Física en Canfranc: ANAIS y la modulación anual por la materia oscura

Dibujo20151215 anais-37 set-up at lsc

ANAIS (Annual modulation with NaI(Tl) Scintillators) es uno de los dos experimentos que busca la materia oscura en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC). Su objetivo es confirmar o refutar la modulación anual observada a más de 9 sigmas tras 14 años de toma de datos por DAMA/LIBRA en el Laboratorio Subterráneo de Gran Sasso (LNGS), Italia. Para ello ANAIS usará el mismo blanco, cristales de yoduro de sodio (NaI), y la misma técnica experimental.

ANAIS es un experimento desarrollado por el grupo de Física Nuclear y Astropartículas de la Universidad de Zaragoza. La detección directa de la materia oscura del Universo es un reto fascinante. La Tierra rota alrededor del Sol cada año, pasando de moverse a favor a moverse en contra de las partículas de la materia oscura del halo galáctico. La interacción de estas partículas con el yoduro de sodio producirá pequeños destellos (centelleo) cuyo número crecerá y bajará a lo largo del año. Esta modulación observada por DAMA/LIBRA no lo ha sido por otros detectores. ANAIS podría resolver esta controversia.

Sobre el estado actual del experimento recomiendo J. Amaré et al., “Status of the ANAIS Dark Matter Project at the Canfranc Underground Laboratory,” arXiv:1512.04239 [astro-ph.IM] (14 Dec 2015). Una breve descripción del experimento; página web oficial de ANAIS. Más información en M. A. Oliván (ANAIS), “Status of the ANAIS experiment at Canfranc,” VII CPAN days, 1-3 Dec 2015, Segovia, Spain [slides]; más conferencias y seminarios.

[PS 13 Jan 2016] J. Amaré et al., “The ANAIS Dark Matter Project: Status and Prospects.” arXiv:1601.01184 [astro-ph.IM].

Dibujo20151215 background at low energy d0 d1 and d2 modules anais-37 setup lsc

El detector principal del experimento ANAIS será instalado durante el año 2016. Estará formado por una matriz de 3×3 detectores, totalizando 112,5 kg de yoduro de sodio ultrapuro. Ahora mismo están tomando datos dos prototipos: ANAIS-25 y ANAIS-37. Su objetivo es calibrar los sistemas de análisis y toma de datos, en especial la estimación del fondo de ruido.

Dibujo20151215 sabre nai crytal and detector schematics related to anais lsc
Cristal ultrapuro de NaI y esquema de la detección. Fuente: SABRE (http://goo.gl/vQyZeF).

El prototipo ANAIS-25 consiste en dos cilindros (D0 y D1) cada uno con 12,5 kg de NaI(Tl), yoduro de sodio dopado con talio, que emite fotones (centellea) cuando es atravesado por radiación ionizante. De hecho es el material centelleador más utilizado porque produce gran cantidad de luz. El prototipo ANAIS-37 (ver la fotografía que abre esta entrada) incluye un tercer cilindro (D2), también con 12,5 kg de NaI(Tl).

Dibujo20151215 bicron saint-gobain alpha spectra nai scintillators anais canfranc laboratory

La idea original del experimento ANAIS era usar 250 kg de NaI(Tl) para emular a DAMA/LIBRA. Se pensó en usar cristales fabricados por BICRON en los 1980 con forma de prisma de sección hexagonal y 10,7 kg (foto de la izquierda). Pero el fondo de ruido era excesivo según mostró el prototipo ANAIS-0. Se valoró la posibilidad de usar cristales fabricados por SAINT-GOBAIN, similares a los de DAMA/LIBRA, con forma de paralelepípedo y 9,6 kg (foto del centro). Pero al final se decidió elegir cristales fabricados por ALPHA SPECTRA (Colorado, EEUU) de forma cilíndrica y 12,5 kg. Una comparación muestra que son los de mejor relación señal/ruido.

