ANAIS-112 no observa tras tres años la modulación anual de DAMA/LIBRA

Por Francisco R. Villatoro, el 3 marzo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 5

La modulación anual a 12.9 sigmas de DAMA/LIBRA (LCMF, 03 Abr 2018) podría ser debida a una partícula de materia oscura, o podría ser debida a un error sistemático enorme. El experimento español ANAIS-112, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), tras tres años de observación, descarta dicha modulación anual a 3.3 sigmas en el rango de energía de 1 a 6 keV (aunque solo a 2.6 sigmas entre 2 y 6 keV). Pronto se publicarán los datos de COSINE-100 tras dos años de observación; si también la descartaran a unas tres sigmas, se lograría una evidencia en su contra cercana a las cinco sigmas. Habrá que estar al tanto de estos resultados, pero se avecina un duro varapalo para el experimento italiano DAMA/LIBRA, que ya recibió otro de otros detectores de materia oscura que no usan yoduro de sodio dopado con talio, NaI(Tl).

El experimento ANAIS (Annual modulation with NaI Scintillators) está liderado por María Luisa Sarsa Sarsa y María Martínez Pérez, ambas en la Universidad de Zaragoza. Su objetivo es la búsqueda directa de la materia oscura con un detector de 112.5 kg de NaI(Tl), el mismo material que usan COSINE-100 y SABRE, y que usó DAMA/LIBRA. Estos tres experimentos tienen como objetivo estudiar la misma modulación anual. ANAIS-112 estudia dos rangos de energía, 1–6 keV y 2–6 keV, habiendo observado sendas amplitudes de la modulación de −0.0034 ± 0.0042 cpd/kg/keV y 0.0003 ± 0.0037 cpd/kg/keV, ambas compatibles con una amplitud nula (la ausencia de la modulación). En el rango de energías 1–6 keV se descarta la modulación DAMA/LIBRA con 3.3 sigmas; en el otro rango de energías, 2–6 keV, solo se descarta a 2.6 sigmas. Para alcanzar tres sigmas en todo el rango de energía, ANAIS-112 deberá tomar datos durante 5 años, y alcanzar cinco sigmas tomaría unos 10 años; pero solo tomará datos durante 5 años. Sin embargo, combinando sus resultados con los de COSINE-100 y SABRE se logrará alcanzar cinco sigmas antes.

El artículo es J. Amare, S. Cebrian, …, P. Villar, «Annual Modulation Results from Three Years Exposure of ANAIS-112,» arXiv:2103.01175 [astro-ph.IM]. En español recomiendo leer a María Luisa Sarsa Sarsa, «Muerte por materia oscura,» Revista Española de Física 34: 11-17 (2020) [PDF], que presenta los resultados tras dos años de observaciones. Para los despistados, la modulación DAMA/LIBRA ha aparecido en este blog en multitud de ocasiones: «La oscilación anual DAMA/LIBRA alcanza las 12,9 sigmas», LCMF, 03 abr 2018; «Duro varapalo de XENON100 a la modulación anual de DAMA/LIBRA», LCMF, 20 ago 2015; «El detector de materia oscura XMASS-I no observa la modulación anual DAMA/LIBRA», LCMF, 30 nov 2015; «Tras 4 años XENON100 no observa la modulación anual DAMA/LIBRA», LCMF, 08 ene 2017; «XMASS no observa la modulación anual DAMA/LIBRA», LCMF, 29 may 2018; «COSINE-100 desfavorece una WIMP como causa de la modulación DAMA/LIBRA», LCMF, 06 dic 2018.

¿Qué puede causar la modulación anual DAMA/LIBRA? O bien una partícula de materia oscura muy exótica y extraordinaria que escapa a todos los detectores de materia oscura que no usan NaI(Tl), pues ni XENON, ni LUX, ni ningún otro detector la ha observado. O bien un fenómeno desconocido que no tiene nada que ver con el paso de la Tierra durante su órbita anual a través del halo galáctico de materia oscura; se han propuesto muchas posibilidades, pero todas han sido combatidas hasta la extenuación por los físicos de la colaboración DAMA/LIBRA. En mi opinión el experimento clave será SABRE, que usará dos detectores gemelos de NaI(Tl), uno situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), cerca de Roma (Italia), donde estaba DAMA/LIBRA, y otro situado en el Laboratorio Subterráneo de Física en Stawell (SUPL), cerca de Melbourne (Australia); gracias a ello se podrá descartar que la modulación tenga su origen en algún fenómeno asociado a LNGS. Por desgracia, SABRE está todavía en una fase de prueba de concepto y faltan muchos años hasta que dilucide el origen de la modulación anual.

Los detectores directos de materia oscura que usan NaI(Tl) con el objetivo de verificar o refutar la modulación anual son ANAIS-112 en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), España, COSINE-100 en el Laboratorio Subterráneo de Yang Yang (Y2L), Corea, PICOLON (futuro KamLAND-PICO) en el Observatorio de Kamioka, Japón, y COSINUS en el LNGS, Italia. Los primeros en obtener resultados serán ANAIS-112, con 112.5 kg de NaI(Tl), y COSINE-100, con 106 kg. El yoduro de sodio dopado con talio es un material centelleante, que emite destellos cuando una partícula interacciona con él; usando tubos fotomultiplicadores de muy alta eficiencia cuántica acoplados ópticamente al cristal centelleador se pueden observar dichos destellos.

