La Universidad Nacional, a través de los institutos de Ciencias Nucleares (ICN) y de Ingeniería (II), participa en el experimento DAMIC (Dark Matter in CCDs), cuyo propósito es la búsqueda directa de materia oscura. El detector utiliza dispositivos de carga acoplada o CCD (Charged Coupled Devices) de tipo científico y es instalado a dos mil metros de profundidad, en el laboratorio subterráneo SNOLAB, en Canadá.
La mayor parte de la materia del Universo no se puede ver y ni siquiera se conoce de qué está compuesta; la presencia de la materia oscura ha sido inferida sólo a través de sus efectos gravitacionales. Determinar su naturaleza constituye uno de los problemas más serios de la física y la astrofísica contemporáneas.
Alexis Aguilar y Juan Carlos D’Olivo, ambos del ICN, encabezan al grupo de universitarios que colabora en el equipo internacional de científicos que, con ese detector extraordinariamente sensible, intentará determinar, a partir del primer cuatrimestre de 2015, si hay una interacción, aunque sea muy débil, entre la materia oscura y la ordinaria.
En el transcurso de 2016 se tendrán los primeros resultados y se estará más cerca de saber qué es la materia oscura, pregunta que inquieta a los científicos y que hoy es una prioridad de la física de partículas, la astrofísica y la cosmología.
Invisible
En los años 30 del siglo pasado, al examinar el movimiento de las galaxias en el Cúmulo de Coma, el astrónomo suizo Fritz Zwicky concluyó que éste debía contener una gran cantidad de materia no luminosa. A esta materia adicional, a la que no podía ver porque no emite luz, la llamó “oscura”.
Actualmente, la evidencia astronómica de su presencia es abrumadora: curvas de rotación de galaxias, dinámica de cúmulos de galaxias, lentes gravitacionales y espectaculares observaciones de colisiones de cúmulos. Esta evidencia se ha visto reforzada por observaciones cosmológicas de la abundancia de los elementos ligeros sintetizados durante el Big Bang y las anisotropías de la radiación cósmica de fondo.
En números, toda la materia visible sólo representa un cinco por ciento del contenido total de energía del Universo. El resto corresponde a la materia oscura (27 por ciento) y a otra entidad misteriosa (68 por ciento) a la que se ha dado el nombre de energía oscura y que acelera la expansión del Universo. Este modelo describe las estructuras a gran escala y ha sido verificado recientemente por los últimos datos provistos por el satélite Planck, que ha realizado las mediciones más precisas del fondo de microondas que existe en el cosmos.
Si la materia oscura es tan abundante, ¿por qué no se ha detectado en un experimento? Se debe, explicó Juan Carlos D’Olivo, a que sus interacciones con la materia ordinaria son muy débiles.
Una partícula de aquélla, abundó Alexis Aguilar, podría atravesar enormes cantidades de materia ordinaria sin hacer “algo”, como si fuera transparente a ella, sin tener colisión con los átomos, electrones o fotones presentes en ese medio. Por ello, no hay manera de obtener una “muestra” con la cual estudiar sus propiedades.
La ordinaria tiene cuatro tipos de interacciones: gravitacional; electromagnética, responsable de emitir luz visible; nuclear fuerte, que mantiene a protones y neutrones en los núcleos atómicos; y nuclear débil, causante de que ocurran ciertos tipos de desintegraciones atómicas. De todas ellas, la oscura sólo tiene acceso a la gravitacional.
No obstante, explicó D’Olivo, hasta donde se ha podido explorar en las escalas más pequeñas del microcosmos, entre las partículas elementales, como quarks o neutrinos, la interacción gravitacional es extraordinariamente débil. Y aunque esa fuerza, al ser de largo alcance domina el movimiento de planetas y galaxias y nos mantiene “pegados” a la Tierra, si se compara la que existe entre dos protones con la interacción fuerte o electromagnética entre ambos, entonces el efecto de la gravitación es depreciable.
Se espera que las partículas de materia oscura no sean muy livianas, en nuestro caso, contamos con que tengan masas de algunas decenas de veces la masa del protón, y que aparte de la gravitación, tal vez sientan una interacción débil desconocida, depositando así una pequeña cantidad de energía en nuestro detector, precisó el científico.
¿De qué podría estar hecha esa materia? “De todas las alternativas en juego, la que mejor se acomoda con todas las evidencias experimentales son las llamadas WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), es decir, partículas masivas que interactúan débilmente y que otros detectores no han podido ver”.
Aguilar explicó que el material sensible del detector DAMIC es el silicio, del que están compuestos los CCD, “esencialmente los mismos dispositivos que se usan para las cámaras digitales”. En este caso, dichos sensores son entre 20 y 30 veces más gruesos, de entre 500 y 650 micras de espesor; su área es más grande y puede tener hasta unos 36 millones de pixeles en la superficie.
