Una nueva búsqueda de materia oscura ha comenzado en una antigua mina de oro, a casi 1,5 kilómetros bajo tierra

En las profundidades de una vieja mina de oro, en una tina de xenón líquido, se ha iniciado una nueva búsqueda de la materia oscura, el misterioso material que constituye aproximadamente el 85% de toda la materia del universo.

Nadie sabe qué es exactamente la materia oscura. Los científicos saben que existe porque pueden medir la forma en que su gravedad afecta a las galaxias lejanas, pero nunca la han detectado directamente. 

Ese es el objetivo de un nuevo experimento enterrado en las profundidades de Lead, Dakota del Sur, en Estados Unidos: captar la materia oscura en el acto de interactuar con otras partículas.

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El experimento se llama LUX-ZEPLIN, o LZ en su abreviatura. Se trata de una cuba de 10 toneladas de xenón líquido puro, equipada con detectores para captar el increíblemente débil destello de energía que se produciría al colisionar una partícula de materia oscura con un átomo de xenón. 

Los investigadores han anunciado este jueves que está en marcha y listo para buscar nuevas partículas.

"La materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física de partículas actual", ha señalado Hugh Lippincott, portavoz del equipo de 250 científicos del LZ, en el anuncio retransmitido en directo.

Tras 8 años de preparación, el detector LZ funcionó como se esperaba durante una prueba de 63 días, según los investigadores, que publicaron el jueves un informe sobre el primer conjunto de datos. 

Ahora se están preparando para llevar a cabo el experimento durante un máximo de 1.000 días, a partir de finales de verano o principios de otoño. Podrían tener los primeros resultados en algún momento de 2023, pero la operación podría prolongarse hasta 5 años.

Esta no es la primera cuba de xenón líquido para buscar materia oscura, pero es la más grande y sensible. Sus nuevos datos han descartado un rango de masas para las partículas de materia oscura, y tiene suficiente sensibilidad para buscar en rangos de masa aún más bajos.

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Si descubren una nueva partícula, podría conducir a una física nueva y más precisa, más allá del Modelo Estándar que ha definido nuestra comprensión del universo desde los años 70. La detección de la materia oscura revolucionaría nuestra comprensión más básica del universo.

"Todo el mundo está tratando de encontrar alguna evidencia de la física más allá del modelo estándar. Y probablemente la evidencia más fuerte que tenemos de eso es la materia oscura", explica Aaron Manalaysay, coordinador de física del proyecto, a Business Insider. "Pero realmente no sabemos qué es".

Para detectar la materia oscura, hay que preparar un escenario muy tranquilo

La materia oscura podría provenir de las Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMPs), una partícula teórica que interactuaría con la gravedad y ocasionalmente, en muy raras ocasiones, colisionaría con partículas de materia visible. Se trata de una teoría puntera, pero nadie ha detectado antes una WIMP. Eso es lo que busca principalmente el proyecto LZ.

Podrías disparar a un WIMP a través de 10 millones de años luz de plomo y sólo obtendrías una colisión, dice Lippincott.

Por suerte, si existen, muchos WIMP deberían estar pasando a través de nosotros todo el tiempo. En 10 toneladas de átomos de xenón, debería haber colisiones regulares. El experimento sólo tiene que ser lo suficientemente silencioso como para que la débil y fugaz señal de los WIMP no se pierda por el ruido de fondo.

"Nuestro trabajo consiste en conseguir un trozo de materia muy limpio y silencioso desde el punto de vista de las partículas, en el que podamos instrumentar y ser capaces de detectar cuándo se ha producido una interacción de partículas", explica Manalaysay.

Por ello, los investigadores construyeron el detector LZ en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, una antigua mina de oro a casi 1,5 kilómetros de profundidad. Esta ubicación lo protege del ruido de fondo. Para mayor tranquilidad, el xenón está anidado dentro de 2 tanques de titanio.

La búsqueda de materia oscura en el LZ es un proceso de eliminación. La mayoría de sus sensores están diseñados para identificar señales que coincidan con una interacción de partículas conocida, algo que definitivamente no es materia oscura.

"Ese es realmente el sentido del juego aquí en el campo de la búsqueda de materia oscura, es tener un gran detector y tener una tasa muy baja de señales de fondo", insiste Manalaysay.

Una búsqueda global de la materia invisible

Debido a que cuenta con el mayor depósito de xenón líquido hasta la fecha y a su tranquila ubicación, LZ es el detector de materia oscura más sensible de la Tierra. No es el único, pero será el más sensible a posibles WIMP.

En China, un experimento de 4 toneladas de xenón llamado PandaX publicó sus primeros resultados en diciembre.

Un experimento similar en Italia, llamado XENON1T, anunció en 2020 que había detectado un número inesperadamente alto de colisiones en su última ejecución. Ninguna de ellas parece materia oscura, pero podrían apuntar a una nueva partícula diferente. Los datos de la prueba del detector LZ deberían arrojar algo de luz sobre lo que podrían ser esas colisiones, según las declaraciones de Manalaysay.

XENON1T, el equipo de LZ y un gran grupo de científicos de la materia oscura en Europa, llamado DARWIN, han formado un enorme consorcio de cientos de científicos. Con el tiempo, planean construir juntos un experimento gigante de materia oscura —"un experimento más de xenón para gobernarlos a todos", dijo Lippincott— aunque actualmente no hay una fecha para ese proyecto.