El futuro de la búsqueda de la partícula asociada a la materia oscura

Por Francisco R. Villatoro, el 2 abril, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 22

La naturaleza microscópica de la materia oscura es uno de los grandes misterios de la física del siglo XXI. Los candidatos más populares son el axión, con una masa entre 1 y 100 μeV/c², y las partículas WIMP, con una masa entre 10 y 1000 GeV/c². Se han propuesto muchos otros candidatos que cubren hasta cincuenta órdenes de magnitud en el rango de masas (desde 10–22 eV/c² hasta 1028 eV/c²). Siendo imposible explorar un espacio de parámetros tan vasto, todos los esfuerzos se han centrado en las búsquedas más asequibles con la tecnología actual, las partículas WIMP con masa similar a la masa de los átomos. Más aún, por su sensibilidad, la mayoría de los detectores usan líquidos nobles (argón y xenón).

La década de los 2020 estará dominada por los detectores de líquidos nobles de segunda generación XENONnT, PandaX-4t, LZ y DarkSide-20k. En concreto, XENONnT será el sucesor de XENON1T y usará 6 toneladas de Xe; Panda X-4t será el sucesor de PandaX-II y usará 4 toneladas de Xe; LZ será el sucesor de LUX y ZEPLIN, con 7 toneladas de Xe; y DarkSide-20k será el sucesor de Darkside-50, DEAP3600 y ArDM, alcanzando 23 toneladas de Ar. Los detectores de líquidos nobles de tercera generación serán PandaX-nT (30 t Xe), DARWIN (40 t Xe) y Argo (300 t Ar). Estos últimos llegarán a alcanzar el fondo de neutrinos. Si no encuentran indicios de la materia oscura se transformarán en detectores de neutrinos. Y habrá que desarrollar nuevas tecnologías de detección que permitan discernir entre neutrinos y partículas de materia oscura.

En ciencia, la ignorancia se cura con búsquedas sistemáticas. Puede que lleguen a ser infructuosas, pero los avances científicotécnicos que conlleva el tesón y la perseverancia siempre acarrean efectos colaterales de gran utilidad práctica. Siendo imposible prever qué nos deparará el futuro, hoy en día ya se está estudiando cómo usar los detectores de líquidos nobles para explorar las WIMP con una masa entre 100 MeV y 10 GeV. También se está estudiando cómo usar detectores sólidos (como los crystaLiZe). Sin lugar a dudas disfrutaremos de estos detectores a finales de la década de los 2020. El futuro de la búsqueda de la naturaleza microscópica de la materia oscura promete ser apasionante.

El origen de esta pieza y las figuras que la decoran las he extraído de Aaron Manalaysay, “The Search for Dark Matter with Noble Liquids,” Aspen, 26 Mar 2019 [indico], Silvia Scorza, “Searching for Low-Mass Dark Matter Particles. Cryogenic Detector,” Aspen, 26 Mar 2019 [indico], Peter Sorensen, “Crystallize. An old idea, possibly a new paradigm,” Aspen, 26 Mar 2019 [indico]. Más abajo también cito el reciente artículo de D. S. Akerib et al. (LUX Collaboration), “Results of a Search for Sub-GeV Dark Matter Using 2013 LUX Data,” Physical Review Letters 122: 131301 (01 Apr 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.131301arXiv:1811.11241 [astro-ph.CO].

Como observas en esta figura, las búsquedas usando líquidos nobles se están centrando en el rango de masas entre 10 y 1000 GeV/c², es decir, entre diez y mil veces la masa del átomo de hidrógeno. Las búsquedas para masas más pequeñas con esta tecnología son muy difíciles, pues requieren una medida de la energía de retroceso de los núcleos por debajo de la sensibilidad de los detectores. Aún así, hay muchos esfuerzos para extender este rango de masas usando ideas ingeniosas que aprovechen los detectores que ya tenemos.

Un buen ejemplo es el último artículo de LUX que logra extender su rango de búsqueda hasta el intervalo entre 0.4 y 5 GeV/c². El resultado solo usa los datos recabados en 2013, y aún no puede competir con los de otros detectores que han realizado búsquedas similares; por cierto, la sección eficaz de la interacción WIMP-nucleón que se explora es unos seis órdenes de magnitud de la que el mismo experimento alcanza por encima de 5 GeV/c². A pesar de ello, lo interesante es la nueva técnica de detección que se ha usado.

La interacción (o el choque) entre la partícula de materia oscura y el núcleo de xenón del detector viene acompañada de una desaceleración de los electrones que induce la emisión de radiación de frenado o bremsstrahlung; el electrón, llamado Migdal, emite un fotón, llamado bremsstrahlung. La detección simultánea del fotón y del electrón vía detectores de centelleo y de ionización permite extender en la banda baja el rango de masas que se explora. El uso de esta técnica con un mayor número de datos, así como en otros detectores, permitirá mejorar las búsquedas de partículas WIMP con una masa por debajo de la escala GeV.

