Se ha inaugurado el detector de materia oscura Xenon1T

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El experimento Xenon1T para la búsqueda de partículas WIMP de materia oscura ya ha sido inaugurado. Tras una primera fase de calibración, sus primeros resultados científicos se publicarán a principios del año 2016 (una semana de toma de datos ya permite límites de exclusión mejores que los de LUX). Situado en el Laboratorio Subterráneo de Gran Sasso (LNGS), a unos 120 km de Roma, Italia, su sensibilidad no tiene precedentes. Se espera que podrá cazar a algunas de las más de cien mil partículas de materia oscura del halo galáctico que atraviesan cada centímetro cuadrado de tu piel cada segundo.

Más información en «XENON1T: Gearing up to detect dark matter,» LNGS News, Nov 2015. Infografía resumen en PDF. Más información técnica en Elena Aprile (XENON1T Collaboration), «The XENON1T Dark Matter Search Experiment,» arXiv:1206.6288 [astro-ph.IM].

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Xenon1T es un detector de partículas WIMP (partículas de materia oscura que interaccionan vía el bosón de Higgs con la materia bariónica). Para ello se usa un tanque con 3500 kg de xenón líquido (marcado como TPC en este dibujo) suspendido y sumergido en un tanque mayor de 700 m³ de agua líquida ultrapura (este segundo tanque de unos 10 m de altura es el que se ve en las fotografías). El xenón líquido se encuentra a –95 °C y su tanque está rodeado de 248 fotomultiplicadores (detectores de fotones) de alta sensibilidad.

La interacción de una WIMP con un nucleón de un átomo de xenón lo ioniza. Como el xenón es un gas noble, se forma un enlace (metaestable) con otro átomo de xenón cercano; este dímero se relaja en dos átomos no ionizados emitiendo luz ultravioleta y electrones (una nube de carga de ionización). Como el xenón líquido es extremadamente transparente, la luz de centelleo (S1) se detecta mediante fotomultiplicadores situados en la parte inferior del tanque de xenón líquido. Usando campos eléctricos muy intensos los electrones de ionización se aceleran para que abandonen el tanque de xenón líquido por la parte superior del tanque y pasen a una región con xenón gaseoso; estos electrones se recombinan con el xenón gaseoso emitiendo luz de centelleo secundaria (S2) que se detecta mediante otros fotomultiplicadores en la parte superior del tanque. La detección en secuencia de ambas señales S1 y S2, así como su cociente de energías, permite discernir entre la interacción WIMP-nucleón e interacciones espúreas debidas a radiación gamma.

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Xenon100 (2012) ha logrado una sensibilidad de 7×10−45 cm2 para la sección eficaz de interacción independiente del espín de una partícula WIMP y un nucleón del xenón; se espera que Xenon1T (2017) alcance ∼ 2×10−47 cm2 tras dos años de toma de datos. Si existe una WIMP con una masa de and 100 GeV/c2, XENON1T debería detectar unos 100 sucesos en este tiempo. Si no lo hace nos dará los límites de exclusión más restrictivos hasta el momento. Se espera que las primeras semanas de toma de datos sean suficientes para que Xenon1T (2016) logre mejores límites de exclusión que LUX (2013).

La colaboración Xenon agrupa a 21 grupos de investigación de EEUU, Alemania, Italia, Suiza, Portugal, Francia, Países Bajos, Israel, Suecia y Emiratos Árabes Unidos. El LNGS, situado bajo 1,4 km de roca, es el laboratorio estrella del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) de Italia. En este blog estaremos atentos a cuando se publiquen los primeros resultados de Xenon1T. Con toda seguridad serán muy interesantes.



6 Comentarios

    1. Ya están preparados para eso. Los científicos del Sasso tienen la estructura lista para pasar de 3,5 toneladas de Xenon (de las que usa efectivamente 1 tonelada) a 7 toneladas (de las que podrá usar 4 toneladas efectivamente). Supuestamente el nuevo desarrollo de LUX tendrá la misma capacidad de 6-7 toneladas de Xenon. Y ahí sí estarán ya al borde de «o se descubren partículas WIMP o a ir cambiando las teorías».
      La verdad que creo que lo más brutal sería un titular en todos los diarios del mundo con «Se descubre la materia oscura» en notas que van a atrae la atención de todo el planeta (obviamente por ser sensacionalistas) y seguramente un consiguiente aumento de fondos para estos proyectos. Así como el 2014-2015 fueron los años del Higgs, el 2016-2017 bien podrían serlo del Wimp, ojalá

        1. Terencio, las WIMP no existen en el modelo estándar; son partículas inspiradas en los neutrinos, pero con una masa enorme, siendo una predicción de muchos modelos más allá del modelo estándar. Las WIMP son «como neutrinos» pero con una masa entre 1 GeV (mil millones de eV) y 100 TeV (100 billones de eV), mientras los neutrinos tienen una masa menor de 0,2 eV.

  1. Francis, perdón que me salga un poco de la noticia, pero relacionado con ella: ¿hay algún modelo que suponga que la materia oscura no son WIMPs sino materia ubicada en una brana no coincidente con la nuestra, de forma que interacione con la materia ordinaria mendiante gravedad (que puede abandonar la brana) y no el resto de fuerzas? ¿Alguien considera que podría ser «la sombra» de nuestra propia brana plegada de forma que es un auto-acoplamiento gravitatorio a través de dimensiones adicionales?

    Saludos y gracias por tu blog.

    1. Enrique, hay muchos modelos que consideran que las partículas de materia oscura no interaccionan vía la interacción débil con las partículas de materia (ordinaria) y por tanto no son partículas WIMP. La teoría de cuerdas permite interpretar todas las partículas (materia y materia oscura) como extremos de cuerdas abiertas que se mueven en ciertas branas. Luego, como es obvio, en teoría de cuerdas lo más sencillo es explicar la materia oscura con branas.

      Por otro lado, la idea de los universos «espejo» o «especulares» (que además de nuestro universo haya un «universo sombra») es muy antigua y se han propuesto modelos para la materia oscura en esta línea. Por ejemplo, la teoría de cuerdas heteróticas E8xE8 predice que nuestro universo tiene una simetría E8 y que la otra E8 corresponde a «otro universo». Sin embargo, casar bien estas ideas es complicado.

      Olvida la idea de un «universo sombra» (la navaja de Ockham la descarta) y piensa en partículas que aún no hemos descubierto. Recuerda que en verano de 1974 solo conocíamos 8 partículas del modelo estándar (las demás se descubrieron en 1974, 1977, 1979, 1983, 1995, 2000 y 2012). Lo más sencillo es que la materia oscura sean partículas aún no descubiertas.

      Saludos
      Francis

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 16 noviembre, 2015
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