Un nuevo detector no confirma presuntos hallazgos referentes a la materia oscura

El experimento Cosine-100, instalado a 700 metros debajo del suelo en Corea del Sur, cuenta con participación brasileña. Los primeros datos recabados se dieron a conocer en un artículo publicado en Nature

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Hace casi 20 años, el experimento Dama/ Libra, con sede en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso, en Italia, empezó a difundir resultados de una presunta modulación de señales producidas por la interacción del detector con el halo de materia oscura de la Vía Láctea.

La materia oscura compondría alrededor del 27% del contenido del Universo, en tanto que la materia común correspondería a tan sólo el 4%. El 69% restante estaría constituido por la energía oscura. Como la materia oscura tiene muy poca interacción con la materia común, su presencia sólo se ha inferido hasta ahora con base en los efectos gravitatorios sobre la materia visible, compuesta por estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias.

El modelo más aceptado indica que la composición de los movimientos de la Tierra, el Sol y la propia Vía Láctea resultaría para el observador terrestre en un viento de materia oscura. Más específicamente, en un viento de Wimps (Weakly Interacting Massive Particles – partículas masivas que interactúan débilmente), partículas hipotéticas que serían las principales candidatas a conformar la materia oscura. 

Durante la traslación anual de la Tierra, las señales de la interacción del detector con los Wimps aumentarían cuando el planeta se desplazase en sentido contrario al del viento, y disminuirían cuando se desplazase en igual sentido. Esta variación se daría en forma cosenoidal.

El Dama/ Libra difundió detecciones de señales con una tasa de variación en el transcurso del año en forma cosenoidal, lo que correspondería a una firma de materia oscura. El problema reside en que, desde que esto se anunció por primera vez, ningún otro experimento confirmó esa presunta firma. Un punto sobre el cual se debe hacer hincapié es el que indica que en esos otros experimentos se utilizaron diferentes materiales y distintas técnicas de análisis.

Para chequear la discrepancia entre los datos del DAMA/ LIBRA y los datos de los otros experimentos, y para buscar indicios robustos referentes a la materia oscura, se instaló un nuevo detector, el Cosine-100, a 700 metros debajo del nivel del suelo en el YangYang Underground Laboratory (Y2L), en Corea del Sur.

Y en diciembre pasado salió publicado en la revista Nature un artículo en el cual se dieron a conocer los resultados concernientes a los datos recabados durante los primeros 59,5 días de operación del Cosine-100.

Nelson Carlin Filho −profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP)− y dos de sus dirigidos constituyen la participación brasileña en la colaboración internacional Cosine-100. Su trabajo cuenta con el apoyo de la FAPESP en el marco del proyecto intitulado “La búsqueda de la materia oscura: los WIMPS y los fotones oscuros”. 

“Los resultados de los primeros 59,5 días del Cosine-100 no confirmaron las señales dadas a conocer desde el Dama/ Libra. Los resultados obtenidos no corresponden a una firma de Wimps”, declaró el investigador a Agência FAPESP.

Carlin enfatizó que esa negativa es tanto más importante en la medida en que el Cosine-100 utiliza como detectores cristales de yoduro de sodio (NaI), el mismo material empleado en el Dama/ Libra. “Es el primer resultado publicado de un detector de ese material con un tamaño y una sensibilidad suficientes como para investigar la región de las señales del Dama/ Libra”, dijo.

“No estamos afirmando sencillamente que los investigadores del Dama/ Libra se equivocaron. Pueden haber captado una modulación periódica de señales reales. Pero a menos que el modelo de materia oscura sea significativamente modificado, existen pocas posibilidades de adjudicar esas señales a interacciones con Wimps. De cualquier forma, nuestro trabajo recién está empezando. Será necesario recabar datos durante varios años para confirmar o refutar totalmente la modulación anual del Dama/ Libra”, dijo. 

El detector del Cosine-100 está constituido por ocho cristales de yoduro de sodio dopados con talio (Tl), componiendo una masa total de 106 kilos. Cada cristal está acoplado a dos fotosensores destinados a medir la cantidad de energía depositada en él. Y el conjunto completo está inmerso en 2.200 litros de líquido centellador, rodeado de cobre, plomo y centelladores plásticos. 

Todo este blindaje y el hecho de que el detector se encuentra instalado 700 metros debajo del suelo tienen por objeto reducir al mínimo las perturbaciones provocadas por los rayos cósmicos (muones), por la radiación cósmica de fondo (fotones remanentes del universo primordial, detectados en el rango de las microondas) y por emisiones de partículas de los propios materiales que componen este artefacto. 

