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Vibraciones de materia oscura | revista de simetría

octubre 27, 2018
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Un experimento de materia oscura programado para conectarse al laboratorio subterráneo canadiense SNOLAB a principios de la década de 2020 llevará a cabo una de las búsquedas más sensibles de partículas hipotéticas conocidas como partículas masivas de interacción débil, o WIMP.

Los científicos consideran WIMPs candidatos de materia oscura fuerte. Pero, ¿y si la materia oscura resulta ser otra cosa? Después de todo, a pesar de una intensa caza con detectores cada vez más sofisticados, los científicos aún tienen que detectar directamente la materia oscura.

Es por eso que los investigadores en el experimento de materia oscura SuperCDMS en SNOLAB están buscando formas de ampliar su búsqueda. Y encontraron uno: probaron un prototipo de detector que permitiría que su experimento buscara candidatos mucho más ligeros de materia oscura también.

“Este desarrollo es emocionante porque nos da acceso a un nuevo sector de masas de partículas donde podrían ocultarse alternativas a WIMP”, dice Priscilla Cushman de la Universidad de Minnesota, vocera de la colaboración de SuperCDMS. “También demuestra la flexibilidad de nuestra tecnología de detección, que ahora alcanza umbrales de energía y resoluciones que no eran posibles hace unos años”.

La colaboración publicó los resultados de la primera búsqueda de materia oscura de baja masa con la nueva tecnología en Letras de revisión física. Algunos científicos en el equipo también describieron el prototipo en un documento anterior en Letras de Física Aplicada.

Un micrófono ultrasensible para la materia oscura

El núcleo del experimento SuperCDMS está compuesto por detectores muy sensibles en la parte superior e inferior de cristales de germanio y de silicio en forma de puck de hockey. Los detectores pueden observar vibraciones muy pequeñas causadas por partículas de materia oscura que se precipitan a través de los cristales. El desafío en el uso de esta tecnología para encontrar partículas de materia oscura ligera es que, cuanto más ligera es la partícula, menores son las vibraciones.

“Para recoger esas vibraciones, necesitas un 'micrófono' extraordinario”, dice Matt Pyle de la Universidad de California, quien contribuyó en ambos documentos. “Nuestro objetivo es construir micrófonos-detectores-que sean lo suficientemente sensibles como para detectar señales de partículas muy ligeras. Nuestra tecnología está a la vanguardia de lo que actualmente es posible “.

Las vibraciones causadas por una interacción de materia oscura también pueden desalojar a los electrones cargados negativamente en el cristal. Esto deja manchas o agujeros cargados positivamente en los lugares donde una vez estuvieron los electrones. Si se aplica un campo eléctrico, los pares de electrones y orificios atraviesan el cristal en direcciones opuestas, y el detector puede medir su carga.

Una forma de hacer que el experimento sea más sensible es aumentar la eficiencia con la que mide la carga de los pares electrón-agujero. Este enfoque ha sido el principal factor para mejorar la sensibilidad hasta ahora. El predecesor de SuperCDMS SNOLAB, el experimento SuperCDMS Soudan, ubicado en la mina Soudan en Minnesota, requirió la carga de 70 pares de electrones y agujeros para hacer una detección. SuperCDMS SNOLAB requerirá solo la mitad.

“Pero ese no es el tipo de mejora que hicimos aquí”, dice Roger Romani, un estudiante de pregrado reciente en el grupo de Blas Cabrera en la Universidad de Stanford y autor principal de la Letras de Física Aplicada papel. El equipo encontró una manera diferente de hacer que el experimento sea aún más sensible.

“En nuestro enfoque, contamos el número de pares de electrón-agujero al observar las vibraciones que causaron al viajar a través de nuestro detector de cristal”, dice.

Para hacerlo, el equipo de Cabrera, junto con Betty Young, de la Universidad de Santa Clara, aplicó un alto voltaje que empujó los pares de electrón-agujero a través del cristal. La aceleración llevó a la producción de más vibraciones, además de las creadas sin voltaje.

“Como resultado, nuestro prototipo es sensible a un solo par de electrón-agujero”, dice Francisco Ponce, un investigador postdoctoral en el equipo de Cabrera. “Poder medir una carga más pequeña nos da una resolución más alta en nuestro experimento y nos permite detectar partículas con masa más pequeña”.

Primera búsqueda de materia oscura clara

La colaboración SuperCDMS ha utilizado el detector de prototipos para una primera búsqueda de materia oscura clara, y el resultado es prometedor.

“El experimento demuestra que somos sensibles a un rango de masa en el que no teníamos ninguna sensibilidad antes”, dice Cabrera, ex director del proyecto SuperCDMS SNOLAB del Instituto Kavli para Partículas Astrofísicas y Cosmología, un instituto conjunto del Departamento de Energía. SLAC National Accelerator Laboratory y Stanford.

Noah Kurinsky, un estudiante de doctorado reciente en el grupo de Cabrera, dice: “Aunque la tecnología está en las primeras etapas de su desarrollo, podemos establecer límites en las propiedades de la materia oscura y son competitivos para otros experimentos que operan en el mismo rango de masa “.

El resultado es aún más convincente teniendo en cuenta las circunstancias experimentales: ubicado en el laboratorio de Cabrera en un sótano de Stanford, el experimento no estaba protegido del fondo de rayos cósmicos no deseados (SuperCDMS SNOLAB operará a 6800 pies bajo tierra); usó un prototipo de cristal muy pequeño, que limitaba el tamaño de la señal (SuperCDMS Los cristales de Soudan eran 1500 veces más pesados); y funcionó por un tiempo relativamente corto, limitando la cantidad de datos para el análisis (XENON10 tenía 20,000 veces más exposición).

Eventualmente, los investigadores quieren ampliar el tamaño de su cristal y usarlo en una generación futura de SuperCDMS SNOLAB. Sin embargo, se necesita hacer mucho más trabajo de I + D antes de que eso pueda suceder.

Por el momento, están trabajando para mejorar la calidad del cristal y comprender mejor su física fundamental: por ejemplo, cómo lidiar con un efecto mecánico cuántico que crea al azar pares de electrón-agujero sin razón aparente y puede causar un fondo señal que se ve exactamente como una señal de la materia oscura.

El equipo tiene la esperanza de que sus esfuerzos conduzcan a nuevos diseños de detectores que continúen haciendo que SuperCDMS SNOLAB sea más poderoso, Pyle dice: “Entonces, tendremos una mejor posibilidad de estudiar el territorio desconocido de la materia oscura”.