la estacionalidad de la materia oscura en los resultados de DAMA; si la señal proviene de WIMP, ambos detectores verán picos al mismo tiempo.
DAMA confía mucho en sus resultados, dice Rita Bernabei de la Universidad de Roma. No está particularmente entusiasmada con el próximo lanzamiento de detectores de yoduro de sodio. “Nuestros resultados se han validado muchas veces durante 14 años, por lo que no tenemos ninguna razón para esperar ver lo que harán los demás”, dice. Si otros experimentos no ven las modulaciones anuales, la colaboración simplemente decidirá que no fueron lo suficientemente sensibles.
Pero, ¿y si los científicos de DAMA tienen razón? “Al principio, no quería creer los resultados de DAMA, ni siquiera los tomé en serio”, dice Katherine Freese, teórica de astropartículas de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, quien propuso el método de modulación estacional de DAMA. Pero como no se encontró ninguna otra explicación para su señal, se tranquilizó. "Cuanto más estudia una persona su experimento, más se da cuenta de lo bien que se hace".
Ilya Khel