“La probabilidad de observar la interacción de una partícula de materia oscura con el material del detector es mínima. Además del blindaje, es necesario analizar la forma de las señales, a los efectos de descartar las contribuciones de los diversos fondos”, dijo Carlin.

Con base en un tratamiento estadístico sumamente sofisticado, que comprende la aplicación del modelo estándar para el halo de materia oscura, con simulaciones de Montecarlo y otros recursos, en el Cosine-100 se definió una curva considerada como “límite de exclusión” para las interacciones entre las Wimps y los núcleos del material del detector. 

Este límite corroboró y precisó límites establecidos en el marco de experimentos anteriores. La curva está dispuesta en un sistema bidimensional de coordenadas cartesianas. En el eje Y se anotan las secciones de choque, que informan de manera sencilla las probabilidades de ocurrencia de las interacciones; y en el eje X, las masas de las supuestas Wimps. 

Cualquier evento cuyas coordenadas puedan plotearse por debajo del límite de exclusión es candidato a la interacción Wimp-núcleo. Cualquier evento situado por encima no obedece a las condiciones necesarias como para caracterizar a una interacción según el modelo (véase la figura a continuación).

“Las señales del Dama/ Libra [las áreas delimitadas en líneas de trazos en rojo y azul] se ubicaron por encima del límite de exclusión. Cabe acotar que además de utilizar detectores compuestos por el mismo material empleado en el Dama/ Libra (cristales de yoduro de sodio), en el Cosine-100 se aplicaron técnicas de selección de eventos similares. Por ende, se minimizaron las discrepancias de resultados debidas a diferencias entre los experimentos. No encontramos materia oscura y descubrimos que las mediciones del Dama/ Libra no son consistentes con el modelo estándar para el halo de materia oscura”, dijo Carlin. 

De qué está formada

La existencia de la materia oscura hoy en día es aceptada prácticamente como un consenso en el seno la comunidad científica. Las primeras evidencias de la misma surgieron en 1933, con los estudios sobre las velocidades de rotación de las galaxias y los cúmulos de galaxias realizados por el astrónomo suizo Fritz Zwicky (1898-1974). 

Zwicky detectó que las velocidades eran mayores que las que deberían ser de acuerdo con la masa luminosa observada. Y que, por ende, debería existir otro tipo de material, al cual denominó de dunkle Materie (materia oscura, en alemán), cuyo aporte gravitatorio estaría afectando a las velocidades. 

En la década de 1970, la astrónoma estadounidense Vera Rubin (1928-2016) realizó un estudio sistemático de las velocidades de rotación de las galaxias en el cual confirmó la hipótesis de Zwicky. Los cálculos bastante rigurosos de Rubin, confirmados en estudios posteriores, demostraron que las galaxias contendrían al menos entre cinco y diez veces más materia oscura que la materia común.

En la actualidad, con base en las velocidades de rotación de las galaxias y en otras evidencias, tales como las características de las lentes gravitatorias de Einstein y las de la radiación de fondo de microondas, la proporción aceptada para la composición del Universo es de aproximadamente un 4% de materia común, un 27% de materia oscura y un 69% de energía oscura.

Si bien la existencia de la materia oscura se ha vuelto prácticamente incuestionable, la cuestión sigue determinar su constitución. El modelo basado en Wimps aún es el más aceptado. Estas partículas interactuarían con la materia común únicamente a través de la interacción gravitacional y de la interacción nuclear débil. De allí el hecho de que, hasta ahora, no hayan sido detectadas consistentemente. Esta dificultad en su detección ha venido motivando el diseño de modelos alternativos, tales como los de los axiones o los de los fótones oscuros.

“Nada impide que la materia oscura esté constituida por varios elementos distintos”, dijo Carlin. “Queda mucho trabajo por delante. De nuestra parte, el Cosine-100 está dando aún sus primeros pasos. El próximo paso, que es sumamente importante, consiste en intentar reproducir la modulación anual, o descubrir que no puede reproducirse. Esto ya se encuentra en marcha. Asimismo, se encuentra en preparación la segunda etapa del experimento: el Cosine-200, con 200 kilos de cristales, que se instalará en otro lugar de Corea del Sur."

El artículo intitulado An experiment to search for dark-matter interactions using sodium iodide detectors (doi: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0739-1), de la Colaboración Cosine-100, está publicado en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41586-018-0739-1.