Dibujo20151215 alpha spectra nai tl crystals anais canfranc laboratory

El cristal ultrapuro de NaI(Tl) de forma cilíndrica está encerrado en un tubo de cobre de alta conductividad térmica sin oxígeno con dos ventanas de cuarzo que permiten acoplar los fotomultiplicadores. Además, se usa un blindaje de plomo arqueológico de 10 cm (menos de 9 mBq/kg de Pb-210), rodeado de 20 cm de plomo de baja actividad y todo ello bien cerrado en una caja de PVC.

Dibujo20151215 comparison d2 background with simulatoins anais-37 setup lsc

Por muy bueno que sea el apantallamiento no se pueden evitar los sucesos espurios en la región de interés (ROI). Estos falsos positivos son debidos a los materiales con radiactividad natural, como el potasio (K-40) y el plomo (Pb-210). La calibración del detector D2 usando cadmio (Cd-109) ha permitido estimar una actividad del K-40 de 1,25 ± 0,11 mBq/kg (equivalente a unas 41,7 ± 3,7 partes por cada mil millones en el potasio natural). Para el plomo Pb-210 se estima en 0,70 ± 0,10 mBq/kg. Los resultados para los detectores D0 y D1 son ligeramente peores. Actualmente se está trabajando en la estimación de la actividad para el uranio (U-238) y el torio (Th-232).

Dibujo20151215 anais-37 installation anais canfranc laboratory

Una buena estimación del ruido de fondo requiere el desarrollo de modelos teóricos (y su validación requiere la toma de datos, ANAIS-37 lleva tomando datos desde marzo de 2015). Para ello se usan simulaciones por ordenador con el método de Montecarlo; en concreto, ANAIS usa el software Geant4 para simular los sucesos debidos al K-40, Pb-210, U-238, Th-232, I-129 y H-3. Como muestra la figura, los datos experimentales para D2 (curva negra) se ajustan bastante bien con los obtenidos mediante simulaciones (curva roja). Por supuesto, se está trabajando en mejorar aún más estos ajustes. Para los interesados en una estimación del ruido debido a la radiación natural, conocida como radionucleídos cosmogénicos, recomiendo consultar J. Amaré et al., “Cosmogenic radionuclide production in NaI(Tl) crystals,” doi: 10.1088/1475-7516/2015/02/046, arXiv:1411.0106 [physics.ins-det].

Dibujo20151215 Prospects for ANAIS with 100 kg and 5 years in a conservative background scenario anais lsc

La curva negra en esta figura muestra la sensibilidad que se prevé que ANAIS alcance con 100 kg de NaI(Tl) tras 5 años de toma datos. En colores aparece la señal observada por DAMA/LIBRA. Como se observa, alrededor de 2020, ANAIS debería haber confirmado dicha señal. En su defecto la refutaría.

Dibujo20151215 dama libra modulation in context others detectors

¿Por qué es importante el resultado de ANAIS? Otros detectores de materia oscura como XENON100 o LUX no han observado una señal que pueda explicar la modulación DAMA/LIBRA. Como estos detectores usan un material diferente en el blanco (xenón líquido) han surgido dudas. Quizás la partícula (o partículas) de materia oscura interaccione con la materia de forma diferente según el tipo de núcleo atómico considerado (la llamada interacción dependiente del espín). Por ello es fundamental que otro detector que use el mismo blanco que DAMA/LIBRA confirme o refute su señal.

Dibujo20151215 sabre detector schema

ANAIS en Canfranc (~112 kg de NaI) y SABRE (Sodium iodide with Active Background REjection), que se instalará en el futuro Laboratorio Subterráneo de Física de Stawell, Victoria, Australia (~50 kg de NaI), tratarán de confirmar o refutar la señal de DAMA/LIBRA (~250 kg de NaI). ANAIS empezará la carrera primero y luego le seguirá SABRE. No se esperan noticias científicas de ANAIS hasta que se publiquen sus primeros resultados en el verano de 2017. Aún así habrá que estar al tanto de sus avances.

Coda final. Por cierto, esta entrada está dedicada a tu anciana abuela, asidua lectora de este blog. Ella me pidió que hablara, al menos una vez al mes, del Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Esta es la primera entrada de una serie que se titulará “Física en Canfranc” (que espero sea de tu agrado).


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