En resumen, la ciencia es sinónimo de exploración; la búsqueda de la naturaleza microscópica de la materia oscura es uno de los mejores ejemplos de cómo funciona la ciencia. Quien afirme que seguir buscando es malgastar fondos es anticientífico. Ahora vivimos tiempos donde la anticiencia se está popularizando, sobre todo entre quienes han sido obligados a abandonar su labor investigadora. Una pena, pero tirar la toalla y abandonar las exploraciones científicas de lo desconocido no me parece un buen consejo. Sin ciencia no hay futuro.



22 Comentarios

  1. Todo es relativo. La materia oscura podria ser debida a la existencia intangible de un tiempo que transcurre en sentido inverso. Si asi fuera (que lo es) nunca se podria detectar y todo esto que explicas seria una perdida de dinero y tiempo.

    1. Podéis comentar o dar referencias de esta teoría? A mí me gusta la hipótesis de lisa Randall de que podría haber varios tipos de partículas de materia oscura que interactúen entre ellas

      1. Jorgelu, este tipo de teorias estan basadas en la idea de que existen cosas en el universo que no se pueden cuantificar. Estas teorias son contrarias a la mayoria de conceptos que se expresan aqui de que todo se puede medir y cuantificar, y que para ello basta con aumentar la precision o potencia de los aparatos de medida.

        El problema de la cuantificacion y medicion se llama problema de la medida, un problema irresoluble para la fisica y del que aqui no se suele hablar.

        El problema de la medida lleva 100 años sin poderse solucionar y por eso aqui oiras hablar mucho de la probabilidad…. Porque este punto de vista no da para mas.

        Es cientifico hacer lo mismo durante 100 años y esperar que la cosa vaya a cambiar?

        Cada uno decide lo que quiere pensar….

        1. En todo caso no sería una teoría, sino una hipótesis. ¿Tienes algún link a algún artículo científico en la que se desarrolle esa hipótesis o es solo filosofía?

          Saludos

          1. Cuando dices cientifico entras en una rueda circular. Científico = fisico = matematicas…. Y das por supuesto el terreno de juego en el que esto se tiene que explicar…. Es decir, en el terreno de la racionalidad.

            Esta forma de pensar conduce a callejones sin salida que es lo que pasa hoy dia, que no hay concepto fisico o científico que no acabe muriendo en una irracionalidad o singularidad.

            Esto pasa porque las matematicas son discretas y logucamente sirven para el objetivo de cuantificar, pero cuando el tiempo pasa a ser una variable independiente no se pueden aplicar y por eso se recurre a la probabilidad.

            Es lo que pasa pir ejemplo con la mecanica cuantica, con el tiempo en relatividad o con la expansion del universo.

            Este tipo de hipotesis requieren herramientas diferentes, que primero pasan por un cambio o apertura en la forma de pensar.

            Pero bueno, a nivel cientifico en el sentido tradicional lo que mas se podría aproximar es la utilización de los numeros complejos o la teoria de la doble relatividad de lee smolin.

            Un saludo. Gracias

    2. Me encantan los visionarios trolls como tú.

      ¿En base a qué afirmas cosas como esa exactamente? Y además afirmando categóricamente (“Que lo es”)…

      No entiendo a este tipo de personas.

      1. Dice “si lo fuera” y luego “lo es” como demostración verbal irrefutable de que su tiempo va en dos (o más) direcciones a la vez. No esperarás (¿lo esperabas?) que ello no afecte a la lógica.

  2. « Se han propuesto muchos otros candidatos que cubren hasta cuarenta órdenes de magnitud en el rango de masas (desde 10^(–22) eV/c² hasta 10^(28) eV/c²).»
    ¿Quizás cincuenta?

  3. Quien sabe si esa materia alimentará vehículos en el futuro y por eso en las pelis levitan tan fácil, luego vendrán los problemas medioambientales por falta de materia oscura

  4. Justo ahora estoy leyendo el libro de National Geographic de la búsqueda del neutrino, y esto me ha recordado mucho a ello. Nos da esperanzas que lo que se presumía imposible antes se hace posible ahora. Lo mismo pasará con esta partícula.

    1. ¡Buen comentario Álvaro!

      También estoy leyendo divulgación sobre neutrinos (“Neutrino spaceship” un libro verdaderamente extraordinario) y no dejo de pensar en lo emocionante que es el paralelismo.

      Que grande Francis, no estaba enterado de la idea de usar detectores sólidos, siempre se aprende algo leyéndole.

