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Artículo publicado por Sarah Witman el 20 de septiembre de 2013 en Symmetry Magazine

Los físicos del experimento CDMS han desarrollado una forma mejor de buscar una partícula que, de existir, revolucionaría nuestras ideas sobre la materia oscura.

Tras ver posibles pistas de una materia oscura sorprendentemente ligera a principios de año, los científicos de Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) han encontrado una forma de mejorar la búsqueda de tales partículas.

Detectores CDMS

Detectores de CDMS


El descubrimiento de partículas de materia oscura de masa baja podría decirnos que la materia oscura es más compleja de lo que se pensaba originalmente.

Los físicos diseñaron CDMS para buscar partículas de materia oscura pesada, el tipo predicho por la popular teoría de la supersimetría. La supersimetría propone que cada partícula elemental conocida – el quark, el leptón, etc. – tiene una partícula compañera masiva. Tal partícula compañera podría ser lo que conocemos como materia oscura.

Sin embargo, una teoría distinta, actualmente en auge, predice la existencia de partículas de materia oscura ligera que es miembro de una familia de partículas del “sector oscuro”.

“No sabemos; podría haber partículas de materia oscura ligera y pesada”, dice el físico Dan Bauer, director de proyecto y operaciones de CDMS y jefe del grupo CDMS del Fermilab. “Esta es una de las cosas que han estado interesando en los últimos años, darnos cuenta de que la materia oscura podría ser tan compleja como la materia normal”.

El experimento CDMS busca partículas de materia oscura usando un detector lleno de germanio y cristales de silicio enfriado a una temperatura muy baja, unos -273 grados Celsius. Los átomos de los cristales enfriados permanecen muy quietos, haciendo que sea más fácil observar cuándo se ven perturbados. Si una partícula de materia oscura golpea contra el núcleo de un átomo en el detector CDMS, la interacción liberará una pequeña cantidad de calor y carga, la cual pueden medir los científicos con componentes electrónicos muy sensibles.

Cuanto más ligera sea la partícula que ofrece el impulso, menor será la cantidad de calor y carga liberada. Esto hace que las partículas de materia oscura de baja masa sean difíciles de encontrar.

Una modificación del detector CDMS, conocido como CDMSlite—“lite” acrónimo de “low-ionization threshold experiment (experimento de umbral de ionización baja)”—combate este problema con la aplicación de un voltaje mayor a todo el cristal (unos asombrosos 69 voltios, en lugar de los 4 habituales). Esto amplifica la señal que liberan las partículas de masa baja, dando a los científicos una visión más cercana del rango de energía al que deberían aparecer los eventos de materia oscura ligera.

El experimento ha fijado ahora los límites más estrechos del mundo para la detección de partículas de materia oscura, con una masa por debajo de los 6000 millones de electrón-volts.

“Estamos excluyendo un nuevo espacio de parámetros que no se había estudiado con anterioridad”, dice el físico del Pacific Northwest National Laboratory, Jeter Hall, que ideó y ayudó a materializar la idea de usar voltajes mayores.

Aunque CDMSlite no está preparado para buscar partículas de materia oscura pesada – sus señales, mucho mayores, saturarían la electrónica del experimento – CDMS no se rendirá en su búsqueda de una partícula masiva. Los científicos de CDMS manejarán detectores en distintos modos de búsqueda para cubrir un amplio rango de masas de materia oscura.

“Deberíamos considerar un rango amplio de posibilidades, dado lo poco que sabemos sobre las propiedades de la materia oscura”, dice el físico Richard Partridge, que lidera el grupo CDMS del SLAC National Accelerator Laboratory.

Los científicos esperan usar la tecnología desarrollada para CDMSlite en la próxima generación del experimento, un detector mayor que se situará a más de un kilómetro bajo tierra en SNOLAB en Canadá.

“La búsqueda de materia oscura se ha estado realizando desde hace algún tiempo. Las últimas pruebas apuntan a la posibilidad de partículas más ligeras de lo que habíamos pensado. Y la búsqueda de tal materia oscura ligera requiere una nueva tecnología de detección”, dice el alumno visitante en Fermilab Ritoban Basu Thakur de la Universidad de Illinois, en Urbana-Champaign, que está escribiendo su tesis sobre CDMSlite. “Estamos empujando los límites de la tecnología de detectores en nuestro intento de encontrar la materia oscura”.

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