La colaboración DAMIC está integrada por una veintena de investigadores de diversos países. Además de la UNAM, participan el laboratorio Fermilab y las universidades de Chicago y Míchigan, Estados Unidos; el Centro Atómico Bariloche, de Argentina; la Universidad de Asunción, Paraguay; la Universidad de Zúrich, Suiza; y la Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil.
El líder del proyecto, Juan Estrada, del Centro de Astrofísica de Partículas de Fermilab, tuvo la idea de emplear CCD para detectar materia oscura. En 2010 se construyó un pequeño prototipo con uno de estos dispositivos en una cápsula criogénica de cobre de alta pureza, a una temperatura cercana a la del nitrógeno líquido, alrededor de 140 kelvin. Resultó una opción fantástica, al ser altamente sensible y superar a otras tecnologías de detección. Además, es una técnica más simple y barata, precisó el universitario.
D’Olivo expuso que distintas partículas producen diferentes imágenes. Una vez que la señal se recupera y se guarda, queda registrada como una especie de fotografía, donde los electrones dejan marcas zigzagueantes; los muones, una traza casi lineal; las partículas alfa, manchas; y los neutrones, puntos, similares a los que debe dejar una WIMP.
Además de mejorar la sensibilidad, el experimento requiere combatir el ruido de fondo, y uno de los más dañinos son los neutrones. Cuando los rayos cósmicos entran en la atmósfera terrestre chocan con las moléculas del aire y producen una cascada de partículas, compuesta de electrones, fotones y muones que llegan a la superficie.
Los dos primeros, detalló Aguilar, no penetran demasiado en la materia y son relativamente fáciles de bloquear; pero los muones son penetrantes y cuando chocan con el material del detector pueden producir neutrones que generan “ruido”, al dar una señal similar a los eventos “genuinos” o WIMP.
Para disminuir el flujo de muones se necesita hacer el experimento a centenares o miles de metros bajo la roca, en un laboratorio subterráneo como SNOLAB. A mayor profundidad, el número de muones será menor con respecto al que se tiene en la superficie de la tierra.
El detector DAMIC 100 es llamado así porque tendrá 100 gramos de silicio ultrapuro con una bajísima contaminación radioactiva y una “torre” de 18 CCD, cada uno del orden de cinco gramos y medio, y 650 micras de grosor. Se espera que una partícula de materia oscura le dé un “golpe” a un núcleo de silicio y deposite una cantidad de energía, localizada dentro de uno de los pixeles.
El detector tiene varias capas de protección, entre ellas, un “escudo” de plomo rescatado de un antiguo galeón romano en el Mediterráneo, que bloquea los rayos gamma. Esta protección sirve para frenar toda posible emisión radioactiva, fotones, partículas alfa, electrones y algunos muones, de tal manera que en el interior hay un ambiente callado, de total oscuridad. De ese silencio se espera que surja algún dato acerca de la intensidad de la interacción que puedan o no tener las partículas “oscuras” y la posible magnitud de su masa.
En este proyecto, los integrantes de la UNAM han contribuido con un estudio del comportamiento térmico de las CCD y, en breve, comenzarán a hacer mediciones del perfil de temperatura de tales dispositivos. “Queremos saber qué variación de temperatura puede haber dentro de las distintas CCD una vez que estén empaquetadas”, refirió Juan Carlos D’Olivo. En estos estudios participa Frederic Trillaud, del Instituto de Ingeniería.
También se ha confeccionado un diseño preliminar de un detector de mayor tamaño, con una masa de medio kilogramo, que podría usarse en la siguiente etapa, abundaron los científicos.
Alumnos de las facultades de Ciencias e Ingeniería de esta casa de estudios realizaron estancias de varios meses en Fermilab para recibir entrenamiento y colaborar en diversas tareas relacionadas con el experimento. Actualmente, otra estudiante está encargada de un detector de germanio para contar la radio pureza de los materiales utilizados en el experimento. En adelante, “colaboraremos en la instalación, operación y monitoreo del experimento”.
A futuro, quisiéramos implementar uno similar en México. Este año constituimos la Red Académica de Experimentos Subterráneos, con apoyo de la Dirección General de Cooperación e Internacionalización; a ella se han sumado ingenieros y colegas de geofísica para estudios sismológicos y de composición de rocas, así como biólogos que estudian la genómica de bacterias a grandes profundidades, añadió.
Finalmente, Aguilar y D’Olivo indicaron que buscan que nuestro país cuente con un laboratorio nacional, dotado con instalaciones profundas, que sea competitivo a nivel mundial, pues en Latinoamérica no existen de este tipo. Además, uno en el hemisferio sur sería único por su ubicación y para ello ya se colabora con grupos de Argentina, Chile y Brasil.
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