  5. Acepto las premisas del ultimo parrafo, incuestionable. Sobre la materia oscura… en fin, cierto que los fenomenos que la utilizan estan ahi (rotacion de las galaxias, lensing…), pero siempre me he planteado, no ha sido esa la solucion “facil” para explicar esos fenomenos? Eter para explicar la transmision de la luz, Vulcano para explicar la anomalia de la precesion de Mercurio y seguro que me dejo alguna mas. Todo explicado con nuevas teorias/modelos. Por que este no puede ser el caso? Se descubren los fenomenos y en lugar de incentivar mas Cosmologia, crece un interes desmesurado en la Fisica Nuclear. De alguna manera, lo que peor veo es que cuando se habla del experimento en si, se habla de la reaccion a estudiar COMO real sin saber si es cierta, por ejemplo:
    “La interacción (o el choque) entre la partícula de materia oscura y el núcleo de xenón del detector VIENE acompañada de una desaceleración de los electrones que induce la emisión de radiación de frenado o bremsstrahlung; el electrón(…)”
    viene? o vendria? por que lo primero es una afirmacion de algo real, cuando todavia es hipotetico. Y esto viene repitiendose en todas partes, incluso en conferencias.
    No se, parece que existe un ansia de descubrirlo y se ha paralizado lo demas (relacionado con el asunto). Bueno, quiza…. parece que hay grupos de Cosmologia que se mueven en la direcion de corregir la teoria.

    1. La materia oscura es la explicación más sencilla que encaja con lo observado.
      Las predicciones de las teorias MOND no concuerdan con lo observado.

      ¿Qué problema tienes con la materia oscura? No tiene nada de extraño proponer nuevas partículas. El SM no está completo, se sabe que faltan campos.
      Tampoco tiene nada de extraño no interactuar o hacerlo muy débilmente con el espectro electromagnético. Los neutrinos no lo hacen, por ejemplo.

      Busco en tu comentario una manera alternativa para explicar la realidad que no cuente con la materia oscura, pero casualmente no la encuentro.

      Aunque no se haya encontrado, no signifca que no se pueda inferir ciertos comportamientos. Y en base a ello se crean los experimentos. Hay un problema observacional, se proponen soluciones y se explora para comprobarlas. Se llama ciencia.
      ¿Cómo propones tú enfocar este tema? Porque en tu comentario no das muchas pistas…

      ¿El qué se ha paralizado? ¿Quién lo ha paralizado? ¿De qué hablas exactamente?

  6. Estoy en parte de acuerdo con el comentario de Carlos, en el sentido de que es un poco navaja de Ockham (si me permitis la expresion) i.e. el descubrimiento de nuevas particulas soluciono satisfactoriamente varios problemas en el pasado. De todas formas no olvidemos que es un modelo, en el sentido que es mas dificil de refutar que las teorias MOND (los limites de exclusion de esta entrada es un reflejo de ello en mi opinion). Lo que es innegable es la utilidad de las medidas fisicas que siempre seran muy valiosas.

  7. Sobre tu lapidaria frase final “Sin ciencia no hay futuro.”…
    La ciencia es una actividad básicamente del razonamiento humano (los animales también aprenden con la experiencia, ensayo error, pero no lo consideraría ciencia).
    Me da la impresión que sin los humanos y en consecuencia sin ciencia, esta Tierra tendría algo más de futuro.

    Pero por ahora es sólo eso, una impresión. A saber…

  8. Como siempre, gracias por un artículo tan interesante. Y sobre todo, gracias por el párrafo final. La ciencia es una luz que avanza por pasajes oscuros inexplorado, con un método hasta ahora eficaz, que la aleja en buena medida de la vanidad que tanto afecta a otras disciplinas. Es la única disciplina del conocimiento que ha traído avance y bienestar a la humanidad. Por desgracia los charlatanes vuelven a estar de moda, que critican la ciencia sin entenderla, ni conocerla, ni mucho menos practicarla. La Filosofía no ha hecho más productivas las cosechas, ni ha llenado estómagos vacíos, ni han curado enfermedades, ni nos ha aclarado nada sobre nuestro origen, ni nos han permitido saber nada sobre el Universo en que vivimos. La ciencia son hechos, no palabras huecas para lucirse en tertulias que no van a ninguna parte y que solamente alimentan la pedantería de los participantes, sumos sacerdotes de la vacuidad.

  9. Os comento mi opinión acerca de la posibilidad de que el universo pueda explicarse por variables no cuantificables como he leído por ahí arriba. El problema de esas teorías no es que sean falsas a mi entender. Merecen todo el respeto del mundo. El problema es que no son falsables. Imaginad que tenemos un amigo llamado Jaimito pero nuestra imagen de el es difusa, no podemos delimitarlo físicamente en una porción de espacio ni distinguirlo de otros objetos. ¿Como vamos a poder decir cosas de Jaimito o referirnos a él? “Mas o menos así es Jaimito” o “Jaimito corre mucho”.

    Lo bueno de las teorías que siguen el método científico (cuantificables) es que proporcionan un marco que nos permite hacer afirmaciones sobre los hechos y podemos verificarlas. No que sean mas verdaderas que otras mas abstractas. Para mi esa es la esencia del conocimiento basado en el método científico. Mas que centrarnos en su veracidad suprema, lo veo mas como un protocolo de comunicación, unas reglas para decirnos unos a otros cosas de la realidad.

    En cuanto al tema de la materia oscura, estoy de acuerdo en que lo sensato es pensar que pueden existir multitud de partículas que no interactúen necesariamente con el campo electromagnético. Igual que otras no interactuan con otros campos.

    Dicho esto, me voy al catre.

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