El detector de materia oscura LUX-ZEPLIN publica su primer límite de exclusión

Por Francisco R. Villatoro, el 10 julio, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

Esta semana, el mayor detector de materia oscura usando xenón líquido, LUX-ZEPLIN (LZ), ha publicado su primer resultado; un anticipo espectacular de los que vendrán tras años de análisis, pues solo se han tomado datos durante 60 días con una masa fiducial de 5.5 toneladas. Sabes que no ha observado nada (ya lo sabrías en otro caso). Aún así ha obtenido el mejor límite de exclusión para partículas WIMP con una masa por encima de 9 GeV/c², hasta 4 TeV/c². El límite más restrictivo para la sección eficaz se ha obtenido para 30 GeV/c² y corresponde a 5.9 × 10⁻⁴⁸ cm² al 90 % C.L. (nivel de confianza). Habrá nuevos y mejores resultados de LZ en los próximos años; a pesar de que hay cierto pesimismo, que apunta a que no se observará ninguna partícula de materia oscura, emprender la búsqueda es imprescindible para estar seguros de que dicha partícula no está justo ahí mismo, esperando a que la encontremos.

El futuro de los detectores de materia oscura con una masa en la escala de masa de los átomos es convertirse en detectores de neutrinos; cuando alcancen el fondo de neutrinos, también llamado «niebla de neutrinos», habrá que separar las señales de neutrinos de las de partículas de materia oscura. Ya se está trabajando en el desarrollo de las técnicas que lo permitirán. Una noticia del año pasado de la que no me hice eco es que, siguiendo la máxima de que la unión hace la fuerza, los competidores en la búsqueda usando xenón líquido decidieron unirse para el gran detector de la próxima década: XLZD (unión de XENON/DARWIN y LUX-ZEPLIN). A pesar de la niebla de neutrinos, nos esperan apasionantes décadas de búsqueda de la partícula de la materia oscura en la escala de energía GeV.

El nuevo artículo es The LUX-ZEPLIN (LZ) Collaboration, «First Dark Matter Search Results from the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment,» LBL, 07 Jul 2022 [PDF], arXiv:2207.03764 [hep-ex] (08 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.03764. Muchos medios se han hecho eco de la rueda de prensa y del primer resultado de LZ, como Leah Crane, «World’s most sensitive dark matter detector tested for the first time,» New Scientist, 07 Jul 2022; «Berkeley Lab Researchers Record Successful Startup of LUX-ZEPLIN Dark Matter Detector at Sanford Underground Research Facility,» Berkeley Lab, 07 Jul 2022;

El experimento LZ está en el Laboratorio Subterráneo de Sanford (SURF, por Sanford Underground Research Facility) en Lead, Dakota del Sur, EE UU, bajo una montaña equivalente a 4300 metros de agua. Usa un depósito de 10 toneladas de xenón líquido (LXe). La cavidad instrumentada para la detección (TPC, por Time-Projected Chamber) es un cilindro de 1.5 metros de diámetro y de altura, con tubos fotomultiplicadores (PMTs) encima y abajo, con un volumen activo que contiene 7 toneladas de xenón líquido.

El impacto de una partícula de materia oscura contra un núcleo de xenón producirá una señal doble: fotones de centelleo en el ultravioleta (S1) y una nube electrones de retroceso, que gracias a un campo eléctrico se dirigen hacia la superficie superior del xenón líquido, donde ionizan átomos de xenón en estado gaseoso produciendo una segunda señal de centelleo (S2). La diferencia entre los tiempos de llegada y la energía depositada entre ambas señales permite descartar falsas alarmas. Todo el detector está dentro de un tanque de agua ultrapura de 238 toneladas que actúa como escudo contra la radioactividad ambiental (a pesar de ello se han observado 335 señales de fondo).

El primer límite de exclusión de LZ se ha obtenido con datos recopilados entre el 23 de diciembre de 2021 y el 11 de mayo de 2022. Eliminando las actividades de mantenimiento y calibración se han tomado datos durante 89 días. Sin embargo, el detector no ha funcionado de forma estable durante todo ese tiempo, con lo que solo se han analizado datos durante el equivalente a 60.3 ± 1.2 días de exposición para unas 5.5 ± 0.2 toneladas de LXe. Se han observado 335 eventos de fondo y ningún evento de una partícula WIMP. Obviamente es el primer resultado publicado y durante muy poco tiempo (el objetivo de LZ es alcanzar 1000 días de exposición). Se ha obtenido el mejor límite de exclusión para la interacción WIMP-nucleón independiente del espín para el rango de masas mayores de 9 GeV/c² y con estos datos se obtendrán otros límites de exclusión en un futuro cercano. Pero, en mi opinión, lo más relevante del nuevo resultado es que muestra que el detector funciona mejor de lo esperado para el rango de masas menor de 100 GeV/c² y tan bien como se esperaba para masas mayores. Todo un éxito de la Colaboración LZ, sin lugar a dudas.

Por cierto, unas palabras sobre cómo lidiar en el futuro con la «niebla de neutrinos». La clave es trazar el origen de los eventos debidos a neutrinos; esta figura muestra cómo los neutrinos solares, atmosféricos, producidos en reactores nucleares, en el núcleo de la Tierra, etc., se sitúan en diferentes regiones del plano masa/sección eficaz para los detectores de xenón líquido. Así habrá que excluir estas regiones de las búsquedas y concentrarse en los eventos que se encuentren fuera de estas regiones (de color azul oscuro en la figura). Más información en el Snowmass 2021 White Paper by C. A. J. O’Hare, D. Loomba, et al., «Recoil imaging for dark matter, neutrinos, and physics beyond the Standard Model,» arXiv:2203.05914 [physics.ins-det] (11 Mar 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2203.05914.



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