Esta figura muestra los resultados de ANAIS-112 tras tres años de toma datos entre agosto de 2017 y agosto de 2020. Se han usado tres métodos de estimación del fondo (indicados por un círculo, un cuadrado y un triángulo) y se muestran los resultados agrupados (binning) 5 y 30 días. Como ya he indicado, las amplitudes de la modulación observadas son −0.0034 ± 0.0042 cpd/kg/keV para [1-6] keV y 0.0003 ± 0.0037 cpd/kg/keV para [2-6] keV, ambas compatibles con cero (línea roja). La incertidumbre aún es muy grande comparada con la de DAMA/LIBRA.

En  resumen, todo apunta apunta a descartar la modulación anual, pero faltan aún algunos años para que se pueda asegurar en firme. Siento ser pesimista al respecto, pues sé que a muchos lectores de este blog les gustaría lo contrario, pero si todos los indicios y todas las evidencias apuntan en contra, lo que uno espera que las nuevas evidencias también apunten en contra. La búsqueda de la partícula de materia oscura continúa y todavía queda mucho espacio de parámetros por explorar. Descartar el resultado de DAMA/LIBRA solo es quitar una pequeña piedra en el camino.



5 Comentarios

  1. Hola Francis! ¿Hay algún experimento en marcha o propuesto que busque solución a este problema desde otro enfoque diferente? Me refiero a que ante la aparición de campos gravitatorios se busca la «materia» que sería su génesis. ¿Pero, no se ha conjeturado que esa «materia» puede no estar ahí? Y uso el concepto de conjetura en el sentido de la Conjetura Maldacena, porque podemos estar ante una manifestación o proyección en esta dimensión de una generadora de gravedad que no está en esta dimensión. Usando una analogía algo arriesgada, se trata del mismo efecto que se observa en la proximidad de un agujero negro: la gravedad que nos atrae es resultado de una materia que «no está ahí».

    1. Dodge, una modificación de la gravitación implica la adición de nuevos campos clásicos; la versión cuántica de estos campos dará lugar a nuevas partículas; por tanto, una modificación de la gravitación para explicar la materia oscura implica una nueva partícula para explicar la materia oscura.

      Un grave error de mucha gente es pensar que se puede modificar la gravitación sin introducir nuevos campos y, por tanto, nuevas partículas; pero eso solo se puede hacer con la gravitación de Newton, que no tiene campos, ni partículas, por ejemplo, en MOND (que modifica la cinemática de Galileo); pero la versión relativista de MOND, llamada TeVeS, introduce nuevos campos vectoriales (Ve) y escalares (S), que implican nuevas partículas.

    2. Dodge, no contesté a tu pregunta «¿Hay algún experimento … desde otro enfoque diferente?» Mi pieza es sobre la modulación anual DAMA/LIBRA y todos los experimentos buscaron resolver la anomalía desde un enfoque diferente (usar otro material en lugar de NaI(Tl).

      Pero quizás te refieres al problema de la materia oscura… Se trata de uno de los problemas más relevantes de la Física en el siglo XXI, así que hay muchos enfoques diferentes más allá de la búsqueda directa (lo que hacen ANAIS, DAMA/LIBRA, XENON100, etc.). En líneas generales se realizan búsquedas indirectas (en los rayos cósmicos buscan fotones, neutrinos, antiprotones, axiones, etc.), la producción en colisionadores (como LHC), características astrofísicas y cosmológicas (como curvas de rotación galáctica, cúmulos, …), etc.

      El esfuerzo actual es ingente y desde todos los frentes posibles, pero hay 40 órdenes de magnitud en masa (o energía) y otros 30 en la sección de eficaz donde se puede esconder la materia oscura. Hay que ser realistas, nunca en la historia de la ciencia se ha emprendido una búsqueda de algo en tantos órdenes de magnitud, así que se podrían tardar siglos en resolver este problema. Hay muchos huecos donde nadie está buscando nada porque no sabemos cómo buscar allí; y en muchos lugares solo estamos explorando el pico del iceberg. Necesitamos físicos jóvenes que ideen nuevas maneras de explorar esos huecos. El campo promete ser apasionante para los físicos jóvenes.

  2. Hola Francis, gracias por tan interesante artículo. Reporto un pequeño gazapo por si lo quieres «reparar», donde dices:
    En español recomiendo leer a María Luisa Sarsa Sarsa, «Muerte por materia oscura,» Revista Española de Física 34: 11-17 (2020) [PDF]
    Observa que al clickar el link [PDF] no lleva al artículo de Maria Luisa, sino a un artículo de Andrés Redondo Cubero titulado «Sesgos cognitivos en la ciencia», artículo que me ha parecido muy, muy bueno y que recomiendo leer a todos tus seguidores.
    El link que lleva al artículo de María Luisa es:
    http://www.revistadefisica.es/index.php/ref/article/view/2660/2129
    Saludos y de nuevo gracias por divulgar Ciencia y Tecnología.

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